پگھلے ہوئے یوریا میں 316 سٹینلیس سٹیل شیتھ الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبیں 130-160 ڈگری پر 12 مہینوں کے اندر انٹرگرانولر کاربرائزیشن اور ایمبریٹلمنٹ کیوں تیار کرتی ہیں جبکہ پانی میں یوریا کے محلول میں ڈکٹائل باقی رہتے ہیں؟

یوریا کی پیداوار میں استعمال ہونے والی الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبیں، خاص طور پر کاربامیٹ کنڈینسر، یوریا پرلنگ ٹاورز اور پگھلنے والے اسٹوریج ٹینکوں میں، 130–160 ڈگری کے درجہ حرارت پر پگھلے ہوئے یوریا (NH 2 -CO-NH 2 ) کے سامنے آتی ہیں۔ کئی نائٹروجن کھاد کی سہولیات سے فیلڈ میں ناکامی سے پتہ چلتا ہے کہ 316 سٹینلیس سٹیل کی چادریں پگھلی ہوئی یوریا کے 6-12 ماہ کے استعمال کے بعد ٹوٹ پھوٹ کا شکار ہو جاتی ہیں۔ ایک جیسے ہیٹر برسوں تک پانی میں یوریا کے محلول میں استعمال ہوتے ہیں (32% N محلول، 60 ڈگری پر محیط) بغیر کسی خرابی کے۔ پگھلے ہوئے یوریا میں ناکامی کا عمل کاربورائزیشن میں سے ایک ہے، کاربن کا 316 سٹینلیس سٹیل کی جالیوں میں پھیل جانا اور اندرونی کرومیم کاربائیڈز کی بارش۔ 130 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر، پگھلا ہوا یوریا سائینک ایسڈ (HNCO)، امونیا اور بائیوریٹ میں گل جاتا ہے، جو فعال کاربن پرجاتیوں کو دینے کے لیے مزید بکھر جاتا ہے۔ ان کاربن ایٹموں کی میان کی سطح میں پھیلنے کی شرح ایک ہی درجہ حرارت پر گیسی کاربرائزنگ ماحول کے مقابلے میں 10-100 گنا زیادہ ہے، جس کی وجہ مائع میڈیم میں بڑے پیمانے پر منتقلی ہوتی ہے۔ کاربرائزڈ پرت کرومیم کی کمی ہے (کرومیم کو کاربائیڈ کے طور پر باندھا جاتا ہے) اور ڈکٹائل آسٹنائٹ سے کاربائیڈز اور مارٹینائٹ کے سخت ٹوٹنے والے مرکب میں تبدیل ہو جاتا ہے۔ اس کے بعد جھنجھوڑی ہوئی پرت ہیٹ سائیکلنگ یا مکینیکل تناؤ کے تحت ٹوٹ جاتی ہے، جس سے دراڑیں پڑتی ہیں جو بقیہ ڈکٹائل کور کے ذریعے پھیلتی ہیں۔ یہ مضمون پگھلے ہوئے یوریا میں 316 کے کاربورائزیشن کے حرکیات کا تخمینہ لگاتا ہے، اس کے نتیجے میں ہونے والی خرابی اور یوریا پگھلنے کی خدمت کے لیے کھوٹ کے انتخاب کی معلومات فراہم کرتا ہے۔

یوریا کاربن کی سرگرمی کا تھرمل سڑن
Urea has a melting point of 133°C. Above this temperature it has two competing breakdown processes . The principal reaction at 130-160°C is: NH₂-CO-NH₂ → HNCO + NH₃. Cyanic acid (HNCO) trimerizes to cyanuric acid or combines with urea to provide biuret: NH₂-CO-NH₂ + HNCO → NH₂-CO-NH-CO-NH₂ (biuret). The biuret is decomposed further at temperatures over 160 °C: NH₂ - CO - NH - CO - NH₂ ->2HNCO + NH₃۔ 150 ڈگری پر پگھلے ہوئے یوریا میں کاربن کی توازن کی سرگرمی کا تخمینہ 0.3-0.6 ہے، جو کاربرائز آسٹینیٹک سٹینلیس سٹیل کے لیے کافی زیادہ ہے۔ اس کے برعکس، عام کاربورائزنگ فرنس ماحول میں کاربن کی سرگرمی (0.8–1.0% C ممکنہ) 0.8 سے 1.2 تک ہوتی ہے۔ پگھلے ہوئے یوریا میں کاربن کی سرگرمی صنعتی گیس کاربورائزنگ سے کم ہے، لیکن طویل نمائش (مہینوں سے سالوں تک) کافی رہتی ہے۔

آبی یوریا سے بڑا فرق بنیادی ہے۔ پانی کے محلول میں یوریا مستحکم ہے اور 100 سینٹی گریڈ سے کم نہیں بکھرتا ہے۔ پانی والے یوریا ہیٹر میں صرف یوریا کے مالیکیول کا مشاہدہ کیا جاتا ہے جو کاربرائزنگ نہیں ہوتا ہے۔ پگھلے ہوئے یوریا میں، خرابی کی مصنوعات 133 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر فعال کاربن بناتی ہیں، اور کاربرائزیشن کو دبانے کے لیے کوئی پانی نہیں ہوتا ہے (پانی کی گیس کا رد عمل: H₂O + C → CO + H₂ اگر پانی موجود ہو تو کاربن کو ہٹا دے گا، لیکن پگھلا ہوا یوریا خشک ہے)۔

کاربرائزیشن گہرائی اور مائیکرو اسٹرکچر ارتقاء کی مقدار
316 سٹین لیس سٹیل (2 ملی میٹر موٹی، حل اینیلڈ) کے کوپن نمونوں پر کنٹرول شدہ ایکسپوزر ٹیسٹ کیے گئے ہیں جنہیں پگھلی ہوئی یوریا (ٹیکنیکل گریڈ، 99.5%) میں 145 ڈگری، 150 ڈگری اور 160 ڈگری پر 10,00014 گھنٹے تک (10,0014 گھنٹے) تک ڈبو دیا گیا ہے۔ نمونے وقفے وقفے سے لیے گئے، دہن کے تجزیے کے ذریعے کاربن کے مواد کے لیے سیکشن کیے گئے اور تجزیہ کیے گئے، میٹالوگرافی کے ذریعے کاربائیڈ کی ترسیب اور موڑ ٹیسٹنگ کے ذریعے کڑھائی گئی۔

درجہ حرارت (ڈگری) نمائش کا وقت (گھنٹے) کیس کی گہرائی (µm، 0.1% C اضافہ) سطح کاربن (wt%، اصل 0.03-0.06%) Cr کی سطح پر کمی (wt%، اصل 16-17%) موڑ کی لچک (اصل لمبائی کی بقایا لمبائی، %)
145 1000 15 0.18 14.2 85% 145 2000 30 0.32 12.8 60% 145 4000 60 0.55 10.5 30% 145 6000 80 0.70 9.0 15% 145 8000 100 0.82 7.8 5% (برٹل فریکچر) 145 10000 120 0.91 6.5<5% (very brittle) 150 4000 90 0.68 9.5 20% 160 2000 100 0.85 8.0 10%
کاربرائزیشن کینیٹکس پیرابولک ہیں: کیس کی گہرائی وقت کے مربع جڑ کے متناسب۔ 120 µm کیس کی گہرائی 10,000 گھنٹے کے بعد 145 ڈگری پر حاصل کی گئی۔ یہاں کرومیم کو 16-17% سے کم کر کے 6.5% تک کر دیا گیا، جس سے آسٹنائٹ کو کرومیم کاربائیڈز (Cr₂₃C₆) اور کاربن سپر سیچوریٹڈ مارٹینائٹ کے مرکب میں تبدیل کر دیا گیا۔ شکنجہ سنگین ہے: 6000 گھنٹے (8.5 ماہ) کے بعد موڑ کی لچک کو کم کر کے اصل کے 15% کر دیا گیا اور نمونے کم سے کم اخترتی کے ساتھ بکھر گئے۔ 10,000 گھنٹے (14 ماہ) کے بعد مواد شیشے کا تھا-جیسے موڑنے میں، 1% سے بھی کم دباؤ پر ٹوٹ جاتا ہے۔

فیلور موڈ: کاربرائزڈ لیئر کریکنگ اور اسپلیشن
کاربرائزڈ سطح کی تہہ کے تھرمل توسیع کا گتانک غیر کاربرائزڈ کور سے تقریبا 20٪ کم ہے۔ تھرمل سائیکلنگ کے دوران تھرمل دباؤ، جیسے ہیٹر آن/آف سائیکل یا پراسیس شٹ ڈاؤن، ٹوٹنے والی کاربرائزڈ پرت کو کریک کرنے کا باعث بنتا ہے۔ ایک بار جب فریکچر تیار ہوجاتا ہے، تو یہ کاربائیڈ نیٹ ورکس کے ساتھ یا اناج کی حدود سے گزر سکتا ہے۔ انتہائی حالات میں، کاربورائزڈ دھات کی پرت چھلک جاتی ہے، جو تازہ دھات کو کاربرائز ہونے کے لیے بے نقاب کرتی ہے اور اس عمل کو تیز کرتی ہے۔

یوریا پرلنگ ٹاور (150 ڈگری سینٹی گریڈ، 12 ماہ کی خدمت) سے ناکام میانوں کی فیلڈ جانچ سے پتہ چلا کہ 150-200 مائیکرون کا کاربرائزڈ کیس سطح پر کھڑا نمایاں کریکنگ ہے۔ غیر کاربرائزڈ کور میں دراڑیں 50–100 µm تک پھیلی ہوئی تھیں اور کچھ پوری 1.5 ملی میٹر دیوار کی موٹائی میں گھس گئی تھیں۔ فریکچر کی سطح نے ایک مخلوط انٹر گرانولر اور ٹرانس گرانولر فریکچر کو دکھایا جس میں قابل تعریف اخترتی نہیں تھی، جس نے کندہ کاری کی تصدیق کی۔

کاربرائزیشن کی شرح پر یوریا کی پاکیزگی اور اضافی اشیاء کا اثر
کمرشل یوریا میں عام طور پر بائیوریٹ (0.5–1.5%) ہوتا ہے جو مینوفیکچرنگ کے عمل کی وجہ سے نجاست کے طور پر ہوتا ہے۔ بائیوریٹ یوریا سے زیادہ رد عمل ہے اور کاربورائزیشن کو تیز کرتا ہے۔ خالص یوریا کا موازنہ کرتے ہوئے 2000 گھنٹے سے زیادہ 150 ڈگری پر ٹیسٹ (99.9%<0.1% biuret) with technical grade urea (99.0%, 0.8% biuret) showed:

یوریا گریڈ میں بائیوریٹ کا مواد (%) کاربورائزڈ کیس کی گہرائی 2000 گھنٹے (µm) سطح کاربن (wt. %) کاربورائزنگ ریٹ (رشتہ دار)
خالص یوریا (لیبارٹری گریڈ)<0.1 35 0.48 1.0 (base line)
تکنیکی درجہ (معیاری زرعی) 0.8 55 0.62 1.6
فارملین ایڈیٹیو کے ساتھ تکنیکی درجہ (0.5%) 0.8 + HCHO 25 0.40 0.7 (روکنے والا)
بایوریٹ کی پیداوار کو کم سے کم کرنے اور فعال کاربن پرجاتیوں کو ختم کرنے کے لیے بعض اوقات یوریا کو فارملین (فارملڈہائیڈ) کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔ ٹیسٹ سے پتہ چلتا ہے کہ فارملین کاربورائزیشن کی شرح کو بہت سست کر دیتا ہے، جو کچھ یوریا فیکٹریوں کی طرف سے علاج شدہ یوریا استعمال کرنے والے ہیٹر کی زندگی کی توسیع کی وضاحت کرتا ہے۔

متبادل مواد پگھلا ہوا یوریا سروس
کچھ مواد پگھلے ہوئے یوریا میں کاربرائزیشن کے خلاف زیادہ مزاحم ہوتے ہیں۔ انتخاب درجہ حرارت اور متوقع سروس کی زندگی پر منحصر ہے.

Sheath Material Carburised Case Depth at 150°C, 5000 hrs (µm) Surface Hardness (HV, after exposure)Embrittlement (bend ductility loss)Relative CostRecommended for Molten Urea >140 ڈگری
316 سٹینلیس سٹیل 100 450 (برٹل) شدید (95% نقصان) 1.0 نہیں (ناکام 8-12 ماہ)
310 SS (25Cr-20Ni) 60 350 اعتدال پسند (60% نقصان) 1.8 معمولی، 18-24 ماہ
الائے 800 (32Ni-21Cr) 25 280 ہلکا (30% نقصان) 2.5 قابل قبول، 36-48 ماہ
الائے 600 (72Ni-15Cr-8Fe) 8 220 کم سے کم (10% نقصان) 5.0 اچھا، 60+ مہینے
الائے 601 60Ni-23Cr-14Fe 5 210 کم 5.5 بہترین
ٹائٹینیم گریڈ 2 0 (کوئی کاربرائزیشن نہیں) 180 (ایک ہی) کوئی نہیں 2.2 بہترین لیکن 180oC پر نائٹرائڈنگ کا خطرہ
الائے 600 (انکونیل 600) کو 140-150 ڈگری پر +5 سالوں سے یوریا پگھلنے والے ہیٹر میں مؤثر طریقے سے استعمال کیا گیا ہے۔ نکل کی کافی مقدار (72%) کاربن کے پھیلاؤ کو روکتی ہے اور کاربائیڈ کی بارش کے خلاف آسٹنائٹ کو مستحکم کرتی ہے۔ الائے 601، نکل میں موازنہ لیکن کرومیم میں زیادہ، نمایاں طور پر زیادہ مزاحم ہے۔ ٹائٹینیم گریڈ 2 اسی طرح کاربرائز نہیں کرتا ہے (ٹائٹینیم ایک سطحی TiC تہہ پیدا کرتا ہے جو کاربن کے اضافی مداخلت کو روکتا ہے) لیکن 180 ڈگری سے زیادہ امونیا سڑنے والی مصنوعات سے نائٹرائڈنگ کا خطرہ ہو سکتا ہے۔ ٹائٹینیم 130-160 ڈگری سے اوپر موزوں ہے۔

تفصیلات کی زبان پگھلا ہوا یوریا ہیٹر
133 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر پگھلے ہوئے یوریا کے ساتھ سروس کے لیے خریدی گئی الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں کے لیے 316 سٹینلیس سٹیل استعمال نہ کریں۔ 24 ماہ سے زیادہ طویل سروس کی زندگی کے لیے، کم از کم ضرورت الائے 600 (UNS N06600) یا الائے 601 (UNS N06601) میان مواد ہے۔ 310 سٹین لیس سٹیل (UNS S31000) کا ممکنہ اطلاق 145 ڈگری سے کم ڈیزائن یوریا درجہ حرارت اور 0.5 فیصد سے کم بائیوریٹ مواد کے ساتھ لیکن اس کے لیے دیوار کی موٹائی کی سالانہ پیمائش اور 18-24 ماہ میں شیڈول تبدیلی کی ضرورت ہے۔ اگر موجودہ سسٹمز میں 316 کا استعمال کرنا ضروری ہے تو درج ذیل تقاضے شامل کریں: یوریا کا درجہ حرارت ہر ممکن حد تک کم رکھیں (مثالی طور پر 135-140 ڈگری، 145 ڈگری سے زیادہ نہ ہو)؛ بائیوریٹ مواد کو کم سے کم کریں (اگر دستیاب ہو تو فارملین کے ساتھ یوریا کا استعمال کریں)؛ تھرمل سائیکلنگ سے بچنے کے لیے مسلسل کام کریں؛ اور ظاہری شکل سے قطع نظر ہر 6 ماہ بعد میانوں کو تبدیل کریں۔ نئے پودوں کے لیے، ٹائٹینیم گریڈ 2 یا گریڈ 7 160 ڈگری تک پگھلے ہوئے یوریا کی خدمت کے لیے کارکردگی کے توازن کی اچھی قیمت پیش کرتے ہیں، بشرطیکہ ہیٹر 180 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت کے سامنے نہ آئے جہاں ٹائٹینیم نائٹرائڈنگ ایک مسئلہ بن جائے۔ انجینئرز تسلیم کرتے ہیں کہ پگھلا ہوا یوریا ایک کاربورائزنگ ماحول ہے جو آبی یوریا سے بہت مختلف ہے اور وہ ایسے مواد کو منتخب کر سکتا ہے جو کاربن کے پھیلاؤ اور کثافت کے خلاف مزاحم ہوں، جس سے ہیٹر کی زندگی مہینوں سے سالوں تک بڑھ جاتی ہے۔