310S 대 Incoloy 800: 용광로 및 가마 응용 분야를 위한 내열{2}}합금 선택

소개

용광로, 가마 및 열{0}}가공 엔지니어는 일상적으로 동일한 재료 결정에 직면합니다. 즉, 비용 효율적인 -내열-스테인리스강을 지정하거나 지속적인 고온 강도를 위해 제작된 니켈{3}}철-크롬 합금을 선택하는 것입니다.310S 스테인레스 스틸Incoloy 800(800H 및 800HT 변형 포함)은 이 결정에 대해 가장 일반적으로 비교되는 두 가지 후보입니다. 둘 다 고온에서 산화에 저항하고, 쉽게 제작 및 용접되며, 둘 다 용광로 도어, 머플, 방사 튜브 및 열처리 장치에 일상적으로 사용됩니다.{4}}

그러나 침탄 분위기, 지속적인 기계적 부하 또는 긴 서비스 간격이 발생하면 성능이 급격히 달라집니다. 이 기사에서는 구성, 온도 성능, 산화 및 침탄 저항성, 크리프-파단 강도, 제조 요구 사항 및 총 소유 비용에 걸쳐 두 합금을 비교하여 엔지니어와 구매자가 합금을 다른 방식이 아닌 응용 분야에 맞출 수 있도록 합니다.

금속학적으로 310S와 Incoloy 800의 차이점은 무엇입니까?

조성 차이는 이 기사에서 논의된 모든 하위 성능 차이의 근본 원인입니다.. 310S는 크롬을 기본 합금 원소로, 니켈을 보조 오스테나이트 안정제로 사용하므로 니켈 합금이 아닌 스테인리스강으로 분류됩니다. Incoloy 800은 그 비율을 반전시킵니다. 즉, 니켈이 주요 합금 첨가물이고, 크롬이 2차 첨가물이며, 철이 기본 금속이 아닌 균형을 이루고 있습니다. 니켈 함량이 높을수록 800-시리즈 합금에 탄소 확산에 대한 저항성과 온도에서 강도가 유지됩니다. 그러나 니켈은 더 비싼 원료 투입물이기도 합니다. 이것이 바로 Incoloy 800 시리즈 제품이 310S에 비해 지속적인 비용 프리미엄을 갖는 이유입니다.

출처: ASTM A240/A480(310S); ASTM B407/B408/B409 및 UNS N08810 밀 사양(Incoloy 800H). 범위는 명목 사양 한계입니다. 현재 밀 테스트 보고서와 비교하여 확인하십시오.

퍼니스 서비스에는 두 가지 다른 구성 세부 사항이 중요합니다. 첫째, 310S는 표준 등급 310(최대 0.25% 탄소 허용)의 저탄소 변형입니다.{2}} 310S의 저탄소는 용접 후 민감화 및 입계 부식에 대한 저항성을 향상시킵니다. 둘째, Incoloy 800H 자체는 기본 Incoloy 800의 제어된-탄소, 제어된-입자-크기 변형이며 Incoloy 800HT는 알루미늄-및{14}}티타늄 범위를 더욱 강화합니다. 섹션 4에서 논의되었습니다.

더 높은 연속 작동 온도를 견딜 수 있는 합금은 무엇입니까?

310S는 일반적으로 최대 약 2,000°F(1,093°F)까지의 지속적인 산화 저항성과 높은 크롬 함량으로 인해 비슷한 범위의 간헐적 또는 약한 주기적인 서비스로 평가됩니다. 용광로 및 가마 서비스에서 310S에 대한 실질적인 제한은 산화물 스케일-이 아니라 시그마-상 형성입니다. 약 1,200°F~1,650°F(650~900°) 사이에 장기간 노출된 후 310- 계열 스테인리스강은 부서지기 쉬운 금속간 시그마 상을 형성하여 실온 인성과 연성을 감소시킬 수 있습니다. 용광로 도어 및 버너 부품과 같이 이 온도 대역을 반복적으로 순환하는 장비는 최고 온도 범위에서 지속적으로 작동하는 장비보다 이러한 영향에 더 많이 노출됩니다.

인코로이 800H및 800HT는 -최대 약 2,000F(1,093도)까지 장기간 사용이 가능하며, 그 이상에서는 강도 손실 및 산화가 가속화되는 대신 짧은 기간 동안의 온도 변화가 가능합니다. 800-시리즈 합금은 최소 2,100°F(1,149°)에서 용체화 어닐링되어 더 거칠고 크리프에 강한{15}}결정 구조를 생성하고 니켈 함량이 높아 310S에 영향을 미치는 동일한 시그마 상 메커니즘을 억제하므로 반복적인 열 순환을 포함하여 더 넓은 용광로 작동 범위에 걸쳐 사용 가능한 연성과 인성을 유지하는 경향이 있습니다.

산화 및 침탄 분위기에 대한 더 나은 저항성을 제공하는 합금은 무엇입니까?

두 합금의 내산화성은 주로 고온에서 보호 크롬{0}}산화 스케일을 형성하는 크롬에서 비롯됩니다.. 310S는 실제로 Incoloy 800H보다 더 많은 크롬을 운반합니다(대략 25% 대 약 21%). 이는 310S가 공기로, 가마 껍질 및 버너 하드웨어와 같은 청정 산화 환경에서 강력하고 경제적인 성능을 유지하는 이유 중 하나입니다.

침탄 저항성은 다른 메커니즘으로 두 합금이 가장 급격하게 갈라지는 부분입니다. 탄소가 풍부한 대기에서 금속 표면으로의 탄소 이동은 니켈 함량에 크게 좌우됩니다. 니켈은 탄소에 대한 용해도가 매우 낮고 내부 확산 속도가 느리기 때문입니다. 침탄 탄화수소-처리 서비스의 800H 튜빙에 대한 현장 데이터는 저급-니켈 310-계열 스테인리스강이 눈에 띄게 빠르게 침탄되는 조건에서 수년간 노출된 후에도 합금이 연성 및 구조적 완전성을 유지함을 보여줍니다. 이것이 Incoloy 800H가 에틸렌 열분해 튜브, 탄화수소 분해로 구성품, 침탄 주기가 반복되는 열처리 바스켓 및 고정 장치의 현재 재료로 사용되는 주된 이유입니다.

정유소 환경에서 발표된 부식{0}}비교는 그 차이를 보여줍니다. Incoloy 800H/800HT 합금은 비슷한 조건에서 약 0.15mm/년(6.0mpy)으로 측정된 반면, 310 계열 스테인리스강은 약 0.23mm/년(8.9mpy)으로 측정되었습니다. 부식률이 낮을수록 부품 수명이 길어지고 검사 또는 교체로 인한 예기치 못한 가동 중단이 줄어듭니다.

크리프와 응력{0}}파열 강도는 고온에서 어떻게 비교됩니까?

크리프는 고온에서 지속적인 하중을 받는 동안 금속이 시간에 따라 천천히 변형되는 현상이며, 응력{1}}파단 강도는 지정된 사용 시간 후에 재료가 파손되기 전에 재료가 견딜 수 있는 응력의 정도를 나타냅니다. 이 특성은 머플 라이너나 실드와 같이 상당한 기계적 부하 없이 단순히 열에 노출되는 구성 요소와는 달리 뜨거울 때 하중을 받는 모든 노 구성 요소(- 내부 압력을 받는 복사관, 내화물을 지지하는 행거 또는 열분해로의 코일 -)에 중요합니다.

310S는 가벼운 하중을 받는 부품에 적합한 적당한 크리프-파단 강도를 제공합니다. Incoloy 800H 및 800HT는 제어된 탄소 함량(0.05~0.10%)과 최소 2,100°F(1,149°)에서 거친 입자 용액 어닐링을 통해 표준 800 또는 310{10}}계열 스테인리스강이 제공하는 것 이상으로 크리프{5}}파단 수명을 연장하기 위해 특별히 개발되었습니다. Incoloy 800HT는 에틸렌 용광로 튜빙 및 열분해 코일과 같이 지속적인 고온 응력 하에서 가장 긴 실제 서비스 수명을 요구하는 응용 분야에 대해 알루미늄{18}}및-티타늄 사양을 더욱 강화합니다.

출처: ASTM A240/B407/B409 사양 데이터를 수집하고 정유소 및 용광로 서비스에서 310/310H 및 Incoloy 800H/800HT에 대한 고온-온도 부식-속도 및 기계적{5}}특성 연구를 발표했습니다. 최종 사양 전에 현재 ASME 섹션 II 파트 D 또는 해당 코드 버전에 대한 설계 허용 사항을 확인하십시오.

비용 차이는 무엇이며 프리미엄은 언제 정당화됩니까?

니켈은 지속적으로 두 재료에 대한 합금 추가 요금 가격의 가장 큰 단일 동인이지만 Incoloy 800H/HT는 310S보다 중량 기준으로 약 50% 더 많은 니켈을 함유하고 있으며 니켈은 일반적으로 310S 합금 함량의 대부분을 구성하는 크롬과 철의 상당 부분에서 거래됩니다. 이로 인해 800-시리즈 합금은 제작을 고려하기도 전에 파운드당 또는 선형 피트당-기준으로 구매하는 것이 더 비쌉니다.

위의 기술 비교를 통해 도출된 의사결정 프레임워크는 간단합니다. 구성요소가 깨끗한 산화 분위기, 기계적 부하가 적거나 없고, 중간 정도의 서비스-기대 수명 - 용광로 쉘, 도어, 팬 및 비-부하-실드가 일반적으로 적합한 경우 310S를 지정합니다. 구성요소가 온도에서 지속적인 부하를 받거나, 침탄 또는 황화 대기에 노출되거나, 고장난 구성요소를 교체하기 위한 계획되지 않은 가동 중단 비용이 재료비 프리미엄 - 복사 튜브, 프로세스-히터 구성요소, 에틸렌 크래킹 코일 및 긴 침탄 주기를 갖는 열처리 장치가 일반적으로 적합한 경우 Incoloy 800H 또는 800HT를 지정합니다.

제작, 용접 및 열처리 요구 사항은 어떻게 다릅니까?

310S는{1}1,900~2,100도(1,030~1,150도) 범위에서 용체화 어닐링된 후 급속 냉각되어 탄화물을 다시 용액에 투입하고 내식성을 극대화합니다. 310- 제품군 장비가 650도(1,200도) 이상에서 서비스가 확장되고 시그마 단계가 형성된 경우 일반적으로 동일한 솔루션{16}}어닐링 주기를 통해 연성을 복원할 수 있습니다. 화씨 1,200도 이상에서 약 1,000시간 서비스 후 재어닐링은 시그마 형성이 쉬운 장비에 대해 일반적으로 인용되는 유지보수 간격입니다.

Incoloy 800H 및 800HT는 특히 크리프-파단 수명을 향상시키는 더 거친 입자 구조(일반적으로 ASTM 입자 크기 No. 5 또는 더 거친)를 생성하기 위해 310S에 사용된 어닐링보다 훨씬 높은 최소 2,100F(1,149도)-에서 용액 어닐링을 요구합니다. - 두 합금 모두 일치하거나 거의 일치하는 용가재를 사용하여 표준 가스 텅스텐 아크 및 차폐 금속 아크 공정으로 용접할 수 있으며 둘 다 일반적으로 냉간 성형-되지만 800 시리즈 합금은 더 거친 입자 크기로 인해 심한 냉간 성형 후에 특징적인 표면 질감('오렌지 껍질')을 나타낼 수 있습니다.

일반 용광로 및 가마 부품에 어떤 합금을 지정해야 합니까?

출처: 문서화된 합금 특성 및 일반적인 산업 용광로/가마 관행을 기반으로 한 일반 선택 지침. 구성요소-별 선택은 실제 대기 화학, 압력 등급, 열 순환 빈도 및 적용 가능한 설계 코드를 고려해야 합니다.

자주 묻는 질문

Q: 310S와 Incoloy 800H를 동일한 퍼니스에서 서로 바꿔서 사용할 수 있습니까?

답변: 일반적으로 그렇지 않습니다. 열팽창율과 크리프 동작이 다르기 때문에 하중을 받는 단일 용접 어셈블리에서 이들을 혼합하면 차등 응력이 발생할 수 있습니다. 두 합금이 동일한 용광로에 나타나는 경우 일반적으로 Incoloy 800H 내부 튜브가 있는 310S 쉘과 같이 별도의 독립적으로 지원되는 구성 요소 -에 사용됩니다.

Q: Incoloy 800은 Incoloy 800H 또는 800HT와 동일합니까?

A: 아니요. 표준 Incoloy 800(UNS N08800)은 더 넓은 탄소 범위를 허용하며 800H(UNS N08810) 및 800HT(UNS N08811)에 우수한 크리프-파단 강도를 제공하는 거친-입자, 고온{4}}온도 용액 어닐링을 전달하지 않습니다. 현재 용광로 및 프로세스{11}}히터 사양에서는 800H 및 800HT가 표준 800을 대체했습니다.

Q: 310S에는 용접 후 열처리가-필요합니까?

답변: 310S는 용접-관련 감작에 대한 저항성이 우수한 저-탄소 등급이므로 대부분의 용광로 응용 분야에서 내식성이 없습니다. 장비가 시그마-단계-형성 범위에서 연장된 서비스를 보게 될 경우, 응력 완화가 아닌 주기적인 용체 어닐링 - -은 적절한 교정 처리이지 일반적인 용접 후 요구 사항은 아닙니다.-

Q: 지속적인 310S 서비스에 대한 실제 온도 제한은 무엇입니까?

A: 연속 산화 서비스의 경우 약 2,000F(1,093도)입니다. 단, 1,200~1,650F(650~900도) 범위를 반복적으로 순환하는 장비는 시간이 지남에 따라 시그마{10}}상 취성에 노출되므로 주기적인 재{11}}어닐링을 평가해야 합니다.

Q: 니켈 함량이 내침탄성에 중요한 이유는 무엇입니까?

A: 탄소는 니켈에 대한 용해도가 매우 낮으며 철이나 크롬보다 더 느리게 확산됩니다. Incoloy 800H는 약 30~35%의 니켈을 함유하고 있으며 310S의 경우 약 19~22%를 함유하고 있기 때문에 탄소는 동일한 침탄 조건에서 표면에 더 천천히 침투합니다. 이는 800H가 침탄로 분위기에서 310 계열 스테인리스강보다 성능이 뛰어난 주된 이유입니다.