เศษส่วนของปริมาตรของการตกตะกอนของเฟส Z- (CrVN) ในท่อปลอกฮีตเตอร์ 347 หลังจาก 50,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา ควบคุมการลดลงของความต้านการแตกของคืบในระยะยาว-อย่างไร

เฟสไนไตรด์เชิงซ้อนและการเสื่อมสลายของคุณสมบัติการคืบ

การตกตะกอนของเฟส Z- (CrVN ซึ่งเป็นโครเมียมวานาเดียมไนไตรด์เชิงซ้อน) สามารถเกิดขึ้นได้ในกรณีของท่อความร้อนไฟฟ้าหุ้มด้วยสแตนเลส 347 (Nb- ที่มีความเสถียร) ซึ่งทำงานที่ 600 องศาเป็นเวลานานมาก (50,000+ ชั่วโมง) เช่น ในท่อเตาเผาอุตสาหกรรมที่มีอายุการใช้งานยาวนาน- หรือเครื่องทำความร้อนยิ่งยวดของโรงไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีวานาเดียมเป็นองค์ประกอบตกค้าง (โดยทั่วไปคือ 0.10-0.20% V) ต่างจาก NbC ซึ่งแสดงการเสริมกำลังที่เสถียร ระยะ Z-จะตกตะกอนในช่วงแรกเป็นอนุภาคละเอียด (10-30 นาโนเมตร) ที่ทำให้เกิดความแข็งแรงของการคืบ แต่หลังจาก 20,000-30,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา Z-ระยะจะหยาบ (ถึง 100-500 นาโนเมตร) และยังใช้วานาเดียมและไนโตรเจน ซึ่งทำให้การเสริมกำลังอื่นๆ ไม่เสถียร ตกตะกอน ผลลัพธ์สุทธิหลังจาก 50,000 ชั่วโมงคือการสูญเสียความแข็งแรงในการแตกของครีป 30-50% เมื่อเทียบกับวัสดุที่ปราศจากวาเนเดียม ต่ำกว่า 0.05% V การสร้างเฟส Z ไม่มีนัยสำคัญและความแข็งแรงของการคืบจะคงที่ ในงานนี้ เราจะหาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณวาเนเดียมที่ตกค้างกับเศษส่วนของปริมาตรเฟส Z หลังจาก 50,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา และการสูญเสียความแข็งแรงของการแตกของครีป

กลไกของการแตกตัวของเฟส Z-

เฟส Z- (CrVN) เป็นสารประกอบเตตระโกนัลที่ประกอบด้วยโครเมียม วาเนเดียม และไนโตรเจน ฝนตกหนักประมาณ 500-700 องศา ระยะ Z- หยาบขึ้นเมื่อ Ostwald สุกงอมตามอายุในระยะยาว การเจริญเติบโตของอนุภาคเฟส Z- ต้องใช้เมทริกซ์วานาเดียม (ก่อตัวเป็น VC) และไนโตรเจน (สร้างเป็น Cr 2 N หรือ NbN) ความแรงของการคืบจะลดลงโดยการทำให้เมทริกซ์อ่อนตัวลงและการมีอยู่ของอนุภาคเฟส Z- ขนาดใหญ่ที่เปราะ ผลกระทบนี้จะเห็นได้ชัดเจนที่สุดหลังจาก 30,000-50,000 ชั่วโมง เมื่ออนุภาคเฟส Z มีขนาดใหญ่กว่า 200-300 นาโนเมตร

การพึ่งพาเชิงปริมาณของปริมาณวานาเดียม เศษส่วนปริมาตรเฟส Z- และกำลังคืบ

การเสื่อมสภาพระยะยาว-แบบควบคุมของท่อ 347 (0.45% Nb, 0.06% C, 0.08% N) โดยมีวานาเดียมตกค้างต่างๆ ที่ 600 องศาเป็นเวลา 50,000 ชั่วโมง และการทดสอบการแตกของการคืบที่ตามมาที่ 600 องศาและ 80 MPa ได้กำหนดการสูญเสียความแข็งแรงต่อไปนี้

ปริมาณวานาเดียม (wt%) Z-เศษส่วนของปริมาตรเฟสหลังจาก 50,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา (%)Z-ขนาดอนุภาคของเฟสหลังจาก 50,000 ชั่วโมง (นาโนเมตร) ความแรงของการแตกของคืบคลานที่ 600 องศา , 80 MPa (h)ความแรงของการคืบใน V- ค่าพื้นฐานฟรีแนะนำสำหรับบริการ 50,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
ผลกระทบของ Nb และ N ต่อการสร้างเฟส Z-

ไนโอเบียมที่มากขึ้นจะทำให้ NbN และ NbCN มีความเสถียร และลดเฟส Z- ไนโตรเจนที่สูงขึ้นจะทำให้เฟส Z- เร็วขึ้น

น้ำหนัก% ไนโอเบียม น้ำหนัก% ไนโตรเจน น้ำหนัก% วานาเดียมZ-เศษส่วนของปริมาตรเฟสหลังจาก 50,000 ชั่วโมง (%) อายุการแตกของครีป (ชั่วโมง) แนะนำสำหรับ 50,000 ชั่วโมง บริการ 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000-22,000 ยอมรับได้ 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000-24,000 ยอมรับได้ 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26,000 ใช่ 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18,000 Marginal 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22,000 คำแนะนำเชิงปฏิบัติที่ยอมรับได้สำหรับการบริการ 50,000 ชั่วโมงที่ 600 องศา

ข้อจำกัดของวานาเดียมและไนโอเบียมสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบหุ้ม 347 เครื่องสำหรับการให้บริการ 50,000 ชั่วโมงที่ 1100 องศาฟาเรนไฮต์

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-การตรวจสอบการตกตะกอนของเฟส

สำหรับผู้ซื้อที่ต้องการความแข็งแรงของการคืบในระยะยาว มีสองวิธีให้เลือก ประการแรกคือการตรวจสอบทางเคมีของปริมาณวานาเดียม (โดย ICP หรือ OES) ด้วยการยอมรับ<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

สรุป: ข้อกำหนดวานาเดียมต่ำสำหรับอายุการใช้งานของครีป 50,000 ชั่วโมง

ในปลอกเครื่องทำความร้อนที่ทำจากสเตนเลสสตีล 347 ที่ทำงานที่ 600 องศาเป็นเวลา 50,000 ชั่วโมง จะสังเกตเห็นการตกตะกอนของเฟส Z- (CrVN) แม้ว่าวาเนเดียมจะตกค้างอยู่ที่ 0.10-0.15% ก็ตาม เฟส Z-หยาบเป็น 150-600 นาโนเมตร และลดความแข็งแรงของการแตกของครีปลง 20-50% เมื่อเทียบกับวัสดุที่ปราศจากวาเนเดียม วิศวกรที่ระบุปลอก 347 ปลอกสำหรับการใช้งานระยะยาวเป็นพิเศษ (30,000-50,000+ ชั่วโมง) ควรจำกัดวาเนเดียมไว้ที่<0.05-0.08% and niobium to >0.45-0.50% เพื่อยับยั้งการพัฒนาเฟส Z- กรอบการทำงานที่พัฒนาขึ้นที่นี่เชื่อมโยงความเข้มข้นของวาเนเดียม เปอร์เซ็นต์ปริมาตรของเฟส Z และการลดลงของความแข็งแรงของการคืบที่ 600 องศา ลูกค้าอาจใช้กรอบการทำงานนี้เพื่อกำหนดเคมี 347 ที่จะคงความแข็งแกร่งของการคืบสำหรับชีวิตการออกแบบที่ยาวนานถึงครึ่งศตวรรษ