W jaki sposób udział objętościowy wtrąceń nie-tlenków metali po przetopieniu łukiem próżniowym rur osłonowych grzejnika 316 kontroluje gęstość miejsca inicjacji wżeru w wodzie o wysokiej-czystości w temperaturze 90 stopni

Populacja inkluzyjna jako jedyny mechanizm inicjujący wżery w środowiskach o niskiej-chlorku

With 316 stainless steel clad electric heating tubes in high purity water applications such as pharmaceutical water systems, semiconductor rinse tanks or high pressure boiler feedwater when the chloride levels are under 10 ppm, conventional chloride-induced pitting is not expected. However the pitting does occur in these conditions and the beginning sites are virtually solely non-metallic oxide inclusions (mainly alumina, Al2O3 and spinels) rather than manganese sulphides. The oxide inclusion volume fraction of a normal electric-arc furnace (EAF) 316 is usually 0.01–0.05%. Vacuum arc remelting (VAR) or electroslag remelting (ESR) reduce the oxide inclusion volume percentage to less than 0.002% (a 10-25 fold reduction). A 316 sheath with an oxide inclusion volume fraction >0,01% w wodzie o wysokiej czystości o temperaturze 90 stopni wytworzy 10–50 wgłębień/cm2 w ciągu 1000 godzin, ale materiał poddany obróbce VAR<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 godzin. W tej pracy zbadano wpływ trwałości użytkowej, gęstości inicjacji wżerów i udziału objętościowego wtrąceń tlenkowych na wodę o wysokiej-czystości.

Wżerowe zachowanie stali wywołane mechanizmem inkluzji tlenków

W przeciwieństwie do wtrąceń siarczku manganu, które są elektrochemicznie aktywne i powodują wżery w wyniku rozpuszczania, wtrącenia tlenkowe (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) są izolatorami obojętnymi. Odgrywają mechaniczną i geometryczną rolę w powstawaniu wżerów. Granica między wtrąceniami tlenkowymi a osnową austenityczną różni się współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (WRC Al2O3=8×10−6 / stopień vs. 316 ≈ 17×10−6 / stopień ). To niedopasowanie CTE powoduje przerwę (szczelinę) pomiędzy wtrąceniem a matrycą podczas cykli ogrzewania (do 90 stopni) i chłodzenia. Szczelina ta wypełniona jest wodą i jonami chlorkowymi (nawet w temp<10 ppm) and constitutes the differential aeration cell that causes pitting. The pit then propagates by normal chloride driven mechanisms, but the bulk chloride is low. The number of pits is related to the number of oxide inclusions exposed at the surface.

Zależność pomiędzy frakcją objętościową wtrąceń tlenkowych a oznaczaniem gęstości wżerów pod kątem 90 stopni

Kontrolowane testy zanurzeniowe rur 316 pochodzących z różnych procesów produkcji stali (EAF, AOD, VAR) w wodzie o wysokiej czystości (8 ppm Cl⁻, przewodność 15 µS/cm, pH 7,0) w temperaturze 90 stopni przez 5000 godzin ustaliły następujące gęstości inicjacji wżeru.

Normalny udział objętościowy wtrąceń tlenkowych (%) w procesie produkcji stali Zakres wielkości wtrąceń (µm) Wżery/cm² po 5000 godzin w 90 stopniach Maksymalna głębokość wtrącenia po 5000 h (µm) Czas do pierwszego stabilnego wgłębienia (h) Zalecana usługa dla wody o wysokiej czystości
VAR (przetapianie łukiem próżniowym)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Najlepszy ESR (przetopiony elektrożużlem) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5 000-10 000 Doskonały AOD (odwęglony argonem i tlenem) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2 000-5 000 Dopuszczalny
AOD + leczenie wapniem 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3,000 Marginalnie
EAF (elektryczny piec łukowy, standard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500Niewskazane
EAF (zła jakość) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Niedopuszczalne
Wpływ stężenia chlorków na inkluzję-Próg indukowanych wżerów

Początek wżerów przy wtrąceniach tlenkowych jest przyspieszany przez obecność nawet minimalnych chlorków. Poniższa tabela ilustruje maksymalny dopuszczalny procent objętościowy wtrąceń tlenków dla 5-letniego okresu użytkowania w funkcji stężenia chlorków w temperaturze 90 stopni.

Stężenie chlorków (ppm) Maksymalny dopuszczalny udział objętościowy włączenia tlenku (%) Proponowana metoda wytwarzania stali Alternatywna w przypadku przekroczenia<1 0.020 AOD or betterNone 1-5 0.010 AOD + calcium therapyNone 5-10 0.005 AOD (premium) or ESR None 10-20 0.003 ESR or VAR 316L with electropolishing 
20-50 0.002 VAUpgrade do 316L, pasywacja50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Włączenie-Specyfikacja kontrolowana dla usług związanych z wodą o wysokiej czystości

Specyfikacje grzejników płaszczowych 316 do zastosowań w wodzie-o wysokiej czystości zawarte w dokumentach zamówienia powinny obejmować:

Zastosowanie Maksymalna ilość chlorków (ppm) Wymagany proces stalowniczy Maksymalny udział objętościowy wtrąceń tlenkowych Metoda weryfikacji
Farmaceutyczny WFI (woda do wstrzykiwań)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Płukanie półprzewodników (ultrapure)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Woda zasilająca kocioł pod wysokim-ciśnieniem<5 ESR or AOD premium <0.005% (50 ppm) ASTM E45 Method A General high purity industrial <10 AOD with calcium treatment <0.010% (100 ppm) ASTM E45

Kupujący wymagający kontroli włączenia 316 mają trzy techniki weryfikacji. Pierwszą z nich jest ASTM E45 (standardowe metody badań określające zawartość wtrąceń w stali), albo metoda A (najgorsze pole), albo metoda D (analiza obrazu). W przypadku zastosowań o wysokiej czystości określono maksymalną intensywność 0,5 dla wtrąceń typu B (tlenek glinu). Drugi to skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) z dyspersją energii-spektroskopią rentgenowską (EDS) na wypolerowanym-przekroju poprzecznym (500–1000×), zliczającą wtrącenia w 10 polach widzenia. Próg akceptacji jest mniejszy niż 10 wtrąceń na mm2 większy niż 2 µm. Trzeci test to uproszczony test zanurzeniowy, podczas którego próbkę rurki zanurza się w wodzie o wysokiej czystości (10 ppm Cl⁻) w temperaturze 90 stopni na 1000 godzin. Jeśli widoczne są pestki, zawartość inkluzji jest zbyt wysoka.

Identyfikacja terenowa wżerów spowodowanych wtrąceniami tlenkowymi

Wtrącenia tlenkowe są prawdopodobną przyczyną powstawania wżerów w grzejniku 316 w wodzie wysokiej jakości, w której zawartość chlorków jest mniejsza niż 10-20 ppm. Pod mikroskopem (200-500×) miejsce wgłębienia ujawni wtręt Al 2 O 3 lub spinel w sercu wgłębienia, przy czym wtrącenie często będzie częściowo przemieszczone. Wgłębienia są drobne (średnica 10–100 µm), liczne i równomiernie rozmieszczone. Badanie EDS centrum szybu weryfikuje O i Al. Rozwiązaniem tych problemów jest określenie klasy VAR lub ESR 316 dla przyszłych zakupów. Grzałki nie można naprawić i należy ją wymienić na rurkę z kontrolowanym włączeniem.

Wniosek: Oznaczenie VAR/ESR 316 dla usług wody o wysokiej czystości

Do grzejników owiniętych stalą nierdzewną 316 w wodzie o wysokiej czystości (chlorki<10 ppm) at 90°C, the dominant pitting initiation mechanism is galvanic crevice attack at non-metallic oxide inclusions. Standard EAF steel with 0.015-0.03% oxide inclusion volume fractions produces 5-20 pits/cm2 and perforation in 2-5 years in 5,000 hours. VAR or ESR processing decreases the oxide inclusion volume percentage to <0.002-0.005% and increases the pit-free life to >10 000 godzin. Jeśli osłony 316 mają być stosowane w zastosowaniach farmaceutycznych, półprzewodnikowych lub do podgrzewania ultra-wody ultraczystej, inżynierowie muszą potrzebować materiału klasy VAR lub ESR i przetestować zawartość zgodnie z normą ASTM E45 z limitami ważności<0.5 for Type B inclusions. The framework described correlates oxide inclusion volume percentage with measurable pit initiation density and service life. Buyers may now select 316 tubing that resists pitting even in the most aggressive high purity water situations.