316 سٹینلیس سٹیل ہیٹر شیتھس پر سطح کی ڈیکاربرائزیشن پرت کی گہرائی کیوں ہے

پتلی-دیوار والی ٹیوب میں نقص کو محدود کرنے والی طاقت کے طور پر کاربن ڈیپلیشن زون

316 سٹینلیس سٹیل سے لپٹے ہوئے الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں کی اینیلنگ کے محلول میں، جو کہ عام طور پر 1040-1100 ڈگری کے درجہ حرارت پر کنٹرولڈ ماحول کی بھٹی میں کی جاتی ہے، بھٹی کے ماحول کے ساتھ گرم دھات کی سطح کا رابطہ ڈیکاربرائزیشن پرت کی تشکیل کا سبب بن سکتا ہے۔ یہ تہہ 10 اور 150 µm کے درمیان گہری ہے اور اس میں کاربن کا ارتکاز بنیادی دھات سے کم ہے (عام طور پر برائے نام 0.03-0.08 % C کے مقابلے میں 0.02 % C سے کم)۔ موٹی سیکشن کے اجزاء میں ڈیکاربرائزیشن ایک معروف مسئلہ ہے، لیکن اس کا اثر پتلی دیواروں والی ہیٹر شیتھوں (1.0-2.0 ملی میٹر دیوار کی موٹائی) میں غیر متناسب طور پر شدید ہے۔ ڈیکاربرائزڈ پرت میں اعلی درجہ حرارت (550 ڈگری سے زیادہ) پر کم رینگنے کی طاقت ہوتی ہے اور یہ رینگنے والے گہاوں کی تخلیق اور اس کے نتیجے میں ٹوٹنے کے لیے ترجیحی جگہ بن جاتی ہے۔ ڈیکاربرائزیشن کی گہرائی 600 ڈگری سے زیادہ میان کے درجہ حرارت کے ساتھ اعلی درجہ حرارت کی ہوا یا گیس سروس میں استعمال ہونے والے ہیٹروں کے لئے باقی کریپ ٹوٹ جانے کی زندگی کا براہ راست تعین کرتی ہے۔ یہ مضمون decarburisation کی گہرائی، دیوار کی موٹائی کا حصہ، اور کریپ لائف میں کمی کے درمیان تعلق کا جائزہ لیتا ہے اور کنٹرول شدہ ماحول کی اینیلنگ کے لیے وضاحتی حدود فراہم کرتا ہے۔

حل اینیلنگ کے عمل میں ڈیکاربرائزیشن میکانزم

316 سٹینلیس سٹیل کے حل کی اینیلنگ کا بنیادی مقصد پچھلی پروسیسنگ کے دوران جمع کیے گئے کسی بھی کرومیم کاربائیڈ کو تحلیل کرنا اور اناج کے ڈھانچے کو دوبارہ کرسٹالائز کرنا ہے۔ اس میں کافی وقت کے لیے 1040-1100 ڈگری تک گرم کرنا شامل ہے (اکثر حصے کی موٹائی کے لحاظ سے 5-30 منٹ)۔ اس طرح کے درجہ حرارت پر کاربن آسٹینائٹ جالی میں بہت زیادہ متحرک ہوتا ہے (10-10 m2/s کی ترتیب کا پھیلاؤ گتانک)۔ اگر بھٹی کے ماحول میں آکسیجن، آبی بخارات یا کاربن ڈائی آکسائیڈ ہو، تو یہ آکسیڈائزنگ انواع دھات کی سطح پر کاربن کے ساتھ رد عمل ظاہر کر کے کاربن مونو آکسائیڈ یا کاربن ڈائی آکسائیڈ پیدا کریں گی جو سطح کو چھوڑ دے گی۔ کاربن کا ارتکاز میلان اندر سے سطح تک کاربن کے پھیلاؤ کا سبب بنتا ہے اور decarburisation کا عمل جاری رہتا ہے۔ مکمل طور پر آکسیڈائزنگ ماحول (ہوا) میں ڈیکاربرائزیشن کی گہرائی 1050 ڈگری پر 20 منٹ کے بعد 100-200 µm تک پہنچ سکتی ہے۔ ڈیکاربرائزیشن کو کم کیا جاتا ہے لیکن ہائیڈروجن ماحول میں ختم نہیں کیا جاتا ہے (روشن اینیلنگ کی مخصوص) کیونکہ نمی یا آکسیجن کی تھوڑی مقدار اب بھی رد عمل ظاہر کرے گی۔ غیر فعال ماحول میں ڈیکاربرائزیشن جیسے آرگن یا نائٹروجن (فرض کریں کہ گیس اعلی پاکیزگی کی ہے، یعنی آکسیجن کا مواد <10 پی پی ایم) کم سے کم ہے۔ پتلی ٹیوب کی دیوار کی وجہ سے ہیٹر شیتھوں کے لیے ڈیکاربرائزیشن گہرائی اہم ہے۔ 1.5 ملی میٹر کی دیوار کی 100 µm ڈیکاربرائزڈ پرت موٹائی کا 6.7% ہوگی لیکن کریپ کی طاقت میں کمی اسی موٹائی سے کافی زیادہ ہے اس حقیقت کی وجہ سے کہ ڈیکاربرائزڈ زون میں بارش کو مضبوط بنانے کے لیے کم کاربن دستیاب ہے۔ 650 ڈگری پر آنے والی رینگنے والی ٹوٹ پھوٹ کی زندگی کو مکمل طور پر کاربرائزڈ یا کاربرائزڈ نیوٹرل شیتھ کے مقابلے میں 50-80% تک کم کیا جا سکتا ہے۔

کریپ رپچر پراپرٹیز پر ڈیکاربرائزیشن گہرائی کا مقداری اثر

316 سٹین لیس سٹیل کی 650 ڈگری اور 700 ڈگری پر کنٹرول شدہ سطح کاربن مواد کے ساتھ کریپ ٹیسٹنگ نے ڈیکاربرائزڈ گہرائی اور دیئے گئے تناؤ میں پھٹنے کے وقت کے درمیان ایک اعلی تعلق ظاہر کیا۔ 50 MPa کے مسلط شدہ ہوپ اسٹریس کے لیے (محدود ہیٹر میں تھرمل توسیع کی وجہ سے اندرونی دباؤ)، 1.5 ملی میٹر دیوار کی موٹائی والی ٹیوب کی پھٹنے والی زندگی اور مکمل طور پر کاربرائزڈ مواد سے بنی ہے (0.06 % C تمام) تقریباً 10,000-15,650 ڈگری گھنٹے پر۔ اگر اندرونی اور بیرونی سطحوں (کل 100 µm متاثر) پر 50 µm کی ڈیکاربرائزڈ پرت (کاربائیڈ 0.01-0.02% تک کم ہو گئی) موجود ہے تو پھٹنے کی زندگی 5,000-8,000 گھنٹے تک کم ہو جاتی ہے-40-50% rection۔ جب ڈیکاربرائزڈ پرت ہر سطح پر 100 µm تک پہنچ جاتی ہے (مجموعی طور پر 200 µm، دیوار کی موٹائی کا 13%)، ٹوٹنے کی زندگی کم ہو کر 2 000-4 000 h رہ جاتی ہے۔ ڈرامائی کمی اس وجہ سے ہوتی ہے کیونکہ کریپ کیویٹیز ترجیحی طور پر ڈی کاربرائزڈ پرت میں چھوٹے کاربائیڈ کے بغیر اناج کی سرحدوں کو پن کرنے اور اناج کی باؤنڈری سلائیڈنگ میں رکاوٹ پیدا کرتی ہیں۔ جب وہ ایک نازک سائز تک پہنچ جاتے ہیں تو وہ ایک ایسی دراڑ میں ضم ہو جاتے ہیں جو بقیہ دیوار میں پھیلتی ہے، جس سے قبل از وقت پھٹ پڑتی ہے حالانکہ دیوار کی موٹائی کا بڑا حصہ اب بھی کافی کاربن رکھتا ہے۔ انتہائی درجہ حرارت پر عام 316 ہیٹر سروس کے لیے decarburisation کی گہرائی، دیوار کی موٹائی کا حصہ اور بقایا کریپ ٹوٹنے کی زندگی کے درمیان تعلق نیچے دیے گئے جدول میں دکھایا گیا ہے۔

Maximum Decarburisation Depth per Surface (µm) Wall Thickness (mm) Decarburized Fraction of Wall (%) Creep Rupture Life at 650 °C, 50 MPa (hours, relative to fully carburized) Recommended Maximum Service Temperature (°C) for 10,000-hour Life 0-10 None detectable 1.5 0-1.3 100 % (10,000-15,000) 650 10-25 1.5 1.3-3.3 80-95 % (8,000-12,000) 645 25-50 1.5 3.3-6.7 60-80 % (6,000-10,000) 635 50-75 1.5 6.7-10.0 45-60 % (4,500-7,500) 625 75-100 1.5 10.0-13.3 30-45 % (3,000-5,500) 610 100-150 1.5 13.3-20.0 15-30 % (1,500-3,500) 590 >150 1.5 >20.0 <15 % (<1,500) Not recommended above 550 Atmosphere Control During Annealing As The Primary Preventive Measure

نقصان دہ ڈیکاربرائزیشن سے بچنے کے لیے بہترین تکنیک یہ ہے کہ کنٹرول شدہ ماحول میں اینیل کو حل کیا جائے، یا تو ہلکے سے کاربورائزنگ (کاربن کی صلاحیت سٹیل کے کاربن مواد کے برابر یا اس سے کچھ زیادہ) یا آکسیجن کی صفائی کے ساتھ مکمل طور پر غیر فعال ہو۔ منقطع امونیا (75% H2، 25% N2) یا خالص ہائیڈروجن کا استعمال کرنے والی روشن اینیلنگ بھٹیاں سختی سے کم کرنے والے حالات فراہم کرتی ہیں اور سطح کو آکسیکرن اور ڈیکاربرائزیشن سے بچاتی ہیں۔ لیکن یہاں تک کہ ہائیڈروجن ماحول بھی ڈیکاربرائزیشن پیدا کر سکتا ہے اگر اوس کا نقطہ کافی زیادہ ہو (-40 ڈگری سے اوپر)، کیونکہ پانی کے بخارات کاربن کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتے ہیں۔ اہم ہیٹر ایپلی کیشنز کی صورت میں، یہ تصریح کہ اینیلنگ کو خشک ہائیڈروجن (ڈو پوائنٹ <-50 ڈگری) یا ویکیوم (10⁻³ ٹار سے نیچے پریشر) میں کیا جانا چاہیے اس بات کی ضمانت دیتا ہے کہ ڈیکاربرائزیشن کی گہرائی 10 µm سے کم رکھی جائے گی۔ ایئر فرنس (سب سے زیادہ مروجہ قسم کے سستے ہیٹر) کے پروڈیوسر کے لیے، ڈیکاربرائزیشن کی گہرائی عام طور پر 100-200 µm ہوتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ میان 550 ڈگری سے زیادہ کسی بھی سروس کے لیے قابل قبول نہیں ہے۔ خریداروں کو اینیلنگ ماحول اور اوس پوائنٹ کی قسم کا ثبوت طلب کرنا چاہیے، اور ہر پروڈکشن بیچ سے ایک نمونے کے تباہ کن میٹالوگرافک تجزیہ کی درخواست کرنی چاہیے تاکہ ASTM E1077 کے مطابق ڈیکاربرائزیشن گہرائی کی پیمائش کی جا سکے۔

ڈیکاربرائزیشن کی وجہ سے رینگنے کی ناکامی کا فیلڈ ثبوت

ناکام ہائی-درجہ حرارت کے سروس ہیٹر کے لیے، ڈیکاربرائزیشن کی تصدیق ناکامی کی جگہ پر کراس- سیکشن کی میٹالوگرافی کے ذریعے کی جا سکتی ہے۔ جب آپٹیکل مائیکروسکوپی کی طرف سے گلیسریجیا یا الیکٹرولائٹک آکسالک ایسڈ کے ساتھ اینچنگ کے بعد جانچ پڑتال کی جاتی ہے تو ڈیکربرائزڈ زون سطح پر ایک بے خصوصیت سفید پرت کے طور پر ظاہر ہوتا ہے، جو کاربائیڈ کے پرزے سے پاک ہوتا ہے جو بنیادی مائیکرو اسٹرکچر میں موجود ہوتا ہے۔ مائیکرو ہارڈنیس ٹیسٹنگ نے انکشاف کیا ہے کہ ڈیکاربرائزڈ زون نرم ہے۔ ڈیکاربرائزڈ زون میں وکرز کی سختی 120-140 HV، اور غیر متاثرہ کور میں وِکرز کی سختی 160-200 HV ہے۔ ڈیکاربرائزیشن-کی حوصلہ افزائی کریپ کی ناکامی کی فریکچر سطح پلاسٹک کی تھوڑی سی اخترتی کے ساتھ انٹرگرانولر کریکنگ کو ظاہر کرتی ہے، یعنی یہ ٹوٹنے والی لگتی ہے جبکہ مواد کمرے کے درجہ حرارت پر تناؤ کی جانچ میں نرم ہوتا ہے۔ دراڑیں عام طور پر باہر کی سطح سے شروع ہوتی ہیں (جہاں تھرمل توسیع سے رینگنے والی قوتیں سب سے زیادہ ہوتی ہیں) اور اندر پھیل جاتی ہیں۔ فیلڈ تشخیص کے لیے ایک آسان ٹیسٹ یہ ہے کہ ناکام ہونے والی میان پر ایک چھوٹے سے فلیٹ کو پیس کر 60 سیکنڈ کے لیے 6 V DC پر 10% آکسالک ایسڈ محلول کے ساتھ پالش اور اینچ کریں۔ اگر سطح پر ایک روشن بینڈ دیکھا جائے تو ڈیکاربرائزیشن موجود تھی۔ وقفے وقفے سے میان کے قطر کی پیمائش کا استعمال کریپ سوجن کے لیے ان سروس ہیٹر کی نگرانی کے لیے کیا جا سکتا ہے - قطر میں 2-3% کا اضافہ ایڈوانس کریپ نقصان کی نشاندہی کرتا ہے اور باقی وقت سے قطع نظر ہیٹر کو تبدیل کرنا چاہیے۔

تخفیف کی حکمت عملی جب ڈیکاربونائزیشن ناگزیر ہو۔

پیداوار کے معاملات کے لیے جہاں کنٹرول شدہ ماحول کی اینیلنگ کا استعمال نہیں کیا جاتا ہے، وہاں کریپ لائف پر ڈیکاربرائزیشن کے نقصان دہ اثر کو کم کرنے کے لیے تین طریقے ہیں۔ سب سے پہلے ایک بھاری وال ٹیوب کی وضاحت کرنا ہے، مثلاً 1.5 ملی میٹر کی بجائے. 2.5 ملی میٹر کی دیوار، تاکہ ڈیکاربرائزڈ کیس دیوار کی موٹائی کا کم حصہ ہو۔ مثال کے طور پر، 2.5 ملی میٹر دیوار پر 100 µm ڈیکاربرائزڈ پرت 4% موٹائی ہے، جو کہ 1.5 ملی میٹر دیوار پر 30 µm ہے، ایک قابل قبول سطح ہے۔ دوسرا آپشن یہ ہے کہ پوسٹ-سرفیس کو ہٹانے کا آپریشن کیا جائے جیسا کہ سینٹر لیس گرائنڈنگ یا الیکٹرو پولشنگ جو بیرونی سطح سے 50-100 µm مواد کو ہٹاتی ہے، اس طرح ڈیکاربرائزڈ زون کو مکمل طور پر ہٹا دیتا ہے۔ یہ اخراجات میں اضافہ کرتا ہے، لیکن رینگنے والی خصوصیات کو بحال کرتا ہے. تیسرا طریقہ یہ ہے کہ سروس کے زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت کی تفصیلات میں نرمی کی جائے۔ کریپ کی شرح تیزی سے درجہ حرارت پر منحصر ہے، اس لیے 100 µm ڈیکاربرائزڈ پرت والا ہیٹر جو 650 ڈگری پر 3,000 گھنٹے میں پھٹ جائے گا 580 ڈگری پر 15,000 گھنٹے چل سکتا ہے۔ ایسی ایپلی کیشنز کے لیے جہاں سروس کے درجہ حرارت کو کم نہیں کیا جا سکتا، سب سے مضبوط متبادل یہ ہے کہ اعلی-کریپ سٹرینتھ الائے جیسے کہ 310 سٹینلیس سٹیل یا انکونل 600 پر سوئچ کیا جائے، ان دونوں کے ڈیکاربرائزیشن کے رویے مختلف ہیں۔

نتیجہ: ہائی ٹمپریچر سروس کے لیے اینیلنگ ایٹموسفیئر کنٹرول کی تفصیلات

The depth of surface decarburisation during solution annealing is a significant quality criterion for 316 stainless steel encased heaters for continuous service above 550 °C in air or gas environments, and directly influences the remaining creep rupture life. For decarburisation depths >50 µm فی سطح، 650 ڈگری پر کریپ لائف آدھے سے زیادہ کم ہو جاتی ہے، جو ہیٹر لائف کو 10,000 گھنٹے سے کم کر کے 4,000 گھنٹے سے کم کر دے گی۔ ہائی ٹمپریچر ایپلی کیشنز کے لیے ہیٹر بتانے والے انجینئرز کو اینیلنگ ماحول (خشک ہائیڈروجن یا ویکیوم ترجیحی) کی تصدیق کی درخواست کرنی چاہیے، میٹالوگرافی کے ذریعے 25 µm کی زیادہ سے زیادہ ڈیکاربرائزیشن گہرائی کی توثیق کی جائے، اور اہم سروس کے لیے درجہ حرارت کے کریپ ٹیسٹ کی بہتر سرٹیفیکیشن۔ مجوزہ فن تعمیر ڈیکاربرائزیشن کی گہرائی کو دستیاب کریپ لائف میں کمی سے جوڑتا ہے، تاکہ خریدار 316 انکیزڈ ہیٹر کی وضاحت کر سکیں جو مکمل طور پر روکے جانے والے سطح کاربن کو ہٹانے کے طریقہ کار کی وجہ سے جلد ناکام نہیں ہوں گے، لیکن اپنے اعلی درجہ حرارت کی طاقت کو برقرار رکھیں گے۔