Ako sa líšia triedy nehrdzavejúcej ocele 304 a 316 v odolnosti proti korózii pre aplikácie vyhrievacích platní?

Nepriľnavý{0}}doštičky vyžadujú teflónové platne. Vyhrievacie dosky z nehrdzavejúcej ocele sú potrebné pre trvanlivosť a odolnosť proti korózii. Dve najrozšírenejšie austenitické triedy, 304 a 316, vyzerajú prakticky rovnako, ale zásadne sa líšia v odolnosti voči určitým korozívnym činidlám-, čo je rozdiel, ktorý môže rozhodnúť o životnosti dosky. Aby sa minimalizovalo skoré zlyhanie a neplánované prestoje, je dôležité, aby si inžinieri boli vedomí rôznych koróznych vlastností nehrdzavejúcej ocele 304 a 316 pri výbere ohrievacej platne na vykurovanie priemyselných procesov, laboratórne vybavenie alebo aplikácie na spracovanie potravín.

Chemické zloženie: Úloha molybdénu
304 a 316 sú obe austenitické nehrdzavejúce ocele, čo znamená, že majú kubickú kryštálovú štruktúru (kubický povrch -centrovaný), čo im dáva dobrú tvárnosť a odolnosť. Oba obsahujú chróm (Cr) a nikel (Ni) ako hlavné legujúce prvky. Nerezová oceľ je odolná voči korózii vďaka pasívnej oxidovej vrstve, ktorú chróm vytvára na povrchu. Nikel stabilizuje austenitickú štruktúru a zvyšuje odolnosť voči redukujúcim kyselinám.

Rozdiel tvorí molybdén (Mo). Trieda 304 neobsahuje molybdén. Stupeň 316 má približne 2 až 3 % hmotnosti molybdénu. Toto zjavne malé zvýšenie podstatne mení elektrochemické správanie zliatiny v prítomnosti chloridov a určitých kyselín.

Nerezová oceľ 304 - Typické zloženie: 18 % chrómu, 8 % niklu, zvyšok železa. Maximálny obsah uhlíka 0,08% v bežnej kvalite (304L má nižší uhlík pre lepšiu zvárateľnosť).

Nerezová oceľ 316 Typické zloženie: 16-18% chróm, 10-14% nikel, 2-3% molybdén, zvyšok železo. Hlavnou legujúcou prísadou je molybdén.

Tiež koncentrácia niklu je výrazne vyššia v 316 (10-14% oproti 8-10,5% v 304), čo zvyšuje odolnosť voči redukčným podmienkam.

Ako molybdén prispieva k odolnosti proti korózii
Molybdén pomáha s odolnosťou proti korózii mnohými spôsobmi. Zahusťuje pasívny oxidový film, čo vedie k stabilnejšiemu filmu a menej náchylnému na degradáciu chloridovými iónmi. Molybdén tiež obmedzuje tvorbu a expanziu jamiek-malých lokalizovaných koróznych miest, ktoré môžu preniknúť hlboko do kovu.

Hlavným rozdielom je ekvivalentné číslo odolnosti voči bodovej korózii (PREN), čo je empirický vzorec používaný na hodnotenie odolnosti nehrdzavejúcich ocelí voči bodovej korózii v prostrediach obsahujúcich chloridy. Typický vzorec pre PREN je:

PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

Pre normálne druhy (bez zámerného pridávania dusíka):

Nerezová oceľ 304: PREN ≈ 18 + 3.3 × 0 + 0=18 (zvyčajne 18-19)

Nerezová oceľ 316: PREN ≈ 17 + 3.3 × 2.5 + 0=25.25 (zvyčajne 24–26)

Vyššia hodnota PREN 316 znamená oveľa lepšiu odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii, najmä v podmienkach s teplým chloridom, ako je morská voda, rozmrazovacie soli alebo pobrežná atmosféra.

Porovnanie odolnosti vykurovacích dosiek proti korózii
Okrem procesného prostredia sú ohrievacie platne vystavené aj vysokým teplotám, ktoré môžu urýchliť koróziu. Veľká časť porovnania výkonu vykurovacej dosky z nehrdzavejúcej ocele 304 oproti 316 závisí od prítomných korozívnych chemikálií.

Atmosférická korózia vo všeobecnosti
304 aj 316 sú podobné v čistom interiéri alebo suchých vonkajších priestoroch s nízkym znečistením. Vrstva pasívneho oxidu je stále prítomná a miera korózie je nízka. 304 je často vhodná a lacnejšia na ohrev platní pre laboratórne pece, ohrievače suchého procesu alebo vyhrievané platne v regulovaných krytoch.

Jamková a štrbinová korózia spôsobená chloridom
Lokalizovanú koróziu na nerezových vykurovacích platniach spôsobujú najčastejšie chloridy (soli). Zdroje: Príspevok:

Brakická voda alebo sprej s morskou vodou

Rozmrazovacie soli prenášané do zariadení na spracovanie potravín

Chlórované čistiace prostriedky (bielidlo, chlórnan sodný)

kyselina chlorovodíková alebo chloridy kovov v procesných kvapalinách

Soľný sprej (atmosférický) z pobrežia

V prítomnosti chloridov a kyslíka môže pasívna vrstva na 304 zlyhať v slabých miestach (inklúzie, škrabance alebo praskliny). Keď sa jamka spustí, miestna kyslosť v kôste urýchľuje proces rozpúšťania. Jamy môžu perforovať vykurovaciu platňu v priebehu týždňov alebo mesiacov, čo má za následok únik elektrických komponentov alebo kontamináciu procesu.

Nerezová oceľ 316 s molybdénom je ďaleko odolnejšia voči iniciácii jamiek. Tento rozdiel PREN približne 7 bodov znamená, že podstatne vyššia teplota bodovej korózie (PCPT). 304 bude korodovať v morskej vode pri okolitých teplotách v krátkom čase, ale 316 v podstate neovplyvní. Ohrievacie platne, ktoré by sa mohli umývať chlórovanými čistiacimi prostriedkami alebo vystavené soľnému spreju, sa dôrazne odporúčajú, aby boli vyrobené z 316.

Odolnosť voči kyselinám
Vyhrievacie platne sa niekedy používajú v kontakte s kyslými priemyselnými kvapalinami alebo čistiacimi roztokmi:

Kyselina sírová (H₂SO₄) – 316 má zvýšenú odolnosť najmä pri miernych koncentráciách a teplotách. Molybdén zvyšuje odolnosť voči redukčným kyselinám. Oba druhy sú však obmedzené na horúcu koncentrovanú kyselinu sírovú.

Kyselina chlorovodíková (HCl) – Ani jedna trieda sa neodporúča pre podstatnú expozíciu HCl, ale 316 funguje o niečo lepšie pri nízkych koncentráciách a izbovej teplote.

Kyselina dusičná (HNO3) - 304 aj 316 majú dobrú odolnosť voči oxidačným kyselinám, ako je kyselina dusičná. 304, ktorá sa zvyčajne používa v kyseline dusičnej, pretože molybdén v 316 neprináša žiadne výhody.

Kyselina fosforečná (H3PO4) – 316 je často preferovaná, najmä pri zvýšených teplotách, kvôli koncentrácii molybdénu.

Kyselina octová a organické kyseliny - Obidva druhy sú dobré, 304 je vo všeobecnosti postačujúce.

V skutočnosti sa 304 často používa na ohrev tanierov pri spracovaní potravín (kde sú prítomné organické kyseliny z ovocia alebo mlieka). Ak máte ohrievacie platne s chemickým procesom v kyseline sírovej alebo fosforečnej, potom je 316 správna cesta.

Korózna trhlina pod napätím (SCC)
Chloridové korózne praskanie môže ovplyvniť austenitické nehrdzavejúce ocele, ak sú súčasne splnené tri podmienky: ťahové napätie (vrátane zvyškového napätia z výroby), chloridy a extrémne teploty (zvyčajne nad 60 stupňov). Vyhrievacie dosky sú často tepelne namáhané a môžu mať zvyškové napätie z tvárnenia alebo zvárania.

304 aj 316 sú citlivé na chloridový SCC, avšak 316 má o niečo lepšiu odolnosť kvôli vyššiemu obsahu niklu a molybdénu. Ani jedna trieda nie je skutočne bezpečná v náročných chloridových podmienkach pri vysokých teplotách. V takýchto podmienkach by sa mali preskúmať viac vysoko legované materiály (napr. duplexné nehrdzavejúce ocele alebo zliatiny niklu). Ale pre väčšinu aplikácií vyhrievacích platní pod 80 °C poskytuje 316 významné zníženie rizika SCC v porovnaní s 304.

Tabuľka porovnania vykurovacích platní z nehrdzavejúcej ocele 304 vs 316
304 Nehrdzavejúca oceľ 316 Vlastnosť nehrdzavejúcej ocele
Typické zloženie 18% Cr, 8% Ni,<0.08% C 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo Molybdenum Content 0% 2-3% PREN (Pitting Resistance) ~18-19 ~24-26
Odolnosť proti tvorbe jamiek proti chloridom slabá až stredná (ľahko sa vytvára jamka v teplej morskej vode alebo bielidle) Dobrá až extrémne dobrá (odolná proti jamkovej jamke v morskej vode pri okolitej teplote)
Odolnosť proti korózii štrbín Slabá Stredná (lepšia ako 304, ale zraniteľná v úzkych štrbinách)
Odolnosť voči kyseline sírovej Nízka (nízka koncentrácia, nízka teplota) Stredná (lepšia ako 304, najmä pri prevzdušňovaní)
Odolnosť voči kyseline dusičnej VýbornáVýborná (žiadna Mo výhoda)
Odolnosť voči organickým kyselinám Dobrá Dobrá (trochu lepšia)
Náchylné na praskanie spôsobené koróziou (chlorid SCC) > ~60 stupňov Menej ovplyvnené (ale nie imúnne)
Maximálna teplota vzduchu pri nepretržitej prevádzke ~870 stupňov (nebezpečenstvo senzibilizácie pri zváraní) ~870 stupňov (podobne)
Tepelná vodivosť (100 stupňov) ~16,2 W/m-K ~16,3 W/m-K
Náklady na materiál nižšie (základná trieda) Vyššie (približne o . 30-50 % viac ako 304)
Bežné používanie vyhrievacích platníSuché pece Ohrievače v interiéri Potravinárske zariadenia (ne-chlórované čistenie) Všeobecné priemyselné Námorné zariadenia, pobrežné zariadenia, čistenie chlórom, chemické spracovanie, farmaceutický priemysel
Návod na praktické použitie
Keď 304 stačí
Vyhrievacie platne z nehrdzavejúcej ocele triedy 304 sú vhodné pre:

Aplikácie so suchým ohrevom (žiadny kontakt s kvapalinou alebo len kontakt s čistou vodou s nízkym obsahom chloridov)

Vnútorné prostredie, riadená klíma, žiadna soľ.

Spracovanie potravín, kde sa čistenie vykonáva pomocou -nechlórovaných čistiacich prostriedkov (napr. čistiace prostriedky na báze žieravín alebo kyselín-).

Vyhrievacie platne na laboratórne použitie. Pre nekorozívne-látky.

Všeobecné priemyselné vykurovanie, kde platňa nie je ponorená do korozívnych látok.

304 má v určitých aplikáciách dostatočnú odolnosť proti korózii pri lacnejších nákladoch. Vysoká tepelná vodivosť a tvárnosť zliatiny uľahčuje výrobu komplikovaných tvarov dosiek.

Kedy použiť nehrdzavejúcu oceľ 316
V aplikáciách, kde sú zahrnuté chloridy alebo určité kyseliny, je silne preferovaný 316:

Pobrežné alebo námorné inštalácie - 304 rýchlo korodujú soľou vo vzduchu. 316 na ohrev platní na palubách lodí, pobrežných plošín alebo v blízkosti pláží.

Ponorenie do brakickej alebo morskej vody – Ponorné ohrievače so slanou vodou musia byť zo zliatiny 316 alebo vyššej zliatiny, ako je super-austenitická alebo titánová.

Čistenie pomocou zlúčenín na báze chlóru – Mnoho potravinárskych a farmaceutických spoločností používa chlórnan sodný (bielidlo) alebo oxid chloričitý ako dezinfekčný prostriedok. 304, ktorý môže po častom vystavení 316 týmto látkam odolávať.

Procesné kvapaliny s chloridmi - Galvanické kúpele (napr. chlorid zinok), moriace roztoky alebo chladiaca voda s vysokým obsahom chloridov.

Služba kyseliny sírovej alebo fosforečnej - 316 ponúka vysokú bezpečnostnú rezervu nad 304 pri nízkych koncentráciách.

Vysoká teplota, vlhké podmienky - Kondenzácia vlhkosti bohatej na chloridy-na horúcej platni spôsobuje jamkovanie; 316 minimalizuje toto nebezpečenstvo.

Stojí za zmienku, že 316 nie je univerzálne riešenie. 316 koroduje aj vo veľmi náročných podmienkach (napr. horúca silná kyselina chlorovodíková, morská-voda presahujúca 50 stupňov ). Takéto drsné podmienky si vyžadujú drahšie zliatiny (904L, Hastelloy alebo titán).

Úvahy o teplote a výrobe
304 aj 316 majú podobnú tepelnú vodivosť (približne 16 W/m·K), čo je menej ako uhlíková oceľ alebo hliník, ale postačujúce pre aplikácie vyhrievacích platní, kde konštrukcia (zabudované ohrievače kaziet alebo zaliate -vložky) zabezpečuje rovnomerné rozloženie tepla. Koeficient tepelnej rozťažnosti je tiež podobný (oba sú zhruba 17 µm/mK)

Menšie odchýlky vo výrobe. Oba sú opracovateľné, zvárateľné a tvarovateľné bežnými procesmi. Avšak 316 vyžaduje o niečo vyššie rezné tlaky a má vyššiu pracovnú-rýchlosť kalenia. Oba druhy by sa mali zvárať s použitím verzií s nízkym obsahom uhlíka (304L a 316L), aby sa predišlo senzibilizácii (vyzrážaniu karbidu chrómu) v tepelne ovplyvnenej zóne, čo znižuje odolnosť proti korózii.

Pri oboch stupňoch by ste mali postupovať opatrne pri vyhrievacích platniach pracujúcich pri teplotách vyšších ako 400 stupňov, pretože po dlhšom vystavení môže dôjsť k tvorbe vodného kameňa a strate pasívnej vrstvy. Nerezová oceľ typu 304 ani typu 316 nie je schválená na nepretržitú prevádzku nad 800 stupňov v oxidačných atmosférach.

Ekonomické otázky
Bežná cena nehrdzavejúcej ocele 316 je o 30 – 50 % vyššia ako základ 304 libier. Prírastkové náklady na ohrievaciu platňu môžu byť zanedbateľné pre malé platne alebo značné pre veľké a hrubé platne. Musíte však myslieť na všetky náklady na vlastníctvo. Vyhrievacia platňa 304 sa v chloridovom prostredí znehodnotí za šesť mesiacov a bude vyžadovať náhradnú prácu, prestoje procesu a možné čistenie od kontaminácie. Počiatočné náklady sú vyššie, ale platňa 316, ktorá vydrží 5 rokov, je takmer zvyčajne lacnejšia.

V skutočnosti mnohí inžinieri používajú pravidlo, že ak existuje nejaká nejasnosť týkajúca sa vystavenia chloridom, uveďte číslo 316. Počiatočné náklady sú malé v porovnaní s rizikom predčasného zlyhania.

Na záver
Hlavným rozdielom medzi vyhrievacími platňami z nehrdzavejúcej ocele 304 a 316 je jedna zložka – molybdén. Trieda 304 je relatívne lacná-nerezová oceľ na všeobecné použitie bez molybdénu na použitie v suchých alebo mierne korozívnych prostrediach. Trieda 316 s 2-}3 % molybdénu má značne zlepšenú odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii spôsobenej chloridmi a lepšie sa prejavuje v kyselinách sírovej a fosforečnej.

316 je materiál voľby pre ohrev platní v kontakte s morskou vodou, soľným postrekom, chlórovanými čistiacimi chemikáliami alebo kyslými procesnými kvapalinami. Zvýšené náklady na materiál sú kompenzované dlhšou životnosťou, menšou údržbou a predchádzaním katastrofálnym jamkovým poruchám. 304 je plne adekvátna a lacná voľba pre čisté, suché alebo vnútorné aplikácie, ktoré neobsahujú chloridy. Pri výbere materiálov by sa malo zvážiť skutočné chemické prostredie, ktorému bude vykurovacia platňa vystavená, a porovnať s nebezpečenstvom korózneho zlyhania a počiatočnými nákladmi.