デュアルグレードステンレス鋼304 / 304L、316 / 316L

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オーステナイト系ステンレス鋼は最も広く使用されているステンレス鋼であり、ステンレス鋼の総消費量の約75％を占めています。 化学産業と石油化学産業の急速な発展により、ステンレス鋼の耐食性と強度に対するより高い要件が提唱されています。 たとえば、304 / 304Lデュアルグレードステンレス鋼は、炭素含有量が0.03％未満であり、304Lグレードを満たしていることを意味しますが、歩留まりと引張強度は304ステンレス鋼の下限よりも高く、ステンレス鋼は次のように定義されます 304 / 304L デュアルグレードのステンレス鋼、つまり、その化学組成は304Lの化学組成を満たし、機械的特性は304ステンレス鋼の要件を満たしています。 同様に、ステンレス鋼板は、304H（最小304％）の要件を満たすのに十分な炭素含有量があり、304Hの粒径と強度の要件も満たすため、0.040 / 304Hの二重認定を受けることができます。316/316L およびその他のデュアルグレードのステンレス鋼。

最も重要なのは、炭素の違いとその結果生じる強度です。 炭素は効果的なオーステナイト安定化元素であり、特に高温でステンレス鋼の強度を向上させる不純物または合金元素と見なすことができます。 ほとんどのオーステナイト系ステンレス鋼の炭素含有量は0.02％〜0.04％未満です。 溶接後の耐食性を高めるため、低炭素グレードのステンレス鋼の炭素含有量を0.030％以下に抑えています。 高温強度を向上させるために、高炭素または「H」グレードの炭素含有量を0.04％以上に維持しています。

面心立方構造の小さな炭素原子は、大きなCr、Ni、Mo原子間の格子ギャップにあり、転位運動を制限し、延性変形を妨げ、ステンレス鋼を強化します。 溶接工程などの高温条件下では、炭素はクロムに富む炭化物を含むステンレス鋼マトリックスにクロムを析出させる傾向が強く、第XNUMX相は粒界ではなく粒界に析出する傾向があるため、炭化クロムは粒界で形成しやすい。

クロムはステンレス鋼の耐食性を高めるために必要な要素ですが、炭化クロムはステンレス鋼マトリックスから除去されているため、ここでの耐食性は他のステンレス鋼マトリックスよりも劣っています。 炭素含有量を増やすと温度範囲が広がるため、増感または耐食性の損失の時間が短縮され、炭素含有量を減らすと溶接での炭化物の形成を遅らせるか完全に回避できます。 304Lや316Lなどの低炭素グレードの炭素含有量は0.030％未満であり、6％Moステンレス鋼の炭素含有量などの高合金オーステナイトグレードのほとんどは0.020％未満です。 炭素含有量の減少による強度の低下を補うために、ステンレス鋼を強化するために別の侵入型元素窒素が時々追加されます。

デュアルグレードステンレス鋼は、従来のステンレス鋼の高強度と超低炭素ステンレス鋼の耐食性の両方を備えています。 ほとんどのオーステナイト系ステンレス鋼の弱い溶接継手性能の問題を解決することができ、低温LNG受入ステーション機器や大口径パイプラインで広く使用されています。 デュアルグレードステンレス鋼の価格は、基本的に超低炭素ステンレス鋼と同じです。 現在、いくつかの中国の製鉄所が成熟市場向けのグレードを供給できます。興味のある方は、お問い合わせください。

 

スーパー304H鋼とは何ですか？

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超々臨界圧ユニットの開発により、従来の18-8オーステナイト系ステンレス鋼（TP304H鋼など）の高温強度は、600℃の蒸気パラメータではニーズを満たすことができませんでした。 このため、日本住友金属株式会社は、TP347HFG鋼、SUPER304H鋼、HR3C鋼など、ユニットのボイラー加熱面パイプライン用の新しい材料を開発しました。 スーパー304H鋼は新しいタイプの 18-8鋼、主に金属壁温度が700℃を超えない超々臨界圧ボイラーの過熱器および再熱器の製造に使用されます。 現在、ドイツのShasqida Mannesmann（以前のDMV Company）も、グレードDMV304HCUの同様の鋼管を製造しています。

Super304H鋼は、TP304H鋼をベースにMn、Si、Cr、Niの含有量を減らし、2.5％〜3.5％のCu、0.30％〜0.60％のNb、0.05％〜0.12％のNを添加した鋼です。使用中に拡散析出相と銅に富む強化相を生成するために、NbC（N）、NbCrN、およびM23C6で析出強化が発生し、使用温度での許容応力が大幅に増加し、600〜650℃での許容応力は30％です。 TP347H鋼よりも高い。 鋼の耐蒸気酸化性はTP347HFG鋼に匹敵し、TP321H鋼よりも大幅に優れています。 ASMEコードケース2328、ASTM A-1規格に記載されており、番号はS213です。

 

スーパー304Hの化学組成

C Si Mn P S Cr Ni N Al B Nb Cu V Mo
0.08 0.21 0.79 0.03 0.001 18.42 8.66 0.11 0.007 0.004 0.5 2.77 0.04 0.35

 

スーパー304Hの機械的性質

降伏強さ、Mpa 引張強さ、Mpa 伸び、％
360/350 640/645 58/60

 

超々臨界圧ユニットの蒸気パラメータが高いため、発電所の高温圧力部品に使用される鋼の耐酸化性が非常に重要になります。 一般的に、スーパー304H鋼管の内壁は、蒸気酸化防止性能を向上させるためにショットブラストされています。 鋼管の内面に厚さ30μmのショットブラスト層を形成し、非ショットピーニング鋼管に比べて微細構造を微細化した。 650℃、600時間の蒸気酸化試験後、ショットブラスト処理した鋼管の酸化物層の厚さが薄く、緻密になり、鋼管の耐蒸気酸化性が向上します。 現在、中国のいくつかの主要な製鉄所は、GB 10-8で指定されている同様のグレードの9CrL3Ni5310NbCu2008Bnを製造しており、現在、中国のいくつかの超々臨界圧ユニットプロジェクトで使用されています。

304ステンレス鋼は磁性ですか？

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通常の消費者はステンレス鋼についていくつかの誤解を持っています、彼らは磁​​性ステンレス鋼が304ステンレス鋼の資格を持っていないと思います。 ご存知のように、ステンレス鋼は、室温での構造に応じて、201、304、321、316、310などのオーステナイト、430、420、410などのマルテンサイトまたは第二鉄に分類できます。オーステナイトは非磁性または弱磁性です。マルテンサイトまたはフェライトは磁性を帯びています。 304はオーステナイト系ステンレス鋼の代表的なグレードであり、優れた加工性、溶接性、耐食性を備え、ステンレス鋼の世界消費量の60％を占めます。一般に、磁性はありませんが、磁性または弱い磁性が原因である場合があります。製錬の化学組成の変動や加工ですが、これが偽物や規格外とは思えませんが、これはどのような理由ですか？

304は準安定ステンレス鋼であり、焼鈍状態後の単一オーステナイト構造であり、磁性はありません。 製錬組成物の偏析または不適切な熱処理により、少量のマルテンサイトまたはフェライト構造が生成されるため、磁気が弱くなります。 さらに、冷間加工変形（スタンピング、ストレッチング、ローリングなど）の後、オーステナイト構造の一部も相変化（マルテンサイトへの一般的な突然変異誘発）を受け、磁気を帯びました。

たとえば、同じバッチの鋼管では、76mm鋼管の外径には明らかな磁気がありませんが、9.5mm鋼管の外径には明らかな磁気があります。 四角い長方形の管の磁気特性は、特に曲げ部分で、冷間曲げ変形が丸い管のそれよりも大きいため、より明白です。

ウォーターシンクのほとんどは304ステンレス鋼で作られています。 多くの消費者は、水タンクが磁性であるかどうかによって、304グレードのステンレス鋼でできていると判断しています。 現在、シンクには多くの種類の加工技術があります。たとえば、溶接成形、一体型引張成形などです。304材料の溶接成形を使用すると、一般にプレート処理後に焼きなましされますが、磁性がないか、弱磁性であるためです。シンクの表面処理の）; 水槽の引き抜き成形品の304つは、いくつかの延伸、一般的な焼きなまし、次に延伸を行う必要があります（焼きなましはコストを増加させ、XNUMXは再度焼きなましする必要はありません）、それは磁性になります。これはごく普通の現象です。

シェル熱交換器にステンレス鋼ベローズを使用する場合

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ベローズチューブ熱交換器は、ストレート（明るい）チューブ熱交換器をベースにしたアップグレードです。 波の山と谷の設計は、耐久性や安全性などの管状熱交換器の利点を継承すると同時に、不十分な熱伝達能力や簡単なスケーリングなどの欠点を克服します。 原理は、必要な熱伝達面積を減らすために総熱伝達係数を改善することです。これにより、同じ熱伝達効果の下で材料を節約し、重量を減らすことができます。

ベローズ本体はのコールドプレスで加工されているため 明るいパイプ ビレット、ベローズ本体は成形後に強化できると一般に考えられています。 外圧安定性実験では、外圧下でのコルゲート熱交換管の不安定性は、最初に直管部で発生し、外圧が上昇し続けた場合にのみコルゲート管が不安定になることが示されています。 これは、コルゲートセクションの安定性がストレートセクションの安定性よりも優れており、コルゲートセクションの臨界圧力がストレートセクションの臨界圧力よりも高いことを示しています。

実験によると、座屈変形の波紋は波の谷、特に局所的な単一波の谷で発生し、一般に同時にXNUMXつ以下の谷の不安定性があり、波の山の安定性は谷よりも優れているが、時には現れることもあることを示しています反対に、コールドプレスマークプロセスでは、トラフとストレートセクションの壁の厚さの両方が一定であり、チューブが実際に短くなった後はコールドになります。

下の図に示すように、ベローズに波の山と谷が存在すると、チューブ内の半径方向の熱交換対流の影響が大きくなります。

半径方向の対流は、総熱伝達係数に大きな影響を及ぼします。これが、ダブルチューブプレートベローズ熱交換器の低価格と軽量化の根本的な理由です。 の熱交換エリア チューブ ベローズと直管の本体表面は同じ長さで大きいですが、この変化は係数値の変化の寄与よりはるかに小さいです。 真っ直ぐな（軽い）管が管壁に近づくと、流速が大幅に低下することがはっきりとわかります。

ベローズ付きシェル熱交換器は、直管式熱交換器と比較して、流体の速度と方向を一定に変化させて乱流を形成し、壁と熱交換するため、熱伝達に影響を与える境界効果がなくなります。 総熱伝達率は2〜3倍になり、実際の運転は5倍にもなり、軽量であるため、ベローズ熱交換器の価格は直管熱よりも安いのです。交換器。 計算と実際の経験によると、厚さ1 mmのベローズの総熱伝達係数は厚さ10mmのベローズよりも0.5％低くなっています。 数百のベローズ熱交換器の運転データは、壁の厚さ（ほぼすべて0.5 mm）が、大きな修理や損傷なしに10〜14年間運転する主な理由であることを示しています。

さらに、ベローズ熱交換器は、ウォーターハンマーの衝撃に効果的に耐えることができます。 二重管板熱交換器のシェルは伸縮継手で接続されています。 ウォーターハンマーの衝撃を受けると、伸縮継手の位置がずれてしまいます。 これはベローズと直管熱交換器の両方で発生し、シェルの変形により管がねじれる可能性があります。 これは、ベローズの膨張マージンが大きいため、変形時のひずみの弾性マージンが大きい、つまり、この場合、不安定性に耐える能力が強いためです。 しかし、いずれにせよ、ウォーターハンマーの発生を避けるための設置の過程で、アングルシッティングバルブ、遅延スイッチおよび他の手段を使用することによって取ることができます。

ステンレス鋼ベローズシェル熱交換器の利点

  • 高い熱伝達効率

ベローズの特別な山と谷の設計により、チューブの内側と外側のセクションが連続的に変化して強い乱流が形成されるため、流体が流れます。 流量が非常に少ない場合でも、流体はチューブの内外で強い外乱を形成する可能性があり、これにより熱交換チューブの熱伝達係数が大幅に向上します。 熱伝達係数は、従来のチューブ式熱交換器の2〜3倍です。

  • スケーリングとブロッキングなし

ベローズの内側と外側の媒体は常に非常に乱流の状態にあるため、媒体内の固体粒子はスケールを堆積するのが困難です。 一方、媒体の温度差の影響を受けて、軸方向の膨張変形の痕跡が生じ、曲率が頻繁に変化し、汚れや熱交換管が大きな引っ張り力を生み出します。自動的にオフになるため、熱交換器は常に持続的で優れた熱伝達性能を維持します。

  • 自動補正

ベローズの特殊な構造と形状により、伸縮継手を追加することなく、加熱状態での熱応力を効果的に低減できるため、製品の構造が簡素化され、製品の信頼性が向上します。

  • 長い耐用年数

軸方向の膨張能力が向上し、温度差応力を効果的に低減し、大きな温度差や圧力変化に適応できるため、パイプ口の破裂による漏れがありません。 バッフルプレートとベローズの間の接続は、熱交換器の耐用年数を延ばします。

 

304ステンレス鋼VS403ステンレス鋼

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グレード304および430は、一般的に使用されるステンレス鋼材料です。 304ステンレス鋼は一般的なタイプのクロムニッケルオーステナイト系ステンレス鋼で、密度は7.93 g / cm3で、18/8ステンレス鋼とも呼ばれます。300シリーズのステンレス鋼が最も一般的に使用されている鋼です。 高温800℃に耐え、優れた加工性能と靭性を持ち、優れた総合性能（耐食性・成形）設備・部品の要求に広く使用されています。 304Lは304の低炭素バージョンであり、溶接後の焼鈍を必要としないため、厚いゲージの部品（約5mm以上）に広く使用されています。 304Hのより高い炭素含有量は高温で使用することができます。 焼きなましされたオーステナイト構造はまた、これらのグレードに、低い凍結温度でも優れた靭性を与えます。

低炭素高クロム430は、最も一般的なフェライト系ステンレス鋼の18つであり、優れた耐食性を備えています。0/ 18または0-400とも呼ばれ、430シリーズのステンレス鋼の430つです。 冷間加工で若干強化できますが、低温靭性が悪く、一般的に熱処理では硬化しません。 その熱伝導率はオーステナイトよりも優れており、熱膨張係数はオーステナイトよりも小さく、耐熱疲労、安定化元素チタンの添加により、機械的特性の溶接シーム部分が良好になり、建物の装飾、燃料バーナー部品に使用できます、家庭用電化製品、家庭用電化製品部品。 430Fは、主に自動旋盤、ボルト、ナットなどに使用される430鋼の自由切削性能を備えた鋼の一種です。XNUMXLXはXNUMX鋼にTiまたはNbを添加し、Cの含有量を減らし、加工性能と溶接性能を向上させます。 主に温水タンク、給湯システム、衛生器具、家庭用耐久器具、自転車のフライホイールなどに使用されます。

 

ASTM A240-クロムおよびクロムニッケルステンレス鋼のプレート、圧力容器および汎用のシートおよびストリップの仕様によると、430ステンレス鋼は0.12％未満の炭素、16〜18％のクロム、および0.75％未満のニッケルを含むものとします。 、以下の表に示すように、304と430の違い：

化学組成の比較 

UNS C Mn P S Si Cr Ni Mo
S30400 0.07 2.00 0.045 0.03 0.75 17.5-19.5 8.0-10.5 /
S43000 0.12 1,00 0.04 0.03 1.00 16.0-18.0 0.75 /

 

機械的性質の比較

学年 降伏強さ、Mpa 引張強さ、Mpa 2 / 50mm、最小、％での伸び 硬度、HBW
304 205 515 40 183
403 205 450 22 201

 

要約すると、それらは主に次の項目で異なります。

  • 耐食性：304ステンレス鋼の耐食性は430よりも優れています。430ステンレス鋼は16.00〜18.00％のクロムを含み、基本的にニッケルを含まないため、304ステンレス鋼はより多くのクロムとニッケルを含みます。
  • 安定性：430ステンレス鋼はフェライト型、304ステンレス鋼はオーステナイトであり、430ステンレス鋼よりも安定しています。
  • 靭性：304の靭性は430ステンレス鋼よりも高いです。
  • 熱伝導率：フェライト430ステンレス鋼の熱伝導率は304ステンレス鋼に似ています。
  • 機械的性質：安定した化学元素チタンが添加されているため、430ステンレス鋼よりも304ステンレス鋼の溶接シームの機械的特性が優れています。

窒素は316LNステンレス鋼にどのように影響しますか？

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316LNは、に基づく窒素添加バージョンです。 316L鋼 （0.06％〜0.08％）は、316Lと同じ特性を持つため、高速増殖炉（FBRS）の高温構造部品の製造に使用されています。 炭素含有量を減らすと、その後の腐食環境での溶接による応力腐食割れの影響を受けにくくなります。 クリープ、低サイクル疲労、およびクリープ疲労相互作用は、FBRSコンポーネントの最も重要な考慮事項です。 の高温強度 316Lステンレス鋼 316％〜0.06％Nを合金化することにより、0.08ステンレス鋼に改善できます。この論文では、高温での0.08Lステンレス鋼の機械的特性に対する316％を超える窒素含有量の影響について説明します。

 

316LNステンレス鋼の化学組成

ファーネス N C Mn Cr Mo Ni Si S P Fe
規格 0.06-0.22 0.02-0.03 1.6-2.0 17-18 2.3-2.5 12.0-12.5 ≤0.5 ≤0.01 ≤0.03 –
1 0.07 0.027 1,7 17.53 2.49 12.2 0.22 0.0055 0.013 –
2 0.11 0.033 1.78 17.63 2.51 12.27 0.21 0.0055 0.015 –
3 0.14 0.025 1.74 17.57 2.53 12.15 0.20 0.0041 0.017 –
4 0.22 0.028 1.70 17.57 2.54 12.36 0.20 0.0055 0.018 –

窒素含有量が316％、0.07％、0.11％、0.14％、炭素含有量が0.22％の0.03LNステンレス鋼の316つのバッチをテストして、引張、クリープ、低サイクル疲労、クリープに対する窒素の影響を調べました。 -XNUMXLNステンレス鋼の疲労特性。 この実験の目的は、引張、クリープ、および低サイクル疲労特性の最適な組み合わせを得るための最適な窒素含有量を見つけることです。 実験結果は、窒素がオーステナイト系ステンレス鋼の引張強度、クリープおよび疲労強度を改善できることを示しています。 強度が増加する理由には、溶液の強化、積層欠陥エネルギー（SFE）の減少、析出硬化、複合材料（格子間溶質）の形成、原子偏析、および秩序硬化が含まれます。 電子交換特性が異なるため、オーステナイト系ステンレス鋼の溶存窒素は炭素よりも膨張体積が大きくなります。

窒素と転位の間の弾性相互作用に加えて、静電間質転位相互作用も強度に影響を与えます。 転位核は自由電子の欠如を特徴とし、それはそれらが正電荷を持っていることを意味します。 オーステナイト系ステンレス鋼の窒素原子は、窒素原子の近くの自由電子の位置と、転位と窒素原子の間の静電相互作用のために負に帯電しています。

オーステナイト鋼の窒素含有量の増加に伴い、窒素原子と転位の間の有効結合エネルギーは増加しますが、炭素の相関関係は明らかではありません。 オーステナイト鋼では、侵入型窒素は置換基元素と相互作用し、侵入型置換基の原子組成を形成する傾向があります。 化合物は、Mn、Cr、Ti、Vなど、周期表のFeの左側にある元素に簡単に結合します。原子間結合の特性（つまり、配向と非配向）と隣接する近接性の間には強い相関関係があります。多成分合金系の原子。 金属原子間の結合は、異なる元素の原子の結合である短距離秩序化を促進します。 原子間分極は、共有電子の交換、つまり同じ元素の原子間の結合を促進します。 炭素は鉄ベースの固溶体の置換原子の凝集を促進し、窒素は短距離秩序化を促進します。

一般に、降伏強さ（YS）と極限引張強さ（UTS） 316L ステンレス鋼は、0.07％〜0.22％の窒素の合金化によって大幅に改善されています。 強度の増加は、300〜1123Kの温度範囲ですべてのテストで観察されました。 動的ひずみ時効は、限られた温度範囲内で観察されました。 動的ひずみ時効（DSA）の温度範囲は、窒素含有量の増加とともに減少します。