Ako objemový podiel zrážok v Z-fáze (CrVN) v 347 rúrkach ohrievača po 50 000 hodinách pri 600 stupňoch riadi zníženie dlhodobej-medzernej pevnosti pri tečení

Komplexná nitridová fáza a jej degradácia creepových vlastností

Vyzrážanie Z-fázy (CrVN, komplexný nitrid chróm-vanádu) sa môže vyskytnúť v prípade 347 elektrických ohrievacích rúrok s plášťom z nehrdzavejúcej ocele (stabilizovaný Nb{2}}), ktoré pracujú pri 600 stupňoch po veľmi dlhú dobu (50,{5}} hodín), ako napríklad v rúrových peciach s dlhým-prvkom alebo v elektrárňach so zvyškovým vanádiom alebo elektrárňach s dlhou životnosťou (zvyčajne 0,10-0,20 % V). Na rozdiel od NbC, ktorý vykazuje stabilné spevnenie, Z-fáza sa najprv vyzráža ako jemné častice (10-30 nm), ktoré prispievajú k pevnosti pri tečení, ale po 20 000-30 000 hodinách pri 600 stupňoch Z-fázy spotrebúvajú ďalšie hrubé spevnenie (na 100 nm) a vanadium a ďalšie spevnenie vanadium-5 vyzráža. Čistým výsledkom po 50 000 hodinách je strata pevnosti pri tečení o 30 – 50 % v porovnaní s materiálom bez vanádu. Pod 0,05 % V je generovanie fázy Z nevýznamné a pevnosť pri tečení je stabilná. V tejto práci je kvantifikovaná korelácia medzi zvyškovým obsahom vanádu a objemovým zlomkom fázy Z po 50 000 hodinách pri 600 stupňoch a stratou pevnosti pri tečení.

Mechanizmus krehnutia Z-fázy

Z-fáza (CrVN) je tetragonálna zlúčenina zložená z chrómu, vanádu a dusíka. Zráža sa okolo 500-700 stupňov . Z-fáza hrubne Ostwaldovým dozrievaním počas dlhodobého starnutia. Rast častíc fázy Z- spotrebuje matricu vanádu (tvorí VC) a dusík (tvorí Cr2N alebo NbN). Pevnosť pri tečení sa znižuje zmäkčením matrice a prítomnosťou veľkých, krehkých častíc Z-fázy. Tento dopad je najzreteľnejšie viditeľný po 30 000 až 50 000 hodinách, keď sú častice fázy Z väčšie ako 200 až 300 nm.

Kvantitatívne závislosti obsahu vanádu, Z-fázy objemu frakcie a pevnosti pri tečení

Riadené dlhodobé starnutie 347 rúrok (0,45 % Nb, 0,06 % C, 0,08 % N) s rôznym zvyškovým vanádom pri 600 stupňoch počas 50 000 hodín a následné skúšky tečenia pri 600 stupňoch a 80 MPa určili nasledujúce straty pevnosti.

Obsah vanádu (hmot. %) Z-Podiel objemu fázy po 50 000 h pri 600 stupňoch (%) Z-Veľkosť fázových častíc po 50 000 h (nm) Pevnosť pri pretrhnutí pri 600 stupňoch , 80 MPa (h) Základná sila tečenia 90, 000 00 stupňovej pevnosti pri prevádzke{{101} pri 600 stupňoch<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 
Účinok Nb a N na tvorbu Z-fázy

Viac nióbu stabilizuje NbN a NbCN a znižuje Z-fázu. Vyšší obsah dusíka urýchľuje Z-fázu.

% hm. nióbu hm. % dusíka hm. 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12 000 – 18 000 Marginálne 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16 000 – 22 000 Prijateľné praktické odporúčania pre 50 000-hodinovú službu pri 600 stupňoch

Obmedzenia vanádu a nióbu pre 347 plášťových ohrievačov na 50 000 hodín prevádzky pri 1100 F.

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-overenie fázových zrážok

Pre kupujúcich, ktorí chcú dlhodobú pevnosť pri tečení, sú k dispozícii dve metódy. Prvým je chemické vyšetrenie obsahu vanádu (pomocou ICP alebo OES) s prijateľnosťou<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%.

Záver: Špecifikácia s nízkym obsahom vanádu pre životnosť 50 000 hodín tečenia

V plášťoch ohrievačov 347 z nehrdzavejúcej ocele pracujúcich pri 600 stupňoch počas 50 000 hodín sa pozoruje zrážanie vo fáze Z- (CrVN), dokonca aj so zvyškovým vanádom len 0,10-0,15 %. Z-fáza hrubne na 150-600 nm a znižuje medzu pevnosti pri tečení o 20-50 % v porovnaní s materiálom bez vanádu. Inžinieri, ktorí špecifikujú 347 puzdier na mimoriadne dlhodobé používanie (30 000 – 50,000+ hodín), by mali obmedziť vanád na<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50 % na inhibíciu vývoja Z-fázy. Tu vyvinutý rámec spája koncentráciu vanádu, objemové percento Z-fázy a pokles pevnosti pri tečení pri 600 stupňoch. Tento rámec môžu zákazníci použiť na definovanie 347 chemických látok, ktoré si zachovajú pevnosť pri tečení počas životnosti dizajnu pol storočia.