310S vs Incoloy 800: seleção-de liga resistente ao calor para aplicações em fornos e estufas

Introdução

Engenheiros de fornos, estufas e processamento-térmico rotineiramente enfrentam a mesma decisão de material: especificar um aço inoxidável-econômico e resistente ao calor-ou optar por uma liga de níquel-ferro-cromo construída para resistência sustentada a altas-temperaturas.Aço inoxidável 310Se Incoloy 800 (incluindo as variantes 800H e 800HT) são os dois candidatos mais comumente comparados para esta decisão. Ambos resistem à oxidação em altas temperaturas, ambos são facilmente fabricados e soldados, e ambos aparecem rotineiramente em portas de fornos, muflas, tubos radiantes e dispositivos de tratamento-térmico.

Seu desempenho diverge acentuadamente, entretanto, quando atmosferas de cementação, carga mecânica sustentada ou longos intervalos de manutenção entram em cena. Este artigo compara as duas ligas em termos de composição, capacidade de temperatura, resistência à oxidação e carburação, resistência à ruptura-, requisitos de fabricação e custo total de propriedade, para que engenheiros e compradores possam combinar a liga com a aplicação, e não o contrário.

O que distingue o 310S do Incoloy 800 metalurgicamente?

A diferença de composição é a causa raiz de todas as diferenças de desempenho posteriores discutidas neste artigo. 310S carrega cromo como elemento de liga primário e níquel como estabilizador secundário de austenita, razão pela qual é classificado como aço inoxidável em vez de liga de níquel. O Incoloy 800 inverte essa proporção: o níquel é a adição majoritária à liga, o cromo é secundário e o ferro constitui o equilíbrio, em vez de ser o metal base. O maior teor de níquel é o que dá às ligas da série 800- sua resistência à difusão de carbono e sua resistência retida à temperatura - mas o níquel também é a matéria-prima mais cara, razão pela qual os produtos da série Incoloy 800 têm um custo persistentemente superior ao 310S.

Fonte: ASTM A240/A480 (310S); Especificações do moinho ASTM B407/B408/B409 e UNS N08810 (Incoloy 800H). As faixas são limites de especificação nominais; verifique em relação ao relatório de teste atual do moinho.

Dois outros detalhes de composição são importantes para o serviço do forno. Primeiro, o 310S é uma variante de baixo-carbono do grau padrão 310 (que permite até 0,25% de carbono); o menor teor de carbono no 310S melhora a resistência à sensibilização e à corrosão intergranular após a soldagem. Em segundo lugar, o Incoloy 800H é em si uma variante controlada de-carbono e-tamanho de grão-controlado do Incoloy 800 básico, e o Incoloy 800HT aperta ainda mais a faixa de alumínio{{13}mais-titânio - ambos os refinamentos existem especificamente para aumentar a resistência à fluência-à ruptura para fornos e serviços de aquecedores de processo-, o que é discutido na Seção 4.

Qual liga suporta temperaturas operacionais contínuas mais altas?

O 310S é comumente classificado para resistência à oxidação contínua até aproximadamente 2.000 graus F (1.093 graus) e para serviço intermitente ou levemente cíclico em uma faixa semelhante, devido ao seu alto teor de cromo. O limitador prático para 310S em fornos e serviços de fornos não é a incrustação de óxido -, é a formação da fase sigma-. Após exposição prolongada entre aproximadamente 1.200 graus F e 1.650 graus F (650–900 graus), os aços inoxidáveis ​​da família 310-podem formar uma fase sigma intermetálica frágil que reduz a tenacidade e a ductilidade à temperatura ambiente. Equipamentos que circulam repetidamente nesta faixa de temperatura, como portas de fornos e componentes de queimadores, estão mais expostos a esse efeito do que equipamentos que operam continuamente no topo da faixa de temperatura.

Incoloy 800He 800HT são classificados para serviço-de longo prazo até aproximadamente 2.000 graus F (1.093 graus), com excursões de curta-duração possíveis acima disso ao custo de perda acelerada de resistência e oxidação. Como as ligas da série 800-são recozidas em solução-a uma temperatura mínima de 2.100 graus F (1.149 graus) para produzir uma estrutura de grãos mais grosseira e mais resistente à fluência-, e como seu maior teor de níquel suprime o mesmo mecanismo de fase sigma que afeta o 310S, elas tendem a reter ductilidade e resistência utilizáveis ​​em uma porção mais ampla da faixa de operação do forno, inclusive por meio de ciclos térmicos repetidos.

Qual liga oferece melhor resistência a atmosferas oxidantes e cementantes?

A resistência à oxidação em ambas as ligas vem principalmente do cromo, que forma uma escala protetora de-óxido de cromo em alta temperatura. 310S na verdade carrega mais cromo do que o Incoloy 800H (cerca de 25% contra cerca de 21%), o que é um dos motivos pelos quais o 310S continua tendo um desempenho forte e econômico em atmosferas oxidantes limpas, como fornos de ar, carcaças de fornos e ferragens de queimadores.

A resistência à carburação é um mecanismo diferente e é aqui que as duas ligas divergem mais acentuadamente. A transferência de carbono para a superfície do metal a partir de uma atmosfera-rica em carbono depende muito do teor de níquel, porque o níquel tem solubilidade muito baixa para carbono e retarda sua difusão para dentro. Dados de campo sobre tubos 800H em serviço de processamento de hidrocarbonetos de cementação-mostra que a liga mantém a ductilidade e a integridade estrutural após anos de exposição, em condições onde os aços inoxidáveis ​​da família de-níquel 310-com baixo teor de níquel carburam mensuravelmente mais rápido. Esta é a principal razão pela qual o Incoloy 800H é o material principal para tubos de pirólise de etileno, componentes de fornos de craqueamento de hidrocarbonetos e cestas e acessórios de tratamento térmico que passam por repetidos ciclos de cementação.

As comparações publicadas-de taxas de corrosão em ambientes de fornos de refinaria ilustram a lacuna: as ligas Incoloy 800H/800HT foram medidas em aproximadamente 0,15 mm/ano (6,0 mpy), versus aproximadamente 0,23 mm/ano (8,9 mpy) para o aço inoxidável da família 310 em condições comparáveis. Uma taxa de corrosão mais baixa se traduz diretamente em maior vida útil dos componentes e menos interrupções não planejadas para inspeção ou substituição.

Como a resistência à ruptura-de fluência e tensão se comparam em temperaturas elevadas?

A fluência é a deformação lenta e{0}}dependente do tempo do metal sob carga sustentada em alta temperatura, e a resistência à ruptura-descreve quanta tensão um material pode suportar antes de fraturar após um determinado número de horas de serviço. Esta propriedade é importante para qualquer componente do forno que esteja sob carga enquanto quente - um tubo radiante sob pressão interna, um suporte de suporte refratário ou uma bobina em um forno de pirólise -, diferentemente dos componentes que são simplesmente expostos ao calor sem carga mecânica significativa, como um revestimento ou blindagem de mufla.

O 310S oferece resistência à ruptura-de fluência moderada, adequada para componentes com carga leve. Incoloy 800H e 800HT foram desenvolvidos especificamente para estender a vida útil de ruptura-além do que os aços inoxidáveis ​​da família padrão 800 ou 310-fornecem, por meio de conteúdo de carbono controlado (0,05–0,10%) e um recozimento de solução de grão grosso-a um mínimo de 2.100 graus F (1.149 graus). Incoloy 800HT reforça ainda mais as especificações de alumínio-e{19}}titânio, para aplicações que exigem a vida útil prática mais longa sob estresse sustentado de alta temperatura, como tubos de fornos de etileno e bobinas de pirólise.

Fonte: Compilado a partir de dados de especificação ASTM A240/B407/B409 e estudos publicados de taxa de-corrosão-de alta temperatura e propriedades{5}}mecânicas para 310/310H e Incoloy 800H/800HT em serviço de refinaria e forno. Verifique as permissões de projeto em relação à atual Seção II Parte D da ASME ou à edição de código aplicável antes da especificação final.

Qual é a diferença de custo e quando o prêmio é justificado?

O níquel é consistentemente o maior impulsionador do preço da sobretaxa de liga para ambos os materiais, mas o Incoloy 800H/HT carrega cerca de 50% mais níquel em peso do que o 310S, e o níquel normalmente é negociado a um múltiplo significativo do cromo e do ferro que compõem a maior parte do conteúdo da liga 310S. Isso torna as ligas da série 800-a compra mais cara por-libra ou por{8}}pé linear, antes mesmo de a fabricação ser considerada.

O quadro de decisão que se segue da comparação técnica acima é simples. Especifique 310S quando o componente apresenta uma atmosfera oxidante limpa, carga mecânica leve ou nenhuma e-expectativas de vida útil- de serviço moderadas. carcaças de forno, portas, ventiladores e blindagens sem{4}}carga-são ajustes comuns. Especifique Incoloy 800H ou 800HT quando o componente estiver sob carga sustentada em temperatura, exposto a uma atmosfera de cementação ou sulfetação ou quando o custo de uma parada não planejada para substituir um componente com falha exceder substancialmente o custo do material - tubos radiantes, componentes de aquecedores de processo,-bobinas de craqueamento de etileno e dispositivos de tratamento-térmico com longos ciclos de cementação são ajustes comuns.

Como os requisitos de fabricação, soldagem e tratamento térmico diferem?

O 310S é recozido-em solução na faixa de 1.900 a 2.100 graus F (1.030 a 1.150 graus), seguido de resfriamento rápido, que coloca os carbonetos de volta na solução e maximiza a resistência à corrosão. Se o equipamento da família 310-passou por serviço prolongado acima de 1.200 graus F (650 graus) e a fase sigma foi formada, a ductilidade geralmente pode ser restaurada com a mesma solução-ciclo de recozimento; um recozimento após aproximadamente cada 1.000 horas de serviço acima de 1.200 graus F é um intervalo de manutenção comumente citado para equipamentos propensos à formação de sigma.

Incoloy 800H e 800HT exigem um recozimento em solução a um mínimo de 2.100 graus F (1.149 graus) - visivelmente mais alto do que o recozimento usado para 310S - especificamente para produzir uma estrutura de grão mais grossa (normalmente tamanho de grão ASTM No. 5 ou mais grosso) que melhora a vida útil de ruptura-de fluência. Ambas as ligas são soldáveis ​​por arco de gás de tungstênio padrão e processos de arco de metal blindado com metal de adição correspondente ou quase{12}}correspondente, e ambas são convencionalmente formadas a frio-, embora as ligas da série 800 possam exibir uma textura de superfície característica ("casca de laranja") após a conformação a frio pesada devido ao seu tamanho de grão mais grosso.

Qual liga você deve especificar para componentes comuns de fornos e fornos?

Fonte: Orientação geral de seleção com base nas propriedades documentadas da liga e nas práticas comuns de fornos/fornos industriais. A seleção-específica do componente deve levar em conta a química real da atmosfera, a classificação de pressão, a frequência do ciclo térmico e o código de projeto aplicável.

Perguntas frequentes

P: O 310S e o Incoloy 800H podem ser usados ​​alternadamente no mesmo forno?

R: Geralmente não. Eles têm diferentes taxas de expansão térmica e diferentes comportamentos de fluência, portanto misturá-los em um único conjunto soldado sob carga pode criar tensões diferenciais. Quando ambas as ligas aparecem no mesmo forno, elas são normalmente usadas em componentes separados e com suporte independente - por exemplo, um casco 310S com tubulação interna Incoloy 800H.

P: O Incoloy 800 é igual ao Incoloy 800H ou 800HT?

R: Não. O Incoloy 800 padrão (UNS N08800) permite uma faixa de carbono mais ampla e não carrega o recozimento de solução de grão grosso-e alta{4}}temperatura que dá ao 800H (UNS N08810) e 800HT (UNS N08811) sua resistência superior à fluência-à ruptura. Nas especificações atuais de fornos e aquecedores de{11}processo, 800H e 800HT substituíram em grande parte o padrão 800.

P: O 310S requer tratamento térmico pós{1}}soldagem?

R: Não é indicado para resistência à corrosão na maioria das aplicações de forno, já que o 310S é um tipo de baixo-carbono com boa resistência à sensibilização-relacionada à solda. Se o equipamento tiver serviço prolongado na faixa de formação de-fase-sigma, um recozimento de solução periódico - e não um alívio de tensão - é o tratamento corretivo apropriado, não um requisito de rotina pós-soldagem.

P: Qual é o limite prático de temperatura para serviço contínuo do 310S?

R: Aproximadamente 2.000 graus F (1.093 graus) para serviço de oxidação contínua, com a ressalva de que o equipamento que percorre a faixa de 1.200 a 1.650 graus F (650 a 900 graus) repetidamente é exposto à fragilização da fase sigma ao longo do tempo e deve ser avaliado para recozimento periódico.

P: Por que o teor de níquel é tão importante para a resistência à carburação?

R: O carbono tem solubilidade muito baixa em níquel e se difunde nele mais lentamente do que em ferro ou cromo. Como o Incoloy 800H carrega cerca de 30-35% de níquel contra cerca de 19-22% do 310S, o carbono penetra em sua superfície mais lentamente sob condições de cementação idênticas, que é a principal razão pela qual o 800H supera os aços inoxidáveis ​​da família 310 em atmosferas de fornos de cementação.