310S 対 インコロイ 800: 炉および窯用途向けの耐熱合金の選択-

導入

炉、窯、熱処理のエンジニアは、コスト効率の高い-耐熱性-ステンレス鋼を指定するか、持続的な高温強度を目指して作られたニッケル-鉄-クロム合金にステップアップするかという、同じ材料の決定に日常的に直面しています。-310S ステンレス鋼この決定において最も一般的に比較される 2 つの候補は、Incoloy 800 (800H および 800HT バリアントを含む) です。どちらも高温での酸化に強く、製造や溶接が容易で、炉のドア、マッフル、ラジアントチューブ、熱処理設備に日常的に使用されています。-

ただし、浸炭雰囲気、持続​​的な機械的負荷、または長い保守間隔が加わると、その性能は大きく異なります。この記事では、エンジニアと購入者がその逆ではなく、用途に合わせて合金を適合できるように、組成、温度特性、耐酸化性と浸炭性、クリープ破断強度、製造要件、総所有コストにわたって 2 つの合金を比較します。-

310S とインコロイ 800 の冶金学的違いは何ですか?

この記事で説明するすべての下流性能差の根本原因は組成の違いです。. 310S は主な合金元素としてクロムを、二次的なオーステナイト安定剤としてニッケルを含有しています。そのため、S はニッケル合金ではなくステンレス鋼として分類されています。インコロイ 800 はその比率を逆転させます。ニッケルが大部分の合金添加物であり、クロムが副次的であり、鉄がベースメタルではなくバランスを占めます。ニッケル含有量が高いため、800- シリーズ合金の炭素拡散に対する耐性と温度下での強度の維持が可能になります。しかし、ニッケルはより高価な原料投入材でもあります。そのため、インコロイ 800 シリーズ製品は 310S よりもコスト プレミアムが高くつきます。

出典: ASTM A240/A480 (310S); ASTM B407/B408/B409 および UNS N08810 ミル仕様 (インコロイ 800H)。範囲は公称仕様限界です。現在の工場試験報告書と照らし合わせて検証してください。

炉のサービスには、他の 2 つの組成の詳細が重要です。まず、310S は標準グレード 310 の低炭素バージョンです (最大 0.25% の炭素を許容します)。- 310S の低炭素により、溶接後の鋭敏化と粒界腐食に対する耐性が向上します。第二に、Incoloy 800H 自体はベースの Incoloy 800 の制御された-炭素、制御された-粒度-のバリエーションであり、Incoloy 800HT はアルミニウム-と-チタンの範囲をさらに強化しています-。両方の改良点は特に炉とプロセス ヒーターのクリープ-破断強度を高めるために存在します-サービスについてはセクション 4 で説明します。

より高い連続動作温度に耐える合金はどれですか?

310S は一般に、クロム含有量が高いため、最大約 2,000 度 F (1,093 度) までの連続耐酸化性と、同様の範囲での断続的または穏やかな周期的使用に対して評価されています。炉や窯での使用における 310S の実際的な制限要因は、酸化スケール - ではなく、シグマ - 相の形成です。 310- 系ステンレス鋼は、約 1,200 度 F から 1,650 度 F (650 ～ 900 度) の温度に長時間さらされると、脆い金属間化合物シグマ相を形成し、室温での靭性と延性が低下します。炉のドアやバーナー部品など、この温度帯を繰り返し循環する機器は、温度範囲の最高値で連続的に動作する機器よりもこの影響にさらされやすくなります。

インコロイ800Hおよび 800HT は、最大約 2,000 度 (1,093 度) までの長期使用に耐えるよう評価されています。ただし、それを超えると短期間の使用は可能ですが、強度の低下と酸化が促進されます。- 800- シリーズ合金は最低 2,100 度 F（1,149 度）で溶体化焼鈍され、より粗く耐クリープ性の高い結晶粒構造を生成します。また、ニッケル含有量が高いため、310S に影響を与える同じシグマ相メカニズムが抑制されるため、稼働中の炉のより広い部分にわたって使用可能な延性と靱性を維持する傾向があります。繰り返しの熱サイクルによるものを含む。

酸化および浸炭雰囲気に対する耐性に優れているのはどの合金ですか?

両合金の耐酸化性は主にクロムによるもので、高温で酸化クロムの保護スケールを形成します。{{0}S には実際にインコロイ 800H より多くのクロムが含まれています（約 25% 対約 21%）。これが、310S が空気炉、キルンシェル、バーナーハードウェアなどのクリーンな酸化雰囲気で強力で経済的な性能を維持できる理由の 1 つです。

耐浸炭性は別のメカニズムであり、これが 2 つの合金が最も大きく異なる点です。炭素が豊富な雰囲気から金属表面への炭素の移動は、ニッケルの含有量に大きく依存します。これは、ニッケルの炭素に対する溶解度が非常に低く、内部への拡散が遅いためです。浸炭炭化水素-処理サービスにおける 800H チューブの現場データは、低級-ニッケル 310- 系ステンレス鋼がかなり速く浸炭する条件下で、長年の曝露後も合金が延性と構造的完全性を維持していることを示しています。これが、インコロイ 800H がエチレン熱分解チューブ、炭化水素分解炉のコンポーネント、浸炭サイクルを繰り返す熱処理バスケットや治具の現行材料である主な理由です。

製油所の炉環境における公表されている腐食率の比較は、そのギャップを示しています。インコロイ 800H/800HT 合金は、同等の条件下で約 0.15 mm/年 (6.0 mpy) と測定されたのに対し、310 系ステンレス鋼では約 0.23 mm/年 (8.9 mpy) でした。腐食率が低いと、コンポーネントの寿命が長くなり、検査や交換のための計画外の停止が少なくなります。

高温におけるクリープ強度と応力破断強度はどのように比較されますか?{0}

クリープとは、高温で持続的な負荷がかかった状態で金属が時間に依存してゆっくりと変形することです。-応力破断強度は、所定の使用時間後に材料が破壊するまでにどれだけの応力に耐えることができるかを表します。{0}この特性は、マッフル ライナーやシールドなど、重大な機械的負荷を伴わずに単に熱にさらされるコンポーネントとは異なり、熱い間に負荷がかかる炉コンポーネント -、内圧下のラジアント チューブ、耐火物を支持するハンガー、または熱分解炉のコイル - にとって重要です。

310S は中程度のクリープ破断強度を備えており、軽荷重のコンポーネントに適しています。-インコロイ 800H および 800HT は、制御された炭素含有量 (0.05～0.10%) と最低 2,100 度 (1,149 度) での粗粒溶体化焼きなましにより、標準的な 800 または 310- 系ステンレス鋼のクリープ破断寿命を超えてクリープ破断寿命を延ばすために特別に開発されました。- Incoloy 800HT は、エチレン炉チューブや熱分解コイルなど、持続的な高温ストレス下で最長の実用寿命が要求されるアプリケーション向けに、アルミニウム-と- チタンの仕様をさらに強化しています。

出典: ASTM A240/B407/B409 仕様データから編集され、製油所および炉での使用における 310/310H およびインコロイ 800H/800HT の高温腐食率と機械的特性の研究結果を公表しています。{{3}最終仕様の前に、現在の ASME セクション II パート D または該当するコード版に対して設計許容値を検証します。

コストの違いは何ですか?また、プレミアムが正当化されるのはどのような場合ですか?

ニッケルは一貫して両材料の合金追加料金の最大の要因ですが、インコロイ 800H/HT には 310S よりも重量で約 50% 多くのニッケルが含まれており、ニッケルは通常、310S の合金含有量の大部分を構成するクロムと鉄のかなりの倍数で取引されています。このため、800- シリーズ合金は、製造を考慮する前に、ポンドあたりまたはリニア フィートあたりで購入すると高価になります。-

上記の技術的な比較から得られる決定の枠組みは簡単です。コンポーネントにきれいな酸化雰囲気があり、機械的負荷が軽いかまったくなく、中程度の耐用年数が期待される場合は 310S を指定します。-炉のシェル、ドア、ファン、および非-負荷-シールドが一般的に適合します。コンポーネントが温度で持続的な負荷にさらされている場合、浸炭または硫化雰囲気にさらされている場合、または故障したコンポーネントを交換するための計画外の停止のコストが材料コストを大幅に超える場合は、インコロイ 800H または 800HT を指定してください。-ラジアント チューブ、プロセス ヒーター コンポーネント、エチレン クラッキング コイル、および浸炭サイクルが長い熱処理器具-が一般的です。

製造、溶接、熱処理の要件はどのように異なりますか?

310S は、1,900 ～ 2,100 度 F (1,030 ～ 1,150 度) の範囲で溶体化処理され、その後急速冷却されます。これにより炭化物が溶体化され、耐食性が最大化されます。 310- ファミリーの機器が 1,200 度 F (650 度) を超えて長期間使用され、シグマ相が形成された場合、通常、同じ溶体化焼鈍サイクルで延性を回復できます。-。シグマが形成されやすい機器のメンテナンス間隔としてよく挙げられるのは、華氏 1,200 度を超える環境でおよそ 1,000 時間使用した後の再焼きなましです。

インコロイ 800H および 800HT では、クリープ破断寿命を向上させる粗粒組織 (通常は ASTM 粒度 No. 5 以上) を生成するために、310S - に使用される焼鈍よりも著しく高い少なくとも 2,100 度 F (1,149 度) - での溶体化焼鈍が必要です。-。どちらの合金も、標準的なガス タングステン アークおよびシールド金属アーク プロセスによって、一致またはほぼ一致するフィラー金属を使用して溶接可能です。また、両方とも従来の冷間成形です-。ただし、800 シリーズ合金は粒子サイズが粗いため、重冷間成形後に特徴的な表面テクスチャ（「オレンジの皮」）が表示されることがあります。

一般的な炉およびキルンのコンポーネントにはどの合金を指定する必要がありますか?

出典: 文書化された合金特性および一般的な工業炉/窯の慣行に基づく一般的な選択ガイダンス。コンポーネント-固有の選択では、実際の雰囲気の化学的性質、圧力定格、熱サイクル周波数、適用可能な設計コードを考慮する必要があります。

よくある質問

Q: 310S とインコロイ 800H は同じ炉内で互換的に使用できますか?

A: 一般的にはそうではありません。これらは異なる熱膨張率と異なるクリープ挙動を持っているため、荷重がかかった状態で単一の溶接アセンブリにこれらを混合すると、応力差が生じる可能性があります。両方の合金が同じ炉内で使用される場合、通常は、別々の独立してサポートされたコンポーネント -、たとえば、Incoloy 800H 内部チューブを備えた 310S シェルで使用されます。

Q: インコロイ 800 はインコロイ 800H または 800HT と同じですか?

A: いいえ。標準のインコロイ 800 (UNS N08800) では、より広い炭素範囲が可能であり、800H (UNS N08810) および 800HT (UNS N08811) に優れたクリープ破断強度を与える粗粒、高温溶体化処理は行われません。-現在の炉とプロセス ヒーターの仕様では、800H と 800HT が標準の 800 を大幅に置き換えています。{11}

Q: 310S には溶接後の熱処理が必要ですか?{1}

A: 310S は低炭素グレードであり、溶接関連の鋭敏化に対する優れた耐性を備えているため、ほとんどの炉用途では耐食性には適していません。-機器がシグマ-相-形成範囲で長時間使用される場合、応力除去ではなく定期的な溶体化焼きなまし-が適切な修正処理であり、日常的な溶接後の要件ではありません-。

Q: 310S の連続サービスにおける実際の温度制限はどれくらいですか?

A: 連続酸化サービスの場合は約 2,000 度 (1,093 度) です。ただし、1,200 ～ 1,650 度 (650 ～ 900 度) の範囲を繰り返しサイクルする機器は時間の経過とともにシグマ-相の脆化にさらされるため、定期的な再焼きなましについて評価する必要があることに注意してください。-

Q: ニッケル含有量が耐浸炭性にとってそれほど重要なのはなぜですか?

A: 炭素はニッケルへの溶解度が非常に低く、鉄やクロムよりもゆっくりとニッケルに拡散します。インコロイ 800H には約 30 ～ 35% のニッケルが含まれているのに対し、310S には約 19 ～ 22% のニッケルが含まれているため、同一の浸炭条件下では炭素がその表面にゆっくりと浸透します。これが、800H が浸炭炉の雰囲気において 310 系ステンレス鋼よりも優れた性能を発揮する主な理由です。