Welke kritische partiële druk van zuurstof in verbrandingsgassen bij een manteltemperatuur van 600 graden voorkomt versnelde oxidatie van 316 roestvrijstalen verwarmingsbuizen

Limiet van oxidatiepotentieel voor beschermende kalkvorming

Voor 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen in verbrandingsgasomgevingen zoals kanaalverwarmers, ovenatmosfeer of uitlaatgasrecirculatiesystemen, zal de partiële zuurstofdruk (pO2) in het omringende gas bepalen of de omhulling een beschermende chroomoxideaanslag vormt of versnelde oxidatie ervaart (afbraakoxidatie) als gevolg van vluchtigheid of instabiliteit van de kalkaanslag. Als functie van waterdamp en andere reactieve soorten ligt de kritische pO2 voor een stabiele Cr2O3-schaal bij hoge omhulseltemperaturen (600 °C, representatief voor luchtverwarmingstoepassingen maar aan de hoge kant voor 316) in de orde van 10-10 tot 10-15 atm. Als het zuurstofniveau onder deze drempel daalt, neemt het chroomoxide af en vormen de ijzeroxiden een zich snel ontwikkelende, niet-beschermende schaal. Boven deze drempel (zuurstofrijke omgevingen zoals lucht met een pO2 van 0,21 atm) ontwikkelt zich een dunne, hechtende Cr2O3-laag die langdurige bescherming biedt. Maar bij een te hoge partiële zuurstofdruk kan waterdamp worden gevormd in vluchtige chroomoxyhydroxiden, waardoor de dikte van de aanslag afneemt. In deze studie wordt het veilige pO2-venster voor 316 mantels bij 600 graden gekwantificeerd en worden criteria voor de verbrandingsomgeving voor verlenging van de levensduur van de verwarming gegeven.

Mechanisme van stabiliteit en vluchtigheid van chroomoxide

De beschermende aanslag op 316 roestvrij staal bij hoge temperaturen bestaat voornamelijk uit Cr 2 O 3 , dat wordt gevormd door selectieve oxidatie van chroom. Voor de stabiliteit van Cr2O3 moet de partiële zuurstofdruk van de omgeving hoger zijn dan de dissociatiedruk van chroomoxide bij de betreffende temperatuur. De dissociatiedruk van Cr₂O₃ (de pO₂ waarbij Cr₂O₃ ontleedt tot metallisch Cr en O₂) is ~10⁻²⁶ atm bij 600 graden, ruim onder het zuurstofniveau van normale verbrandingsgassen. In aanwezigheid van waterdamp wordt Cr2O3 echter omgezet in een vluchtige vorm van chroomoxyhydroxide: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Deze reactie elimineert de beschermende aanslag in een tempo dat afhankelijk is van pO2 en pH2O. Maximale vluchtigheid treedt op bij een pO2 in het bereik van ongeveer 10-10-10-12 atm, in plaats van bij een zeer hoge of zeer lage pO2. Dit suggereert dat enigszins arme (zuurstofarme) verbrandingsatmosferen in feite corrosiever zijn voor 316 dan volledig oxiderende (lucht) of aanzienlijk reducerende atmosferen.

Gekwantificeerde pO₂-vensters voor beschermende schaalvorming bij 600 graden

De oxidatiesnelheid van 316 roestvrij staal als functie van de partiële zuurstofdruk is bepaald door gecontroleerde thermogravimetrische tests bij 600 graden in gascombinaties van verschillende pO₂ en pH₂O.

Partiële zuurstofdruk (atm) Partiële waterdampdruk (atm) Aanslag gevormde oxidatiesnelheid (mg/cm2-uur) na 500 uur Aanhechting van kalkaanslag Aanbevolen voor gebruik bij 600 graden 0,21 (lucht)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Verbeterde vervluchtiging, dunner wordend 0,05-0,10 Matig Marginaal
10-5 tot 10-8 (arme verbranding) 0,05-0,15 Gemengd Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Slecht Niet aanbevolen 10-9 tot 10-12 (stoichiometrische verbranding) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinel + vervluchtiging 0,30-1,00 Zeer slecht Onaanvaardbaar
10-12 tot 10-15 (rijke verbranding) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetiet) 1,00-3,00 Zeer slecht (splinters) Onaanvaardbaar<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5,00 Niet-beschermend Onaanvaardbaar
Impact van brandstofzwavel en andere verbrandingsproducten

Naast zuurstof en waterdamp bevatten de verbrandingsgassen afkomstig van fossiele brandstoffen zwaveldioxide (SO2) en sporenmetalen die oxidatie katalyseren 316. Cr₂O₃ interageert met SO₂ en produceert chroomsulfiden, die de beschermende aanslag afbreken en leiden tot afgebroken oxidatie. Voor 316 bij 600 graden wordt de oxidatiesnelheid verdubbeld bij een zwavelconcentratie in de brandstof van meer dan 50 ppm (wat overeenkomt met ongeveer 100 ppm SO 2 in het rookgas). Voor brandstoffen met een zwavelgehalte van meer dan 500 ppm (bijvoorbeeld stookolie met een hoog zwavelgehalte of steenkool) wordt 316 niet aanbevolen voor manteltemperaturen boven 500oC. Chloorhoudende verbrandingsgassen (ontstaan ​​bij de verbranding van gechloreerde kunststoffen of bepaald afval) zijn zelfs nog agressiever en produceren vluchtige metaalchloriden met een snelheid die 10 tot 100 keer hoger is dan die van op oxide gebaseerde corrosie. Analyse van de brandstofsamenstelling is vereist voor elke toepassing waarbij 316-mantels onderhevig zijn aan botsingen met verbrandingsgas.

Praktische specificatie voor het gebruik van verbrandingsverwarmers

De volgende parameters gelden voor 316 verwarmingstoestellen met mantel in verbrandingsgasomgevingen bij een manteltemperatuur van 600 graden om de productie van een beschermende aanslag en aanvaardbare oxidegroeisnelheden te garanderen. De verbranding moet worden uitgevoerd met overtollige lucht (oxiderende omstandigheden, pO2 > 0,01 atm) om de Cr2O3-aanslag te behouden – in tegenstelling tot de gebruikelijke opvatting dat reducerende atmosferen minder corrosief zijn. De partiële waterdampdruk moet onder de 0,15 atm (15% vocht per volume) worden gehouden. Dit kan worden gedaan door de verbrandingslucht voor te drogen-of door een brandstof met een laag waterstofgehalte te gebruiken. De brandstof moet een zwavelconcentratie hebben die lager is dan 0,05% (500 ppm) en idealiter lager dan 0,01% (100 ppm). Als een van deze parameters niet kan worden bereikt, moet het mantelmateriaal worden opgewaardeerd naar roestvrij staal 310 (25Cr-20Ni) of Inconel 600, die beide een grotere tolerantie hebben voor lagere pO2 en hogere waterdamp.

Velddiagnose van oxidatiefalen veroorzaakt door pO2

De schaalmorfologie voor 316 omhulsels die falen in de verbrandingsgasvoorziening maakt onderscheid tussen oorzaken die verband houden met de partiële zuurstofdruk. Onder oxiderende omstandigheden (overtollige lucht) is de schilfer dun (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), zwart, gelaagd en vertoont vaak afgebladderde gebieden in stoichiometrische of licht reducerende omstandigheden. De schaal is donkergrijs, poreus, niet-hechtend en bevat wustiet (FeO), zoals bepaald via röntgendiffractie onder sterk reducerende omstandigheden. De aanval gegenereerd door zwavel resulteert in een microstructuur die kenmerkend is voor de schaal die bekend staat als "sulfide stringer". Als de verwarmer veel aanslag en afbrokkeling vertoont, moet de verbrandingsomgeving worden gewijzigd om meer extra lucht te leveren, of moet de verwarmer uit de zone met piekzuurstof- worden verplaatst.

Conclusie: Handhaving van de oxiderende omstandigheden voor een lange levensduur van de 316 verbrandingsverwarmer

De essentiële pO 2 voor de productie van beschermende Cr 2 O 3-aanslag op 316 roestvrijstalen verwarmingstoestellen bij 600 graden in een verbrandingsgasatmosfeer ligt boven ongeveer 10-2 atm (2% zuurstof per volume). De stoichiometrische of licht brandstof-rijke verbranding (pO2=10-9 tot 10-12 atm) leidt tot snelle en niet-beschermende oxideontwikkeling en kalkvluchtigheid, en verkort de levensduur van de verwarming van 20.000 uur naar 500-2.000 uur. Ingenieurs die 316 omhulsels specificeren voor gestookte verwarmingstoestellen of uitlaattoepassingen moeten ervoor zorgen dat de verbranding plaatsvindt in overtollige lucht (minimaal 3-5% O₂ in rookgas) en dat het zwavelgehalte van de brandstof wordt geregeld. Dit raamwerk verbindt de partiële zuurstofdruk met meetbare oxidatiesnelheden. Hiermee kunnen kopers verbrandingsomstandigheden selecteren die de beschermende chroomoxideaanslag op 316 verwarmingsmantels behouden en losbrekende oxidatie en voortijdige uitval voorkomen.