310S frente a Incoloy 800: selección de aleaciones-resistentes al calor para aplicaciones de hornos y hornos

Introducción

Los ingenieros de hornos, hornos y procesos-térmicos se enfrentan habitualmente a la misma decisión sobre el material: especificar un acero inoxidable-rentable-resistente al calor, o pasar a una aleación de níquel-hierro-cromo construida para una resistencia sostenida a altas-temperaturas.acero inoxidable 310Se Incoloy 800 (incluidas las variantes 800H y 800HT) son los dos candidatos más comúnmente comparados para esta decisión. Ambos resisten la oxidación a altas temperaturas, ambos se fabrican y sueldan fácilmente y ambos aparecen habitualmente en puertas de hornos, muflas, tubos radiantes y accesorios de tratamiento térmico-.

Sin embargo, su rendimiento difiere marcadamente una vez que entran en escena atmósferas carburantes, carga mecánica sostenida o largos intervalos de servicio. Este artículo compara las dos aleaciones en cuanto a composición, capacidad de temperatura, resistencia a la oxidación y carburación, resistencia a la rotura por fluencia-, requisitos de fabricación y costo total de propiedad, para que los ingenieros y compradores puedan adaptar la aleación a la aplicación y no al revés.

¿Qué distingue metalúrgicamente al 310S del Incoloy 800?

La diferencia de composición es la causa principal de todas las diferencias de rendimiento posteriores que se analizan en este artículo.. 310El S lleva cromo como elemento de aleación principal y níquel como estabilizador de austenita secundario, por lo que se clasifica como acero inoxidable en lugar de aleación de níquel. Incoloy 800 invierte esa proporción: el níquel es la adición mayoritaria de la aleación, el cromo es secundario y el hierro constituye el equilibrio en lugar de ser el metal base. El mayor contenido de níquel es lo que da a las aleaciones de la serie 800-su resistencia a la difusión de carbono y su resistencia a la temperatura, pero el níquel también es la materia prima más costosa, razón por la cual los productos de la serie Incoloy 800 conllevan un sobreprecio persistente en comparación con el 310S.

Fuente: ASTM A240/A480 (310S); Especificaciones del molino ASTM B407/B408/B409 y UNS N08810 (Incoloy 800H). Los rangos son límites de especificación nominal; verificar con el informe de prueba actual del molino.

Otros dos detalles de composición son importantes para el servicio del horno. En primer lugar, el 310S es una variante baja-de carbono del grado estándar 310 (que permite hasta un 0,25 % de carbono); el bajo contenido de carbono en 310S mejora la resistencia a la sensibilización y a la corrosión intergranular después de la soldadura. En segundo lugar, Incoloy 800H es en sí mismo una variante de tamaño de grano-con carbono{8}}controlado y controlado-del Incoloy 800 base, e Incoloy 800HT refuerza aún más la gama de aluminio-más-titanio - ambos refinamientos existen específicamente para aumentar la resistencia a la rotura por fluencia-para hornos y{17}}servicios de calentadores de proceso, lo que se analiza en la Sección 4.

¿Qué aleación soporta temperaturas de funcionamiento continuo más altas?

El 310S suele tener una clasificación de resistencia a la oxidación continua de hasta aproximadamente 2000 grados F (1093 grados) y para servicio intermitente o ligeramente cíclico en un rango similar, debido a su alto contenido de cromo. El limitador práctico para el 310S en hornos y hornos no es la escala de óxido - sino la formación de la fase sigma-. Después de una exposición prolongada entre aproximadamente 1200 grados F y 1650 grados F (650 a 900 grados), los aceros inoxidables de la familia 310-pueden formar una fase sigma intermetálica frágil que reduce la tenacidad y ductilidad a temperatura ambiente. Los equipos que pasan repetidamente por esta banda de temperatura, como las puertas de los hornos y los componentes de los quemadores, están más expuestos a este efecto que los equipos que funcionan continuamente en la parte superior del rango de temperatura.

Incoloy 800Hy 800HT están clasificados para un servicio a largo plazo-hasta aproximadamente 2000 grados F (1093 grados), con posibles excursiones de corta-duración por encima de eso a costa de una pérdida acelerada de resistencia y oxidación. Debido a que las aleaciones de la serie 800-son recocidas en solución-a un mínimo de 2100 grados F (1149 grados) para producir una estructura de grano más gruesa y más resistente a la fluencia-y debido a que su mayor contenido de níquel suprime el mismo mecanismo de fase sigma que afecta al 310S, tienden a conservar ductilidad y tenacidad utilizables en una porción más amplia del rango operativo del horno, incluso a través de operaciones repetidas. ciclo térmico.

¿Qué aleación ofrece mejor resistencia a atmósferas oxidantes y carburantes?

La resistencia a la oxidación en ambas aleaciones proviene principalmente del cromo, que forma una capa protectora de óxido de cromo-a altas temperaturas.. 310S en realidad transporta más cromo que Incoloy 800H (aproximadamente 25 % frente a aproximadamente 21 %), lo cual es una de las razones por las que el 310S sigue teniendo un desempeño sólido y económico en atmósferas oxidantes limpias, como hornos de aire, carcasas de hornos y accesorios para quemadores.

La resistencia a la carburación es un mecanismo diferente y aquí es donde las dos aleaciones divergen más marcadamente. La transferencia de carbono a la superficie del metal desde una atmósfera rica en carbono-depende en gran medida del contenido de níquel, porque el níquel tiene una solubilidad muy baja para el carbono y ralentiza su difusión hacia el interior. Los datos de campo sobre tuberías 800H en el servicio de procesamiento de hidrocarburos de cementación-muestran que la aleación conserva ductilidad e integridad estructural después de años de exposición, en condiciones donde los aceros inoxidables de la familia 310- con bajo contenido de níquel-níquel se cementan considerablemente más rápido. Esta es la razón principal por la que Incoloy 800H es el material utilizado para los tubos de pirólisis de etileno, los componentes de hornos de craqueo de hidrocarburos y las cestas y accesorios de tratamiento térmico que experimentan ciclos de carburación repetidos.

Las comparaciones de tasas de corrosión-publicadas en entornos de hornos de refinería ilustran la brecha: las aleaciones Incoloy 800H/800HT se han medido en aproximadamente 0,15 mm/año (6,0 mpy), frente a aproximadamente 0,23 mm/año (8,9 mpy) para el acero inoxidable de la familia 310 en condiciones comparables. Una tasa de corrosión más baja se traduce directamente en una vida útil más larga de los componentes y en menos paradas no planificadas para inspección o reemplazo.

¿Cómo se comparan la resistencia a la fluencia y a la tensión-ruptura a temperaturas elevadas?

La fluencia es la deformación lenta y dependiente del tiempo-del metal bajo una carga sostenida a alta temperatura, y la resistencia a la rotura por tensión-describe cuánta tensión puede soportar un material antes de fracturarse después de un número determinado de horas de servicio. Esta propiedad es importante para cualquier componente del horno que esté bajo carga mientras está caliente - un tubo radiante bajo presión interna, un soporte que soporte refractario o una bobina en un horno de pirólisis - a diferencia de los componentes que simplemente están expuestos al calor sin una carga mecánica significativa, como un revestimiento de mufla o un escudo.

310S ofrece una resistencia a la rotura por fluencia-moderada, adecuada para componentes con carga ligera. Incoloy 800H y 800HT se desarrollaron específicamente para extender la vida de rotura por fluencia-más allá de lo que proporcionan los aceros inoxidables estándar de la familia 800 o 310-, a través de un contenido de carbono controlado (0,05–0,10 %) y un recocido en solución de grano grueso- a un mínimo de 2100 grados F (1149 grados). Además, Incoloy 800HT refuerza aún más las especificaciones de aluminio-y-titanio, para aplicaciones que exigen la vida útil práctica más larga bajo tensión sostenida de alta temperatura, como tuberías de hornos de etileno y serpentines de pirólisis.

Fuente: Compilado a partir de datos de especificaciones ASTM A240/B407/B409 y estudios publicados de propiedades mecánicas y-corrosión-a alta temperatura y{5}}estudios para 310/310H e Incoloy 800H/800HT en servicio de refinería y horno. Verifique los permisos de diseño con la actual ASME Sección II Parte D o la edición del código aplicable antes de la especificación final.

¿Cuál es la diferencia de costos y cuándo se justifica la prima?

El níquel es consistentemente el principal impulsor del precio del recargo de aleación para ambos materiales, pero Incoloy 800H/HT contiene aproximadamente un 50 por ciento más de níquel en peso que el 310S, y el níquel normalmente se comercializa a un múltiplo significativo del cromo y el hierro que constituyen la mayor parte del contenido de la aleación del 310S. Esto hace que las aleaciones de la serie 800-sean la compra más cara por-libra o por-pie lineal, incluso antes de considerar la fabricación.

El marco de decisión que se desprende de la comparación técnica anterior es sencillo. Especifique 310S cuando el componente tenga una atmósfera oxidante limpia, una carga mecánica ligera o nula y expectativas de vida útil-de servicio moderadas - carcasas de hornos, puertas, ventiladores y protectores sin-carga-son ajustes comunes. Especifique Incoloy 800H o 800HT cuando el componente esté bajo carga sostenida a temperatura, expuesto a una atmósfera carburante o sulfurante, o cuando el costo de una parada no planificada para reemplazar un componente defectuoso exceda sustancialmente la prima de costo del material. - Los tubos radiantes, los componentes-del calentador de proceso, las bobinas de craqueo de etileno y los accesorios-de tratamiento térmico con ciclos largos de carburación son ajustes comunes.

¿En qué se diferencian los requisitos de fabricación, soldadura y tratamiento térmico?

El 310S se recoce en solución-en el rango de 1900 a 2100 grados F (1030 a 1150 grados) seguido de un enfriamiento rápido, lo que devuelve los carburos a la solución y maximiza la resistencia a la corrosión. Si los equipos de la familia 310- han tenido un servicio prolongado por encima de los 1200 grados F (650 grados) y se ha formado la fase sigma, la ductilidad generalmente se puede restaurar con el mismo ciclo de recocido de solución-; un nuevo recocido después de aproximadamente cada 1000 horas de servicio por encima de 1200 grados F es un intervalo de mantenimiento comúnmente citado para equipos propensos a la formación de sigma.

Incoloy 800H y 800HT requieren un recocido de solución a un mínimo de 2100 grados F (1149 grados) - notablemente más alto que el recocido utilizado para 310S - específicamente para producir una estructura de grano más gruesa (típicamente tamaño de grano ASTM No. 5 o más grueso) que mejora la vida de rotura por fluencia-. Ambas aleaciones se pueden soldar mediante procesos estándar de arco de tungsteno con gas y arco de metal protegido con metal de aportación coincidente o casi coincidente, y ambas se forman convencionalmente en frío-, aunque las aleaciones de la serie 800 pueden mostrar una textura superficial característica ("piel de naranja") después de un conformado intenso en frío debido a su tamaño de grano más grueso.

¿Qué aleación debería especificar para los componentes comunes de hornos y hornos?

Fuente: Guía de selección general basada en propiedades de aleación documentadas y prácticas comunes en hornos industriales. La selección específica del componente-debe tener en cuenta la química atmosférica real, la presión nominal, la frecuencia del ciclo térmico y el código de diseño aplicable.

Preguntas frecuentes

P: ¿Se pueden usar 310S e Incoloy 800H indistintamente en el mismo horno?

R: Generalmente no. Tienen diferentes tasas de expansión térmica y diferente comportamiento de fluencia, por lo que mezclarlos en un solo conjunto soldado bajo carga puede crear tensiones diferenciales. Cuando ambas aleaciones aparecen en el mismo horno, normalmente se usan en componentes separados y con soporte independiente -, por ejemplo, una carcasa de 310S con tubos internos de Incoloy 800H.

P: ¿Incoloy 800 es lo mismo que Incoloy 800H o 800HT?

R: No. El Incoloy 800 estándar (UNS N08800) permite una gama más amplia de carbono y no lleva el recocido en solución de grano grueso-a alta-temperatura que le da a 800H (UNS N08810) y 800HT (UNS N08811) su resistencia superior a la rotura por fluencia-. En las especificaciones actuales de hornos y calentadores de proceso-, 800H y 800HT han reemplazado en gran medida al estándar 800.

P: ¿El 310S requiere tratamiento térmico posterior-a la soldadura?

R: No es resistente a la corrosión en la mayoría de las aplicaciones de hornos, ya que el 310S es un grado bajo-de carbono con buena resistencia a la sensibilización relacionada con la soldadura-. Si el equipo va a tener un servicio extendido en el rango de formación de la fase sigma--, un recocido periódico de solución - y no un alivio de tensión - es el tratamiento correctivo adecuado, no un requisito de rutina posterior a la soldadura.

P: ¿Cuál es el límite de temperatura práctico para el servicio continuo del 310S?

R: Aproximadamente 2000 grados F (1093 grados) para un servicio de oxidación continua, con la salvedad de que el equipo que recorre repetidamente el rango de 1200 a 1650 grados F (650 a 900 grados) está expuesto a la fragilización de fase sigma-con el tiempo y debe evaluarse para un nuevo recocido periódico.

P: ¿Por qué el contenido de níquel es tan importante para la resistencia a la carburación?

R: El carbono tiene una solubilidad muy baja en el níquel y se difunde en él más lentamente que en el hierro o el cromo. Debido a que Incoloy 800H contiene aproximadamente entre un 30% y un 35% de níquel, frente a aproximadamente un 19% y un 22% del 310S, el carbono penetra su superficie más lentamente en condiciones de cementación idénticas, que es la razón principal por la que el 800H supera a los aceros inoxidables de la familia 310 en atmósferas de hornos de cementación.