ساخت مبدل حرارتی از استیل

قیمت انواع ورق استیل؛ واردات و فروش انواع ورق استیل مورد نیاز صنعت و ورق استنلس استیل در انواع گریدها و ابعاد مختلف. تلفن: 02188175909

برای بررسی استیل مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی باید ابتدا به تحلیل این دسته از آلیاژها پرداخت. ورق استیل آلیاژی بوده که درصد کروم آن به همراه، یا بدون عناصر آلیاژی دیگر کمتر از 12 درصد نباشد. ورق استیل در برابر زنگ زدن نسبت به کربن استیل و استیل کم آلیاژ مقاوم تر می باشد. این آلیاژ مقاومت به خوردگی عالی دارد، زیرا درصد کروم آن بالا می باشد. این فلزات به شکل کارشده و ریختگی در دسترس می باشند.
ورق استیل را می توان به 5 خانواده بر اساس ساختار متالورژیکی آن ها تقسیم بندی نمود:
1-ورق استیل مارتنزیتی
2- ورق استیل آستنیتی
3- ورق استیل فریتی
4- ورق استیل دوفازی
5- ورق استیل رسوب سختی
چهار دسته نخست توسط فازهای متالورژیکی شناخته می شوند. در آهن و استیل، به ساختار BCC فریت و به ساختار FCC آستنیت گفته می شود. بنابراین استنلس استیل فریتی یا آستنیتی حاوی مقادیر زیادی از این فازها هستند. فولاد زنگ نزن دوپلکس حاوی هر دو فاز فریت و آستنیت می باشد. پنجمین گروه ورق استیل آن هایی هستند که می توان با عملیات حرارتی پیرسازی، استحکام آن ها افزایش داد. این فولاد برای ساخت مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار نمی گیرد.

نامگذاری ورق استیل

استیل کارشده بر اساس استاندارد انستیتو آهن و فولاد آمریکا (AISI) و بر اساس ترکیب دسته بندی می شوند. فولاد زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni-Mn به عنوان سری 2xx و استیل آستنیتی Cr-Ni به عنوان سری xx3 و xx4 نامگذاری می شوند. فولادهای گرید رسوب سختی بر اساس درصد نیکل و کروم دسته بندی می شوند.

مشخصات ASTM برای ورق استنلس استیل

بیشتر انواع ورق استیل AISI مانند آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی و برخی انواع ویژه آن ها مانند سوپر فریتی و سوپر آستنیتی در A240 بیان شده است.

راهنمای انتخاب ورق استیل

راهنمای انتخاب انواع استیل توسط براون و دبولد به صورت جداگانه بررسی شده است. بر اساس پژوهش براون، در هنگام انتخاب گرید مناسب باید موارد زیر را در نظر گرفت:
1-انتخاب میزان مقاومت به خوردگی برای کاربرد مد نظر
2-انتخاب مقدار استحکام مورد نیاز
3-به علت وجود برخی مشکلات در هنگام ساخت باید آلیاژ پایه ای انتخاب شود که بهترین ویژگی ها را در ساخت داشته باشد.
4-انجام آنالیز هزینه شامل قیمت مواد اولیه، هزینه های نصب و تخمین عمر محصول نهایی
5-تعیین در دسترس بودن مواد اولیه که از نظر هزینه، مقرون به صرفه و از نظر کارایی مناسب باشد
از نظر دبولد باید انتخاب آلیاژ استیل بر اساس مقاومت به خوردگی و استحکام باشد.

ورق استیل مارتنزیتی

استیل مارتنزیتی از مقاومت به خوردگی کمتری دارند، چون به تنهایی حاوی 11 تا 18 درصد کروم هستند و مقدار کربن آن ها معمولا زیر 0.4 درصد است. حداقل مقدار کروم بر اساس مقاومت به خوردگی انتخاب می شود و بیشترین مقدار آن بر اساس مقدار لازم برای آستنیته کردن کامل آلیاژ در طی عملیات حرارتی مشخص می شود. یکی از ویژگی های کلیدی این گروه توانایی آن ها برای سخت شدن در حین عملیات حرارتی است. کارآیی این فولاد در مبدل های حرارتی و در محیط های آبی محدود می باشد.
اما این استیل ترکیب مفیدی از استحکام، چکش خواری، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط های ملایم نشان می دهد. مقاومت به خوردگی تنها زمانی در مورد این ماده ایجاد می شود که به طور کامل سخت و تمپر شده باشد. آلیاژ استیل AISI 410 یکی از پرکاربردترین گریدهای مارتنزیتی می باشد که گاهی اوقات در مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

متالورژی و خواص استیل آستنیتی

آلیاژ استیل آستنیتی تقریباً 80 تا 90% انواع استیل را تشکیل می دهند. این کلاس از استیل شامل آلیاژهای گروه 200 و 300 می شود که می توان آن ها را با کار سرد، سخت کرد. آلیاژهای سری 200 برای صرفه جویی در مصرف نیکل با جایگزینی آن با منگنز به وجود آمدند به شکلی که به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین شود. آلیاژ های سری 300 استیل ، آلیاژهای کم کربن-آهن-کروم هستند که با نیکل هم همراه هستند و گاهی اوقات منگنز یا نیتروژن هم دارند یا حاوی مجموعه ای از این عناصر هستند تا در اثر سرد کردن سریع در دمای اتاق به آستنیت تبدیل شوند. مقدار کروم در محدوده 15 تا 32 درصد، مقدار نیکل در محدوده 8 تا 37 درصد و مقدار کربن به کمتر از 0.03 درصد محدود شده است. کروم مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خوردگی در محیط خاص را ایجاد می کند.
کلاس های معمول استیل 3xx  شامل 304، 304L،309 ،310 ،316 ،316L،321 ،347 و 348 می شوند. آلیاژ پایه این گروه استیل 304، حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل می باشد. استحکام این آلیاژ و مقاومت به خوردگی آن متوسط و چقرمگی آن فوق العاده می باشد. برای بهبود مقاومت به خوردگی حفره دار شدن در برابر کلرید باید به آن مولیبدن اضافه نمود، که به این ترتیب آلیاژهای استیل 316 و 317 پدید می آیند. استیل 316 (18 درصد کروم، 12درصد نیکل، 2.5 درصد مولیبدن) و آلیاژ 317 (18 درصد کروم، 15 درصد نیکل، 3.5 درصد مولیبدن) در محیط های کلریدی مقاومت بیشتری نسبت به آلیاژ 304  از خود نشان می دهند.

خواص استیل آستنیتی عبارت است از 

- غیر مغناطیسی (نگیر)، داکتیل، کارسخت
- با عملیات حرارتی سخت نمی شوند.
- تک فاز از صفر کلوین تا دمای ذوب
- ساختار کریستالی  FCC
- جوشکاری آسان
- عدم ایجاد تردی 475 درجه سانتی گراد و تردی هیدروژنی
- عدم وجود دمای انتقال نرمی به تردی

توسعه آلیاژ آستنیتی

استیل آستنیتی به طور موفقیت آمیز در آب های شیرین و محیط های صنعتی با خورندگی ملایم به مدت 50 سال مورد استفاده قرار گرفته اند. مقاومت به خوردگی، جوشکاری و استحکام خانواده آلیاژ استیل آستنیتی دائما در کاربردهای صنعتی با تغییر ترکیب شیمیایی آن ها ثابت شده است. این ویژگی ها عبارتند از:
1-مولیبدن برای بهبود مقاومت به خوردگی در محیط های کلریدی مانند آلیاژ استیل 316 و 317 به کار می رود. مقاومت این فولادها در برابر حمله های شیمیایی نسبت به ورق استیل 304 بیشتر می باشد.
2-انواع ورق استیل کم کربن به رسوب کاربید در دمای 425 تا 870 درجه سانتی گراد مقاوم بوده و در نتیجه در حین جوشکاری دچار کاهش مقاومت به خوردگی نمی شود. معمولا توصیه می گردد که در دمای کمتر از 425 درجه سانتی گراد از این نوع فولاد استفاده شود.
3-نیتروژن برای جبران کاهش استحکام در استیل کم کربن یا گرید های L اضافه می شود. افزودن نیتروژن استحکام را در تمام دماها افزایش می دهد، مقاومت به خوردگی محلی را در محلول های اسید کلر دار افزایش داده، مقاومت به حفره دار شدن و پایداری فاز را نیز بهبود می دهد. افزودن نیتروژن پسیو شدن را نیز بهبود می دهد و اثر سایر عناصر آلیاژی را به خصوص کروم و مولیبدن را افزایش می دهد. درصد نیتروژن معمولا از 0.1 تا 0.25 درصد در استیل آستنیتی بیشتر نمی شود تا از مشکلات مربوط به ایجاد تخلخل در شمش، کارپذیری گرم و رسوب نیتروژن که در اثر حضور مقدار زیاد نیتروژن ایجاد می شوند، جلوگیری شود.
4-افزایش کروم برای افزایش مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری.
5-افزایش نیکل برای پایدار کردن ریزساختار آستنیتی و بهبود مقاومت به خوردگی تنشی و محیط های احیا کننده. اثر نیکل بر خوردگی تنشی با استفاده از منحنی کاپسون مشخص می شود.
6-گریدهای پایدار شده: اضافه کردن تیتانیم و نایبیم کاربیدهای پایدار ایجاد می کند، تخلیه کروم به وسیله تشکیل کاربیدهای کمپلکس کروم جلوگیری می کند و در نتیجه از حساس شدن مناطق جوش یا قطعات عملیات حرارتی شده جلوگیری می کند مانند استیل 321 که با تیتانیم و آلیاژ 347 که با نایبیم پایدار شده است.

کاربردهای استیل برای مبدل های حرارتی

استیل آستنیتی به دلیل قیمت پایین، مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی خوب در محدوده وسیعی از دما مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها به طور موفق در محیط های مختلف مانند اسیدها، آب های شیرین و آب های شور مورد استفاده قرار گرفته اند. از طرف دیگر آلیاژ فریتی و مارتنزیتی به دلیل چقرمگی کمتر در دمای اتاق کاربردهای محدود تری دارند. فاکتورهایی که استفاده از استیل را برای کاربرد در مبدل های حرارتی مناسب می کنند عبارتند از:
- مقاومت بالا به خوردگی یکنواخت مانند خوردگی سایشی
- مقاومت در برابر محلول هایی با pH بالا
- مقاومت به اکسیداسیون و سولفیداسیون
- سازگاری با روش های ساخت
- توانایی تمیز کردن آسان رسوبات با استفاده از روش های معمول شیمیایی و مکانیکی بدون ایجاد آسیب
- قابلیت رقابت با سایر موادی که معمولاً در ساخت مبدل های حرارتی به کار گرفته می شوند.
- پایداری خواص در حین کار
- سازگاری با مایعات فرآیند
- چقرمگی در کاربردهای برودتی و استحکام در دمای بالا
- مقاومت در برابر چسبندگی
- هدایت حرارتی متوسط
- پایداری ابعادی

استیل جدید برای کاربرد در مبدل های حرارتی

روش های جدید استیل سازی مانند AOD و VIM در دو دهه اخیر گرید های جدید از استیل فریتی، آستنیتی و دوپلکس را با ناخالصی های کم در محدوده وسیعی از عناصر آلیاژی برای کاربرد های خاص معرفی کرده است. در کنار ویژگی های خوب، استیل معایبی نیز دارند:
1-حساسیت به خوردگی شیاری زیر رسوبات
2-حساسیت به حفره دارشدن و خوردگی تنشی در حضور یون کلرید در دمای هوای بالاتر از 50 درجه سانتیگراد
3-حساس شدن منجر به خوردگی بین دانه ای می شود
4-حساس به رسوبات

خواص مکانیکی برای کاربردهای برودتی و دما بالا

اگرچه استیل آستنیتی در ابتدا به دلیل مقاومت به خوردگی بالا مورد استفاده قرار گرفتند، اما این آلیاژها خواص مکانیکی عالی در محدوده وسیعی از دما از دماهای زیر صفر تا دماهای بالا دارند.
ورق استیل آستنیتی بر خلاف استیل فریتی انتقال از نرمی به تردی را نشان نمی دهند. آن ها در دماهای پایین هم چقرمگی بالای خود را حفظ می کنند. استیل آستنیتی مانند 304، 304L، 316، 316L  و 347 در کاربردهای برودتی برای ذخیره گاز مایع و مخازن انتقال به کار گرفته می شوند.
ورق استیل آستنیتی استحکام خزش-گسیختگی خوبی در دماهای بالای 600 درجه سانتی گراد نشان می دهند. اگر استحکام خزشی بیشتر در دماهای بالاتر مد نظر باشد، افزودن وانادیم، نایبیم و تیتانیم الزامی است. اضافه کردن این عناصر آلیاژی منجر به افزایش استحکام و کاهش چقرمگی در دمای پایین می شود.
عناصر آلیاژی و ریزساختار ورق استیل
در آلیاژهای جوش پذیر فریتی و آستنیتی ریزساختار بسیار اهمیت دارد. اگرچه کروم و نیکل اصلی ترین عناصر آلیاژی در استیل آستنیتی هستند، سایر عناصر نیز برای ایجاد خواص ویژه به ترکیب آن ها اضافه می شوند و باید اثر آن ها را بر ریزساختار در نظر گرفت. مولیبدن، نایبیم و تیتانیم تشکیل فریت دلتا را در زمینه آستنیتی تقویت کرده و هم چنین کاربیدهایی مانند کروم تشکیل می دهند. از طرف دیگر مس، منگنز، کبالت، کروم، کربن و نیتروژن اثر مشابه با نیکل در تشکیل فاز آستنیت دارند. به این عناصر، عناصر آستنیت ساز می گویند.

گریدهای آلیاژی و کاربردهای آن ها در مبدل های حرارتی

مواد مقاوم برای استفاده در صنایع فرآیندی انواع استیل 304، 304L، 316 و 347 هستند. ورق استیل در کندانسور ها، هیتر های آب ورودی و سایر مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند و کاربرد وسیعی در پالایشگاه ها، صنایع شیمیایی، صنایع کود، صنایع خمیر سلولزی و کاغذ، صنایع غذایی و غیره دارند. خواص و کاربرد ورق استیل 304، 310، 316، 321 و 347 در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
آلیاژ استیل 304 محبوب ترین گرید این سری استیل است و در کاربردهایی به کار گرفته می شود که به ترکیب مناسبی از مقاومت به خوردگی و شکل پذیری نیاز دارند. ساختار یکنواخت، داکتیلیته بالا و استحکام عالی، عملکرد عالی در شکل دهی سرد، کشش عمیق و شکل دهی چرخشی تضمین می کند. این آلیاژ در حالت آنیل شده غیر مغناطیسی است. چقرمگی بسیار بالایی در دمای پایین دارد و برای ساخت مخازن برودتی از آن استفاده می شود. هم چنین برای کاربرد در سازه های جوشکاری شده که در آن ها محصول نهایی باید در محیط هایی با خورندگی بیشتر کار کند، مناسب است. مقاطع نازک را می توان بدون مشکلات مربوط به رسوب کاربید یا کاهش مقاومت به خوردگی جوش داد. بنابراین به همین دلیل عملیات حرارتی پس از جوش در بسیاری از موارد مورد نیاز نیست.
استیل 304 به شدت در برابر زنگ زدگی مقاوم است و در برابر مواد غذایی، بسیاری از مواد شیمیایی آلی، رنگ ها و تعداد زیادی از مواد شیمیایی معدنی ایمن است. این ماده در محلول های اکسید کننده مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد. این ماده مقاومت خوبی در برابر اسید نیتریک دارد اما در برابر اسید سولفوریک مقاومت متوسط و در برابر اسیدهای هالوژنی مقاومت ضعیفی از خود نشان می دهد. برای حصول بهترین نتیجه توصیه می شود که این ماده پسیو شود تا مقاومت به خوردگی ورق استیل حفظ شود. استنلس استیل 304 تا دمای 870 درجه سانتی گراد در برابر پوسته شدن مقاوم است. برای کاربردهایی که گرم شدن و سرد شدن مداوم در آن ها صورت می گیرد دما نباید از 815 درجه سانتی گراد فراتر رود، ماکزیمم دمای کارکرد مداوم ماکزیمم 898 درجه سانتی گراد است.

آلیاژ استیل 310

استیل 310 پرآلیاژ ترین ترکیب را در بین انواع ورق استیل محبوب آستنیتی دارد و بیشترین مقاومت را به خوردگی و اکسیداسیون نشان می دهد.

آلیاژ استیل 316

اضافه شدن مولیبدن در ترکیب این آلیاژ، بیشترین مقاومت در برابر حفره دار شدن را  نسبت به تمام گریدهای کروم-نیکل ایجاد کرده است و در نتیجه برای کاربردهایی با خوردگی بالای کلر مناسب هستند. بنابراین استیل 316 و 316L  هر دو مواد مقاومی در صنایع شیمیایی، خمیر سلولز و کاغذ هستند. استیل 316 در برابر سولفات ها، کلرید ها، فسفات ها و سایر نمک ها مقاوم است. با این حال مقاومت استیل 316 و 316L  در برابر حفره دار شدن در آب های آرام دریا با سرعت کمتر از 1.5 متر بر ثانیه به اندازه کافی بالا نیست. به همین دلیل در دو دهه اخیر گریدهایی با آلیاژهای بیشتر توسعه پیدا کرده اند. این فولادها به ورق استیل سوپرفریتی، دوپلکس و سوپر آستنیتی معروف شدند. آلیاژ استیل 316 برای کاربردهایی که به استحکام بالا و مقاومت به حرارت در دمای بالا نیاز دارند به کار گرفته می شود. به علت وجود مولیبدن مقاومت این فولاد در برابر خزش از استنلس استیل 304 بیشتر است. استیل 316 مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون دارد و نرخ پوسته شدن آن ها در اتمسفر معمولی و در دماهای بیشتر از 898 درجه سانتی گراد به طور متوسط و در دمای 851 درجه سانتی به صورت متناوب کاهش می یابد. می توان این فولاد را بدون مشکل خاصی جوش داد و معمولا نیازی به عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیست. این فولاد برای کاربردهایی که به استحکام بالا و مقاومت خزشی در دمای بالا نیاز دارند، استفاده می شود.
آلیاژ 321 (18 درصد کروم، 1.5 درصد نیکل، تیتانیم)، استیل 347 (18 درصد کروم، 11درصد نیکل، نایبیم) و استیل 348 (18 درصد کروم، 11 درصد نیکل، نایبیم) به دلیل عدم وجود کاربید کروم و در نتیجه عدم ایجاد حمله های بین دانه ای به نام "استیل پایدار شده" معروفند.

منبع: پاکمن