Por que a porcentagem de conteúdo de silício na tubulação da bainha do aquecedor de aço inoxidável 316 abaixo de 0,4% reduz a resistência à oxidação a 650 graus em serviços aéreos

O elemento de liga menor com grande impacto na adesão à escala de alta temperatura

Para tubos de aquecimento elétrico envoltos em aço inoxidável 316 e trabalhando em alta temperatura (650 graus) em serviço aéreo, o teor de silício (normalmente estipulado como um máximo de 0,75% pela ASTM A240) é um fator importante, mas muitas vezes desconsiderado, na resistência à oxidação. Níveis de silício inferiores a 0,4% produzem uma incrustação rica em óxido de ferro-de rápido desenvolvimento que se desintegra facilmente, reduzindo a vida útil da bainha 3-5 vezes em comparação com materiais contendo 0,6-1,0% de silício. O silício facilita a produção de um fino revestimento contínuo de sílica amorfa ou nanocristalina (SiO2) no contato incrustação-metal. Esta camada de sílica funciona como uma barreira de difusão, retardando a difusão externa de cátions de ferro e cromo e a difusão interna de ânions de oxigênio. Este artigo apresenta uma quantificação da relação entre concentração de silício, cinética de oxidação e comportamento de escamação para 316 bainhas a 650 graus. Isto estabelece uma estrutura de especificações para aplicações de aquecedores de ar de alta temperatura.

O papel do silício na formação de subescalas de sílica

Durante a oxidação em alta temperatura do aço inoxidável 316, o cromo e o ferro se difundem para fora para criar a escala externa de Cr2O3/Fe2O3, e o oxigênio se difunde para dentro. Em teores de silício acima de ~ 0,4-0,5%, o silício oxida preferencialmente no contato metal-escala para gerar uma camada fina (0,1-1,0 µm) de sílica amorfa contínua. Este revestimento de sílica possui duas propriedades defensivas. Primeiro, o coeficiente de difusão do cromo no SiO2 é cerca de três ordens de grandeza menor que o do Cr2O3, o que reduz drasticamente a taxa de oxidação. 2. A sílica aumenta a adesão mecânica da incrustação externa criando uma camada de "cola" que absorve a incompatibilidade de expansão térmica. No caso do silício abaixo de 0,4%, a camada de sílica é descontínua ou ausente e a incrustação externa aumenta rapidamente por difusão direta de cátions através do Cr2O3 . A incrustação formada é mais porosa, mais espessa e facilmente lascada pelo ciclo térmico.

Efeito do teor de Si no comportamento de oxidação a 650 graus: relação quantitativa

Testes de oxidação cíclica controlada (ciclos de 1 hora a 650 graus no ar, resfriamento de ar forçado a 100 graus entre os ciclos) em tubos 316 com conteúdo variado de silício estabeleceram limites de desempenho distintos.

Conteúdo de silício (% em peso) Conteúdo de cromo (% em peso) Camada contínua de sílica? Taxa de oxidação (mg/cm²/h) após 500 ciclos Início de lascamento em escala (ciclos até o primeiro lascamento visível) Perda de metal após 5.000 ciclos (µm) Recomendado para serviços aéreos de 650 graus<0.2 >16 Não (ausente) 0,15-0,30<100 150-300 No 0.2-0.3 16-18 No (discontinuous) 0.10-0.20 100-300 100-200 No 0.3-0.4 16-18 Partial (50-70% coverage) 0.08-0.15 200-500 80-150 Marginal 0.4-0.5 17-18 Thin, 50-80% continuous 0.05-0.10 500-1,000 50-100 Acceptable for moderate cycling
0.5-0.6 17-19 Contínuo (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1.000-2,500 30-60 Recomendado
0.6-0.8 17-19 Contínuo, estável (0,5-1,0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Melhor para durabilidade
0.8-1.0 18-20 Continuous, thicker (1-2 µm) 0.01-0.03 5,000-10,000 10-30 Best for continuous 650°C service1.0 18-20 Continuous but may generate low melting silicides 0.01-0.02 >10,000 <20 Acceptable but monitor for hot shortness
Interação de Silício e Molibdênio na Oxidação

316 stainless steel has 2.0-2.5% molybdenum which enhances pitting resistance in aqueous service but has a severe effect on high temperature oxidation resistance when silicon is low. Molybdenum tends to create volatile oxides (MoO₃) above about 600°C which can break apart the chromium oxide scale. However, with sufficient molybdenum (>0,5%), a subescala contínua de sílica impede que o molibdênio atinja a superfície externa e suprime a volatilização de MoO{sub 3}. A volatilização do molibdênio é aumentada em níveis de silício abaixo de 0,4%, o que resulta em ruptura de incrustação mais rápida e oxidação mais rápida. Para bainhas 316 para serviço acima de 600 graus, o teor de silício deve ser especificado no lado alto da faixa ASTM (0,6-1,0%) para compensar o efeito adverso do molibdênio.

Definição de conteúdo de silício para aplicações de aquecedores de alta temperatura

Com base na vida útil estimada e na frequência do ciclo térmico, os seguintes requisitos de silício são recomendados para aquecedores revestidos 316 trabalhando a 650 graus no ar ou gases de combustão oxidantes:

Condição de serviço Temperatura da bainha (graus) Ciclos térmicos por dia Teor mínimo de silício (% em peso) Faixa de silício recomendada (% em peso) Liga alternativa se as necessidades de silício não puderem ser atendidas
Execute continuamente, faça ciclos ocasionalmente 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Ciclismo suave intermitente 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss ou Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00Inconel 600
Serviço contínuo 650-700<1 >0,70 (316 não recomendado) 0.80-1.00 310 ou Inconel necessário
550-650 Qualquer 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 recomendado Qualquer serviço onde haja presença de enxofre na atmosfera Verificação do teor de silício e desempenho de oxidação

There are three techniques for verifying acceptable silicon content for buyers who specify 316 sheaths for high temperature use. The first is the mill certificate which must report silicon analysis with an acceptable range (say 0.60-0.80%). The second is a simplified oxidation screening test, in which a sample of the tube is heated in air at 650 °C for 100 hours and then cooled to ambient temperature. The sample is weighed before and after. Weight gain < 2 mg/cm² is good silicon oxidation resistance, > 5 mg/cm² is inadequate silicon. The third way is to metallographically cross-section the oxidised sample and assess the thickness and continuity of the silica layer. The continuous silica layer >0,2 µm demonstra que o silício é suficiente. Maior confiança quando todas as três verificações são necessárias. Para aplicações importantes.

Diagnóstico de campo de baixa quebra de oxidação de silício

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), não-aderente (lascamento ao toque) e marrom-avermelhado (Fe2O3) em vez de preto-esverdeado (Cr2O3). Se o metal base for inadequado, a microscopia eletrônica ou a investigação EDS da interface do metal-escala não mostrará nenhum silício ou níveis de silício abaixo de 0,2%. A bainha com defeito apresentará perda de metal de 200 a 500 µm (aspereza e desbaste severos) em comparação com 20 a 50 µm para material com silício apropriado. O modo de falha é o aumento do adelgaçamento da parede por lascamento e eventual divisão longitudinal quando a parede restante não consegue mais suportar a pressão interna.

Conclusão: Parâmetro crítico de alta temperatura do silício

A resistência à oxidação dos aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 em serviço de ar a 650 graus é controlada diretamente pelo teor de silício do parâmetro de liga. Com teores de silício abaixo de 0,4%, a oxidação é rápida e não{4}}protetora, e a incrustação se fragmenta de modo que a vida útil do aquecedor é reduzida de 20.000 horas para 3.000-5.000 horas.. 0.6-1.0% de silício é adicionado para gerar uma subescala contínua de sílica que retarda a oxidação em duas ordens de grandeza e inibe a fragmentação. Qualquer aplicação onde a temperatura da bainha exceda 550 graus exigirá uma concentração mínima de silício de 0,50% e recomenda-se 0,60-0,80% para desempenho máximo. Para serviço contínuo a 650 graus ou acima de qualquer serviço acima de 700 graus, é melhor atualizar para aço inoxidável 310 ou Inconel 600 em vez de depender do 316, mesmo com alto teor de silício. Ao correlacionar a porcentagem de silício com taxas de oxidação mensuráveis ​​e início de lascamento, a abordagem proposta aqui permite que os compradores especifiquem 316 bainhas que preservam a integridade protetora da incrustação em temperaturas elevadas.