TESIS
Desarrollo de aceros inoxidables ferríticos aleados para condiciones altamente corrosivas a alta temperatura
Fecha
2018-04-09Registro en:
Alcántara Cárdenas, Juan Alberto. (2016). Desarrollo de aceros inoxidables ferríticos aleados para condiciones altamente corrosivas a alta temperatura. (Doctorado en Ciencias en Metalurgia y Materiales). Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. México.
Autor
Alcántara Cárdenas, Juan Alberto
Institución
Resumen
RESUMEN: En los últimos años, con el crecimiento de nuevas industrias de generación de energía que utilizan la
incineración de residuos orgánicos, como la generación de energía eléctrica, se requiere de materiales
capaces de operar a temperaturas muy elevadas (mayores a 400ºC) en condiciones altamente corrosivas.
En este trabajo se desarrolla una nueva familia de aceros inoxidables ferríticos con 9 % Cr y combinaciones
de Mo, Al y Si, con la intención de mejorar los aceros inoxidables existentes para su empleo en condiciones
extremas de corrosión a alta temperatura y buscar la composición más adecuada en este sistema.
Por lo que se determinó las condiciones adecuadas de fabricación de los aceros a nivel laboratorio en un
horno de inducción y se establecen las secuencias de fusión y refinación a partir de materias primas
convencionales, para obtener las composiciones químicas deseadas y un alto grado de limpieza, así como
la secuencia de desarrollo microestructural mediante procesamiento termomecánico.
Posteriormente estos aceros se evaluaron en pruebas de corrosión en atmosferas de (1) N2 - 220 vppm
HCl; (2) N2-360 vppm H2O; (3) N2- 220 vppm HCl, 360 vppm H2O; (4) N2 - O2 8%vol, 220 vppm HCl, 360
vppm H2O, 200vppm SO2 y (5) N2 - O2 8%vol, 220 vppm HCl, 360 vppm H2O, 200vppm SO2 sin y con
adición de sales de ZnCl2 y KCl durante un periodo de 300h de exposición a 500 y 600 °C, simulando el
ambiente de un incinerador de basura para la generación de energía eléctrica, cabe señalar que las tres
primeras atmosferas se realizaron para observar el efecto individual de los gases que conforman la
atmósfera. Por lo que se analizaron las curvas de cambio de peso de las muestras de acero sometidas a
las condiciones corrosivas en función del tiempo y los productos de corrosión se caracterizaron por técnicas
de microscopia electrónica de barrido, microanálisis y difracción de rayos X.
En las atmosferas de HCl, H2O y la mezcla se encontraron los óxidos Fe2O3, Cr2O3, (Fe0.6Cr0.4)2O3 y CrO2;
adicionalmente en la atmósfera simulada de incineración de basura y la atmosfera con adición de Cloruros
se obtuvieron los compuestos (Cr, Fe)2O3, FeSiO4 y FeAlO3, Fe(Cr, Al)2O4, K2CrO4, FeCrMo, Cr2MoO6,
ZnCl2, γZnCl2, KCl. Por otro lado en la atmosfera simulada de incineración de basura se formaron
compuestos adicionales respecto a las atmosferas más simples. La adición de Al y Si mejora las
propiedades de los aceros ante la corrosión, en el acero Fe9Cr1.5AlSi3Mo se observa el mejor
comportamiento y más regular en todas las atmosferas proponiéndolo como el mejor para estas
atmosferas.
La presencia de Mo, Al y Si no fue significativo debido a que no había evidencia de una reacción química
de estos elementos. Las sales en la entrada promueven la corrosión y el aumento de la corrosión; los
elementos más activos fueron la Fe y Cr en el metal base, la presencia de Cr fue beneficioso contra la
corrosión. Este elemento disminuyo el proceso de corrosión debido a la formación de capas de óxidos
protectoras sobre las superficies expuestas.
Los aceros fabricados y conformados fueron caracterizados microestructuralmente por técnicas de
microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (MEB), microanálisis y microdureza Vickers
(MDV). Y Difracción de rayos X.
ABSTRACT: In recent years with the growth of new industries of power generation using incineration of organic waste
such as power generation it requires materials capable of operating at very high temperatures (over 400 °
C) in highly corrosive conditions.
In this work a new family of ferritic stainless steels with 9% Cr and combinations of Mo, Al and Si, with the
intention of improving existing stainless steels for use in extreme conditions of high temperature corrosion
in addition to finding the most suitable composition in this system.
As suitable conditions of manufacture of steels at laboratory level was determined in an induction furnace
and sequences smelting and refining are established from conventional raw materials, to obtain the desired
chemical composition and a high degree of cleanliness as well as the sequence of microstructural
development through thermomechanical processing.
Subsequently these steels were evaluated in corrosion tests in atmospheres (1) N2 - 220 vppm HCl; (2) N2-
360 vppm H2O; (3) N2- 220 vppm HCl, H2O vppm 360; (4) N2 - O2 8% vol, 220 vppm HCl, 360 vppm H2O,
200vppm SO2 and (5) N2 - O2 8% vol, 220 vppm HCl, 360 vppm H2O, 200vppm SO2 with and without the
addition of salts ZnCl2 and KCl for a period of 300h exposure to 600 and 500 °C, simulating the environment
of a garbage incinerator to generate electricity, it should be noted that the first three atmospheres were
conducted to observe the individual effect of the gases that make up the atmosphere. As curves weight
change of steel samples subjected to corrosive conditions versus time they were analyzed and the corrosion
products were characterized by techniques of scanning electron microscopy, microanalysis and X-ray
diffraction.
In the atmospheres of HCl, H2O and the mixture of Fe2O3, Cr2O3, (Fe0.6Cr0.4) 2O3 and CrO2 oxides are found;
additionally in the simulated atmosphere garbage incineration and atmosphere with the addition of Chloride
compounds (Cr, Fe) 2O3, FeSiO4 and FeAlO3, Fe (Cr, Al) 2O4, K2CrO4, FeCrMo, Cr2MoO6, ZnCl2, γZnCl2,
KCl were obtained .On the other hand in the simulated atmosphere waste incineration additional compounds
were formed about the simplest atmospheres. The addition of Al and Si improves the properties of steels
against corrosion in steel Fe9Cr1.5AlSi3Mo better and more regular behavior observed in all atmospheres
proposing it as the best for these atmospheres.
The presence of Mo, Al and Si was not significant because there was no evidence of a chemical reaction of
these elements. The salts at the entrance promote corrosion and increased corrosion; the most active
elements were Fe and Cr in the base metal, the presence of Cr was beneficial against corrosion. This
element decreased the corrosion process due to the formation of protective oxides on layers exposed
surfaces.
They manufactured and shaped steels were characterized microstructurally by optical microscopy
techniques, scanning electron microscopy (SEM), microanalysis and Vickers microhardness (MDV). And Xray
Diffraction.