Volaustenitische CrNi(Mo)-staalsoorten, Ni-basis legeringen en lastoevoegmaterialen voor hoge corrosie- en hoge temperatuurbestendige applicaties(2/3)

Voorbeelden van eigenschappen van de lasmaterialen en hun toepassingen
 

Tabel 4 toont een overzicht van mechanische eigenschappen en corrosie-beproevingsresultaten van lasmaterialen voor natchemische toepassingen. Verder zijn van elk van de lasmateriaaltypen de karakteristieken kort omschreven.

4439

De 4439 is de standaard elektrode voor installaties, gebouwd volgens de Baseler-Norm. Corrosie-eigenschappen en het ferrietgehalte voldoen aan deze strikte Zwitserse eisen. Dit lasmetaal wordt veelal ook toegepast voor niet magnetische lasconstructies. Wanneer mechanische eigenschappen bij lage temperatuur vereist zijn (bijv. kerftaaiheid bij –196°C) dan heeft een volledig basisch type 4439 de voorkeur.
 

Tabel 4. Mechanische eigenschappen en corrosie-beproevingsresultaten van lasmetaal voor natchemische toepassingen.

4465

Voor ureumproducerende installaties is de toepassing van 4465 bekend. Het lasmetaal met een verhoogd Mn-gehalte (ca. 3,5%) is goed bestand tegen warmscheuren en microscheuren in oplassingen en verbindingslassen. Lasmaterialen voor lassen met beklede elektroden alsmede het GTAW-lasmetaal voldoen aan de internationale specificaties voor ureumfabrieken (o.a. Stami Carbon) en worden over de gehele wereld toegepast. Ook het materiaal 1.4335 met 25% Cr, 21% Ni en extra laag koolstof, waarvoor geen betrouwbaar warmscheur ongevoelig lasmetaal beschikbaar is, wordt bij voorkeur gelast met het lasmetaal type 4465.

4361

Voor het werken met een zeer geconcentreerd HNO3 (99%) is het corrosiebestendige staal 1.4361 met 18% Cr, 15% Ni en 4% Si ontwikkeld. Het 4361-lastoevoegmateriaal is toegepast voor de bouw van vaten voor opslag van geconcentreerd HNO3 bij hoge temperatuur.

4500

In installaties waarin zwavelzuur en fosforzuur toegepast worden, alsmede in corrosieve media in de papierindustrie en bij ertsverwerking (bijvoorbeeld ontsluiting van uraanerts) is de rutiel/basische elektrode type 4500 in combinatie met Alloy 904L met succes toegepast, afbeelding 4.
Deze elektrode heeft wereldfaam opgebouwd en wordt beschouwd als de standaard voor deze sector van volaustenitische materialen. Ook is de volledige basische versie beschikbaar met daarmee een nog hogere weerstand tegen micro (warm)scheuren in oplassingen.
 

Afbeelding 4. Installatie voor uraanerts-behandeling uit materiaal X1NiCrMoCu25-20-5 (Alloy 904L) gelast met elektrode van het type 4500.
 

31/27

Een volledig op Alloy 28 afgestemd lasmetaal zijn de 31/27 lastoevoegmaterialen. Deze lastoevoegmaterialen worden wereldwijd toegepast voor fosforzuurproductie installaties met een zuurconcentratie tot maximaal 70%. Het lasmetaal van de 31/27 is door TÜV goedgekeurd voor toepassingen met bedrijfstemperaturen van -196°C tot 450°C.

42/25

Het lasmetaal is een hoger gelegeerde variant van het type 31/27. Het neergesmolten lasmetaal met 25%?Cr en 6% Mo heeft uitzonderlijk goede corrosie en mechanische eigenschappen. De karakteristieke eigenschappen zoals vermeld in tabel 4 en de aanvullende onderzoeken op warmscheurgevoeligheid tonen aan dat dit type lasmetaal goed toegepast kan worden in zowel Alloy 254 (vullagen in lasverbindingen) als ook in de legeringen op 42% Ni-basis zoals Alloy 825 en 825hMo.

60/20

Een 'breed spectrum' type lasmetaal is het Ni-basis type 60/20 (Alloy 625) met 22% Cr en 9% Mo. Het neergesmolten lasmetaal levert zowel een corrosiebestendig als ook een bij hoge temperatuur oxidatievaste lasverbinding. Vooral de zeer hoge weerstand tegen putvormige- en spleetcorrosie in zeewater, ook in stilstaande niet beluchte milieus, gepaard aan de hoge mechanische eigenschappen maakt dat dit type op grote schaal toegepast wordt. Afbeelding 5 toont de macrostructuur en het lasuiterlijk van lasverbindingen in materiaal Alloy 925 in de lasposities PA (1G) en PF (3Gu­).

60/16, 65/15, 65/19 en 59/23

Een groep van lastoevoegmaterialen met goede corrosie-eigenschappen die in overeenstemming zijn met de overeenkomstige, Hastelloy-basismaterialen. Het lasmetaal is ook zeer goed toepasbaar voor oplassingen voor hoge temperatuur toepassingen.

B-2

Specifiek ontwikkeld voor het lassen van Alloy B-2. Eventueel kan het ook ingezet worden voor Alloy B-3 en B-4. De lasbaarheid is vergelijkbaar met de standaard nikkel basislegeringen.

70/30
Speciaal ontwikkeld voor verbindingslassen in 'Monel' en voor oplassingen op laag- of ongelegeerd staal.

Ni 96

Zowel bij de elektrode als in de lasdraden is het nikkel met 2-4% Ti gelegeerd waardoor een poreus vrij lasmetaal wordt neergesmolten. De structuur is zeer stabiel. Lasverbindingen worden uitgevoerd in Alloy 200 en 201. Bovendien wordt het lasmetaal toegepast voor het aanbrengen van bufferlagen op Cu-legeringen waardoor goede lasverbindingen aan andere materialen uitgevoerd kunnen worden.

Installaties met hoge temperatuur-belasting
 

Installaties met hoge temperatuurbelasting ontworpen in lasbare austenitische CrNi- en nikkelbasislegeringen zijn in het algemeen:
• klassieke ovenbouw
• hoge temperatuurfabrieken zoals kraakinstallaties, ammoniakfabrieken (reformers)
• gloeiovens
• nucleaire centrales
• onderdelen van electriciteitscentrales
• behandeling van gassen
Verder kunnen allerlei onderdelen van andere procesinstallaties zoals bijvoorbeeld branders, onderdelen van schoorstenen, binnenwerken van ovens, van hoge temperatuur bestendige materialen vervaardigd worden. De procesomstandigheden kunnen sterk variëren afhankelijk van de bedrijfstemperaturen en het gas type.
 

Afbeelding 5. Lasverbindingen in materiaal X1NiCrMoCuN25-20-7 (Alloy?925) in lasposities PA (1G) en PF (3Gu).

Volaustenitische en nikkelbasis-materialen voor hoge temperatuur-installaties
 

De lasbare soorten basismaterialen die toegepast worden staan vermeld in tabel 5, er zijn uiteraard veel meer nikkelbasislegeringen. Deze tabel bevat de meest toegepaste goed lasbare soorten.
De eisen waaraan deze materialen moeten voldoen kunnen sterk variëren en zijn afhankelijk van het proces waarin ze toegepast worden. Hierbij kunnen een of meerdere van de volgende aspecten een rol spelen:
• oxidatiebestendigheid
• structuurstabiliteit, verbrossing
• kruip
• thermal shock bestendig
• chemische bestendigheid tegen C, S, Na, K, V en N

Oxidatiebestendigheid
 

De oxidatiebestendigheid wordt bepaald door de snelheid waarmee de oxidehuid wordt gevormd tijdens bedrijf en de aard van de oxidehuid. Een vuistregel is dat een goede oxidehuid minder dan 1 mm per jaar aangroeit en er niet afspringt, de aard van de oxidehuid is optimaal als deze dun is en dezelfde uitzettingscoëfficiënt heeft als het basismateriaal. Elementen die een rol spelen bij de vorming en hittebestendigheid van de oxidehuid zijn Cr, Al, Si en zeldzame aarden.
De oxidatiebestendigheid of maximale toepassingstemperatuur in lucht van de diverse basismaterialen staat vermeld in tabel 5.
 

Tabel 5. Hittebestendige CrNi-staalsoorten en Ni-basis legeringen

Structuurstabiliteit
 

De structuurstabiliteit bepaalt of een materiaal verbrost of een goede ductiliteit behoud en heeft daarnaast invloed op de corrosiebestendigheid van het materiaal. Voorbeelden van verbrossing zijn sigmafase vorming vanuit de ferriet fase zoals bijvoorbeeld in austenitische materialen, bijv. AISI 304H (zie afbeelding 7). Dit treedt onder andere ook op in HK40-typen (zie afbeelding 8). Daarnaast treedt ook verbrossing op door het incoherent worden van precipitaten in legeringen zoals Alloy 800H, zowel de gesmede als de gegoten versie, en ACI alloy HP.
De structuurstabiliteit is vooral van belang voor de eigenschappen van het materiaal bij lagere temperaturen of bij temperatuurswisselingen zoals thermal shock.
Daarnaast bemoeilijkt een zeer bros materiaal het reparatielassen als er scheuren ontstaan zijn.
 

Afbeelding 6: Onderpoeder lassen van Alloy 625 met LNS NiCro 60/20, ø 1,6 mm en laspoeder P2000.

Afbeelding 7. Sigma fase in RVS (V=200x)

Kruip
Het aspect kruip is van belang voor drukhouders en leidingen en voor zware constructiedelen die langdurig op extreem hoge temperaturen belast worden zoals verzamelkasten, transferleidingen, armaturen, etc. Van de in tabel 5 genoemde materialen zijn de maximale temperaturen, waarvan kruipgegevens bekend zijn, genoemd. De materialen ontlenen hun kruipbestendigheid aan bepaalde typen uitscheidingen. Afhankelijk van het type legering (gesmeed of gegoten), zijn de elementen die hierbij een rol spelen, C, Ti, Al, Nb en zeldzame aarden.

Thermal shock
Thermal shock (thermische vermoeiing) is een aspect dat voor sommige toepassingen in feite belangrijker is dan de kruipbestendigheid. Een statische belasting bij hoge temperatuur is geen probleem, echter het starten en stoppen van procesinstallaties veroorzaakt juist de problemen. Moeilijkheid is dat er geen algemene normen (regels) zijn die een uitspraak doen over deze eigenschap. De enige manier om tot een uitspraak te komen is op basis van praktijk ervaring en door vergelijkende (simulatie-) proeven.

Chemische bestendigheid
Andere aspecten waarmee bij de keuze van volaustenitische CrNi-legeringen en nikkelbasislegeringen rekening moet worden gehouden zijn afhankelijk van het type installatie en de bedrijfstemperatuur:
• opkoling bij temperaturen boven 800°C
• nitrering tussen de 400 en 500°C
• nikkelsulfidevorming in een reducerende atmosfeer bij ongeveer 650°C
• aantasting door de elementen natrium, kalium, vanadium bijvoorbeeld in vloeibare slakken.
Het toepassingsgebied van de in tabel 5 genoemde hittevaste CrNi- en nikkebasislegeringen is in tabel?6 weergegeven.
 

Afbeelding 8. Brosse fase en microscheur in HK40 materiaal (V=600x)