¿Cómo controla la fracción de volumen de las inclusiones de óxido no-metálico después de la refundición por arco al vacío de la tubería de la funda del calentador 316 la densidad del sitio de iniciación del pozo en agua de alta-pureza a 90 grados?

Población de inclusión como único mecanismo de inicio de picaduras en entornos con bajo contenido de cloruro-

With 316 stainless steel clad electric heating tubes in high purity water applications such as pharmaceutical water systems, semiconductor rinse tanks or high pressure boiler feedwater when the chloride levels are under 10 ppm, conventional chloride-induced pitting is not expected. However the pitting does occur in these conditions and the beginning sites are virtually solely non-metallic oxide inclusions (mainly alumina, Al2O3 and spinels) rather than manganese sulphides. The oxide inclusion volume fraction of a normal electric-arc furnace (EAF) 316 is usually 0.01–0.05%. Vacuum arc remelting (VAR) or electroslag remelting (ESR) reduce the oxide inclusion volume percentage to less than 0.002% (a 10-25 fold reduction). A 316 sheath with an oxide inclusion volume fraction >0,01 % en agua de alta pureza a 90 grados generará entre 10 y 50 picaduras/cm2 en 1.000 horas, pero el material tratado con VAR con<0.002% inclusions is pit-free for >10.000 horas. En este artículo, se investigó la influencia de la vida útil, la densidad de iniciación de la picadura y la fracción de volumen de inclusión de óxido en el agua de alta-pureza.

Comportamiento de picaduras del acero inducido por el mecanismo de inclusión de óxido.

A diferencia de las inclusiones de sulfuro de manganeso que son electroquímicamente activas e inducen picaduras por disolución, las inclusiones de óxido (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) son aislantes inertes. Desempeñan un papel mecánico y geométrico en la aparición de picaduras. La interfaz entre la inclusión de óxido y la matriz austenítica difiere en el coeficiente de expansión térmica (CTE de Al2O3=8×10−6 / grado vs. 316 ≈ 17×10−6 / grado). Esta falta de coincidencia de CTE provoca una brecha (grieta) entre la inclusión y la matriz durante los ciclos de calentamiento (hasta 90 grados) y enfriamiento. Esta grieta está llena de agua e iones de cloruro (incluso a<10 ppm) and constitutes the differential aeration cell that causes pitting. The pit then propagates by normal chloride driven mechanisms, but the bulk chloride is low. The number of pits is related to the number of oxide inclusions exposed at the surface.

Relación entre la fracción de volumen de inclusión de óxido y la cuantificación de la densidad de las picaduras a 90 grados

Las pruebas de inmersión controlada de 316 tubos de diversos procesos de producción de acero (EAF, AOD, VAR) en agua de alta pureza (8 ppm Cl⁻, 15 µS/cm de conductividad, pH 7,0) a 90 grados durante 5000 horas han establecido las siguientes densidades de iniciación de picaduras.

Fracción de volumen de inclusión de óxido normal (%) en el proceso de fabricación de acero Rango de tamaño de inclusiones (μm) Pozos/cm² después de 5000 horas a 90 grados Profundidad máxima de los pozos después de 5000 h (μm) Tiempo hasta el primer pozo estable (h) Servicio recomendado para agua de alta pureza
VAR (arco al vacío refundido)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Mejor ESR (electroescoria refundida) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5000-10 000 Excelente AOD (descarburado con argón y oxígeno) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2000-5000 Aceptable
AOD + tratamiento con calcio 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3,000 Marginal
EAF (horno de arco eléctrico, estándar) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500No aconsejable
EAF (mala calidad) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Inaceptable
Influencia de la concentración de cloruro en la inclusión-Umbral de picaduras inducidas

El inicio de las picaduras en las inclusiones de óxido se acelera incluso con la presencia de cloruros mínimos. La siguiente tabla ilustra el porcentaje de volumen de inclusión de óxido máximo permitido para 5 años de servicio en función de la concentración de cloruro a 90 grados.

Concentración de cloruro (ppm) Fracción de volumen de inclusión de óxido máxima permitida (%) Ruta de fabricación de acero propuesta Alternativa si se supera<1 0.020 AOD or betterNone 1-5 0.010 AOD + calcium therapyNone 5-10 0.005 AOD (premium) or ESR None 10-20 0.003 ESR or VAR 316L with electropolishing 
20-50 0.002 VARUactualización a 316L, pasivación50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Inclusión-Especificación controlada para el servicio de agua de alta pureza

Las especificaciones para calentadores con funda 316 para aplicaciones de agua de alta-pureza en los documentos de adquisición deben incluir lo siguiente:

Aplicación Cloruro máximo (ppm) Proceso de fabricación de acero requerido Fracción volumétrica de inclusión de óxido máxima Método de verificación
WFI farmacéutica (agua para inyección)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Enjuague de semiconductores (ultrapuro)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Agua de alimentación de caldera de alta-presión<5 ESR or AOD premium <0.005% (50 ppm) ASTM E45 Method A General high purity industrial <10 AOD with calcium treatment <0.010% (100 ppm) ASTM E45

Los compradores que necesitan inclusión controlada 316 tienen tres técnicas de verificación. El primero es ASTM E45 (Métodos de prueba estándar para determinar el contenido de inclusiones del acero), ya sea el Método A (peor campo) o el Método D (análisis de imágenes). Para aplicaciones de alta pureza, se especifica una severidad máxima de 0,5 para inclusiones de tipo B (alúmina). El segundo es la microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopia de rayos X-de energía dispersiva (EDS) en una sección transversal pulida-(500-1000×) que cuenta las inclusiones en 10 campos de visión. El umbral de aceptación es inferior a 10 inclusiones por mm 2 superior a 2 µm. La tercera prueba es una prueba de inmersión simplificada en la que se sumerge una muestra de tubo en agua de alta pureza (10 ppm Cl⁻) a 90 grados durante 1000 horas. Si hay hoyos visibles, el contenido de inclusión es demasiado alto.

Identificación de campo de picaduras por inclusiones de óxido

Las inclusiones de óxido son la causa probable de las picaduras de un calentador 316 en agua de alta calidad donde los cloruros son inferiores a 10-20 ppm. Microscópicamente (200-500×), el sitio de la fosa revelará una inclusión de Al 2 O 3 o espinela en el corazón de la fosa, la inclusión a menudo se desprende parcialmente. Los hoyos son pequeños (diámetro de 10 a 100 µm), numerosos y distribuidos uniformemente. El examen EDS del centro del pozo verifica O y Al. La solución para estos problemas es especificar VAR o ESR de grado 316 para futuras compras. El calentador no se puede reparar y debe reemplazarse con tubos de inclusión controlada.

Conclusión: Designación de VAR/ESR 316 para Servicio de Agua de Alta Pureza

Para calentadores envueltos en acero inoxidable 316 en agua de alta pureza (cloruros<10 ppm) at 90°C, the dominant pitting initiation mechanism is galvanic crevice attack at non-metallic oxide inclusions. Standard EAF steel with 0.015-0.03% oxide inclusion volume fractions produces 5-20 pits/cm2 and perforation in 2-5 years in 5,000 hours. VAR or ESR processing decreases the oxide inclusion volume percentage to <0.002-0.005% and increases the pit-free life to >10.000 horas. Si se especifican fundas 316 para su uso en aplicaciones farmacéuticas, de semiconductores o de calentamiento de agua ultra-pura, entonces los ingenieros deben necesitar material de grado VAR o ESR y realizar pruebas de contenido de inclusión según ASTM E45 con límites de severidad.<0.5 for Type B inclusions. The framework described correlates oxide inclusion volume percentage with measurable pit initiation density and service life. Buyers may now select 316 tubing that resists pitting even in the most aggressive high purity water situations.