Metal dusting

Schneider, Andre; Somers, Marcel A. J.; Zander, Brita Daniela; Seifert, Hans Jürgen

doi:HT021264093

Metal dusting

Schneider, Andre^RWTH*

2020 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dr. rer. nat. Andre Schneider

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource : Diagramme

Habilitationsschrift, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)^RWTH* ; Somers, Marcel A. J. (Thesis advisor) ; Seifert, Hans Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-01-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01862
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/841613/files/841613.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carburisation (frei) ; coking (frei) ; computer simulations (frei) ; diffusion (frei) ; high-temperature corrosion (frei) ; high-temperature materials (frei) ; iron (frei) ; metal dusting (frei) ; phase transformations (frei) ; steel (frei) ; thermodynamics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Metal Dusting ist ein Hochtemperaturkorrosionsprozess, der Eisen, niedrig- und hochlegierte Stähle sowie Co- oder Ni-Basislegierungen in stark aufkohlenden Gasatmosphären mit Kohlenstoffaktivitäten aC >> 1 im Temperaturbereich von 400 bis 1000 °C angreift. Es tritt auf bei verschiedenen Prozessen in petrochemischen Anlagen, z.B. bei der katalytische Reformierung, bei der Ammoniak- und Methanol- Herstellung, bei indirekten Reduktionsanlagen etc. Einige Beispiele für Schadensfälle sind im Kapitel über die industrielle Relevanz aufgeführt. Obwohl in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Studien durchgeführt wurden, um diesen Hochtemperatur-Korrosionsprozess besser zu verstehen, und obwohl verschiedene Ansätze, Bauteile in den oben genannten Umgebungen resistent gegen Metal Dusting zu machen, treten die entsprechenden Schäden immer noch auf. Somit stellt Metal Dusting nach wie vor eine wichtige technische Herausforderung dar, die weitere wissenschaftliche Untersuchungen und verbesserte Schutzkonzepte erfordert. Diese Arbeit gibt einen Überblick über das derzeitige Verständnis der Mechanismen des Metal Dusting. Die vorgeschlagenen Erklärungen werden diskutiert und Beispiele der diversen Korrosionsprodukten, die von zahlreichen Forschern auf diesem Gebiet beobachtet wurden, werden gezeigt. Darüber hinaus werden spezielle Untersuchungen zur Diffusion in Eisenkarbiden sowie zur Konstitution des Fe-C-Systems diskutiert. Der erste Teil dieser Arbeit umfasst die Veröffentlichungen zum Thema Metal Dusting aus verschiedenen Forschungsgruppen und vereinzelt auch aus der Industrie. Die Ergebnisse des Autors dieser Arbeit und seiner Koautoren werden ebenfalls dargestellt und zitiert. Dieser Teil der Schrift beginnt mit einer allgemeinen Beschreibung von Aufkohlung, Coking und Metal Dusting. Anschließend werden Fallstudien diskutiert, um die industrielle Relevanz dieses Hochtemperatur-Korrosionsprozesses zu demonstrieren. Der Fokus der folgenden Kapitel liegt auf dem Metal Dusting von Eisen und verschiedenen Fe-Basislegierungen, die in ferritische und austenitische Stähle unterteilt werden. Diverse Ergebnisse zum Einfluss von Schwefel auf die Metal Dusting-Verzögerung basieren auf entsprechenden Untersuchungen mit Eisen, die gewonnenen Erkenntnisse sind jedoch auch für legierte Stähle relevant, und sind damit für den Betrieb petrochemischer Anlagen von großer Bedeutung. Anschließend wird das Metal Dusting von Ni-Basislegierungen sowie Entwicklungen von Beschichtungen zum Schutz vor Metal Dusting beschrieben. Metallkundliche Untersuchungen unter Metal-Dusting-Bedingungen sind im letzten Kapitel der Literaturübersicht zusammengefasst. Der zweite Teil umfasst die verschiedenen Studien des Autors dieser Arbeit im Detail. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studien werden zudem teilweise auch im ersten Teil dieser Arbeit (Literaturüberblick) zitiert. Die verschiedenen Koautoren dieser Studien werden im Vorwort dieser Arbeit sowie in den Zitaten der Literaturübersicht genannt. Die ersten beiden Kapitel konzentrieren sich auf Phasenbildung und Zerfallsprozesse beim Metal Dusting. Das dritte Kapitel befasst sich mit dem Metal Dusting von Fe-X (X = Si, Mo, V)-Legierungen, und das letzte Kapitel behandelt das Thema Metal Dusting von Fe-Al-basierten Legierungen.Die wichtigsten Beiträge des Autors dieser Arbeit zum Metal Dusting und auch zu den Grundlagen des Fe-C-Systems behandeln die folgenden wissenschaftlichen Themen:- die Initiierung von Metal Dusting von Fe,- die Ausbreitung von Metal Dusting von Fe und die verschiedenen beobachteten Zerfallsprozesse: - Bildung und Zerfall metastabiler Karbide in Eisen- und Karbidteilchen, - Bildung einer Zementitschicht und Umwandlung in eine Eisenschicht, die anschließend selbst zerfällt,- die Wirkung von Schwefel auf die Verzögerung des Metal Dusting von Fe,- Einfluss von Legierungselementen auf das Metal Dusting von Fe-Basislegierungen: - Fe-Al-Legierungen, - und Fe-X (X = Si, Mo, V)-Legierungen,- die Konstitution von Fe3C,- die Thermodynamik der Fe5C2-Bildung,- die Kohlenstoffdiffusion in Fe3C und Fe5C2,- und der Einfluss von Legierungselementen auf das Zementitwachstum in Fe-X (X = Si, Mo, V)-Legierungen.

Metal dusting is a high-temperature corrosion process which attacks iron, low- and high-alloyed steels, and Co- or Ni-based alloys in strongly carburising gas atmospheres with carbon activities aC>> 1in the temperature range 400 to 1000 °C. It occurs in various processes in petrochemical plants, e.g. for catalytic reforming, ammonia, and methanol production, indirect reduction plants and further more. Some examples of failure cases are given in the chapter on industrial relevance. Although numerous studies have been performed during the past decades to better understand this high-temperature corrosion process and although various approaches to make components in the above mentioned environments resistant against metal dusting, the according failures still occur. Thus, metal dusting is still an important technical challenge requiring further scientific studies and improved protection concepts. This work gives an overview on the present understanding of the metal dusting mechanisms. It discusses the proposed explanations and shows examples of the variety of corrosion products observed by the numerous researchers in the field. In addition, special investigations on diffusion in iron carbides and also on the constitution of the Fe-C system are discussed. The first part of this work comprises the literature data on metal dusting from the various research groups and also in a few cases from industry. The results of the author of this work and his co-authors are also reviewed and cited. It starts with a general description of carburisation, coking, and metal dusting. Then case studies are discussed to demonstrate the industrial relevance of this high-temperature corrosion process. The following chapters focus on the metal dusting of iron and various Fe-based alloys which are divided into ferritic and austenitic steels. Various results on the effect of sulphur on metal dusting retardation are based on respective studies with iron, but the findings are also relevant for alloyed steels and thus of high importance for the operation of petrochemical units. Metal dusting of Ni-based alloys and also coating developments for the protection against metal dusting are then described. Metallurgical investigations under metal dusting conditions are summarised in the last chapter of the literature review. The second part describes the various studies of the author of this work in detail. The main results of these studies are partly cited in the first part overviewing the according literature. The various co-authors of these studies are mentioned in the preface of this thesis and also in the citations of the literature overview. The first two chapters focus on phase formation and decomposition process during metal dusting. The third chapter is on metal dusting of Fe-X (X = Si, Mo, V) alloys, and the last chapter deals with metal dusting of Fe-Al-based alloys. The most significant contributions to metal dusting and also to the fundamentals of the Fe-C system are achieved by the author of this thesis concerning the following scientific topics:- the initiation of metal dusting of Fe,- the propagation of metal dusting of Fe and the various observed decomposition processes: - formation and decomposition of metastable carbides into iron and carbide particles, - formation of a cementite layer and transformation into an iron layer which subsequently decomposes itself,- the effect of sulphur on the retardation of metal dusting of Fe,- the effect of alloying elements on the metal dusting of Fe-based alloys: - Fe-Al alloys, - and Fe-X (X = Si, Mo, V) alloys, - the constitution of Fe3C,- the thermodynamics of Fe5C2 formation,- the carbon diffusion in Fe3C and Fe5C2,- and the effect of alloying elements on cementite growth in Fe-X (X = Si, Mo, V) alloys.

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