فولادهای ضد زنگ داپلکس یا دوپلکس
فولاد داپلکس یا دوبلکس نوعی فولاد ضد زنگ است که دارای ساختار میکروسکوپی منحصر به فرد دو فازی است که تقریباً از قسمت های مساوی از آستنیت و فریت یا درصدهای دیگر تشکیل شده است. این دو فاز ساختارهای متفاوتی دارند و خواص متفاوتی از خود نشان می دهند و با ترکیب این دو فاز، فولاد داپلکس ، دوفازی یا دوبلکس ویژگی های مفیدی را از هر دو به ارث می برد و در نتیجه آلیاژی به دست می آید که:
استحکام بالاتر: فولاد داپلکس استحکام بالاتری نسبت به سایر محصولات فولاد ضد زنگ دارد، تقریبا دو برابر استحکام طراحی فولادهای ضد زنگ آستنیتی و فریتی استاندارد.
مقاوم تر در برابر خوردگی: فولاد داپلکس مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی، به ویژه ترک خوردگی تنشی کلرید و خوردگی حفره ای کلرید، بهتر از فولادهای ضد زنگ آستنیتی استاندارد ارائه می دهد.
سخت تر: فولاد داپلکس نسبت به محصولات فولادی فریتی شکل پذیری و سختی بهبود یافته ای را نشان می دهد، اگرچه به سطح فولادهای آستنیتی نمیرسد .
با توجه به این خواص، فولاد داپلکس اغلب درکاربردهایی که استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سختی خوب مورد نیاز است استفاده می شود. برخی از کاربردهای رایج فولاد دوبلکس عبارتند از:
- تجهیزات فرآیند شیمیایی
- تولید نفت و گاز
- کاربردهای دریایی
- کارخانه های نمک زدایی
مهم ترین گریدهای فولادهای داپلکس عبارتند از:
 |
مزایای فولاد داپلکس
فولاد داپلکس در مقایسه با سایر انواع فولاد ضد زنگ مزایای متعددی را ارائه می دهد و آن را به متریالی ارزشمند برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند. در اینجا برخی از مهم ترین مزایا آورده شده است:
- استحکام برتر: فولاد داپلکس (دوپلکس) به طور قابل توجهی از استحکام بالاتری نسبت به فولادهای ضد زنگ آستنیتی و فریتی استاندارد برخوردار است. این بدان معناست که مقاطع نازک‌تر از این فولاد می‌توانند همان میزان بار را تحمل کنند که مقاطع ضخیم‌تر سایر گریدهای فولاد ضد زنگ تحمل می‌کنند، که به طور بالقوه باعث کاهش وزن و هزینه مواد میشود.
- مقاومت عالی در برابر خوردگی: یکی از برجسته ترین مزایای فولاد داپلکس (دوپلکس) مقاومت استثنایی آن در برابر خوردگی، به ویژه ترک خوردگی تنشی ناشی از کلرید (CLSCC) است که نگرانی رایجی در صنایع پتروشیمی به شمار می رود . همچنین در مقایسه با فولادهای ضد زنگ آستنیتی استاندارد، مقاومت بهتری در برابر خوردگی حفره ای ارائه می دهد.
- صرفه جویی در هزینه: در حالی که ممکن است هزینه اولیه فولاد داپلکس (دوپلکس) کمی بیشتر از برخی انواع دیگر فولاد ضد زنگ باشد، استحکام و دوام بالای آن می تواند در بلندمدت منجر به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه شود. به دلیل استحکام بالا، به مواد کمتری نیاز است و مقاومت استثنایی آن در برابر خوردگی به معنای طول عمر بیشتر است.
- مزایای ساخت: در مقایسه با آلیاژهای پرنيكل، فولاد داپلکس (دوپلکس) عموماً جوشکاری و ماشینکاری آسان‌تری دارد که منجر به زمان ساخت سریع‌تر و در نهایت هزینه‌های کلی پایین‌تر میشود .
- چقرمگی بالا: این نوع فولاد در برابر ضربه و ترک خوردگی بسیار مقاوم است.
- مقاومت به سایش: فولاد داپلکس در برابر سایش و فرسایش بسیار مقاوم است.
- کاربری گسترده : فولاد داپلکس (دوپلکس) به دلیل ترکیب استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و هزینه منطقی، در صنایع مختلف کاربرد دارد. برخی از کاربردهای رایج آن عبارتند از: تجهیزات فرآیند شیمیایی، تولید نفت و گاز، کارخانه های نمک زدایی، کاربردهای دریایی و حتی روکش های معماری .
کاربردهای فولاد داپلکس
- صنایع شیمیایی: به دلیل مقاومت به خوردگی بالا، فولاد داپلکس در ساخت مخازن، لوله ها و تجهیزات پالایشگاه ها، کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی استفاده می شود.
- صنایع دریایی: فولاد داپلکس در ساخت سکوهای نفتی، کشتی ها و قایق ها به دلیل مقاومت به خوردگی و آب شور کاربرد دارد.
- صنایع غذایی: به دلیل بهداشت و عدم زنگ زدگی، از فولاد داپلکس در ساخت تجهیزات و ظروف صنایع غذایی استفاده می شود.
- صنایع نفت و گاز: فولاد داپلکس در ساخت لوله ها، مخازن و تجهیزات خطوط لوله نفت و گاز به دلیل مقاومت به خوردگی و فشار بالا کاربرد دارد.
- صنایع ساختمانی: فولاد داپلکس در ساخت پل ها، اسکله ها و سایر سازه های فلزی به دلیل استحکام بالا و مقاومت به خوردگی استفاده می شود.
انواع فولاد داپلکس
- فولاد داپلکس Lean: این نوع فولاد داپلکس دارای قیمت مناسب تری نسبت به سایر انواع فولاد داپلکس است و در کاربردهایی که نیاز به مقاومت به خوردگی و استحکام بالا نیست، استفاده می شود.
- فولاد داپلکس استاندارد: این نوع فولاد داپلکس برای کاربردهای عمومی مانند ساخت مخازن و لوله ها استفاده می شود.
- فولاد سوپر داپلکس: این نوع فولاد داپلکس دارای مقاومت به خوردگی و استحکام بالاتری نسبت به فولاد داپلکس استاندارد است و در کاربردهای سخت تر مانند ساخت سکوهای نفتی و کشتی ها استفاده می شود.
- فولاد هایپر داپلکس: آلیاژی ترین گرید فولادهای داپلکس با 26 تا 30 درصد کروم و 3.5 تا 5 درصد مولیبدن که برای محیطهای به شدت خورنده اسیدی و کلریدی استفاده میشود.
نکاتی در مورد فولاد داپلکس
- فولاد داپلکس در برابر اسید کلریدریک غلیظ و برخی از اسیدهای دیگر مقاوم نیست.
- جوشکاری فولاد داپلکس باید توسط جوشکار ماهر انجام شود تا از بروز ترک خوردگی جلوگیری شود.
- فولاد داپلکس به دلیل مغناطیسی بودن، ممکن است برای برخی از کاربردها مناسب نباشد.
فولادهای ضد زنگ داپلکس (Duplex Stainless Steel) روز به روز رایج‌تر می‌شوند. دلایل متعددی باعث شده است تا تمامی کارخانه‌های بزرگ تولید فولاد ضد زنگ این نوع فولاد را ارائه دهند:
- استحکام بالاتر که منجر به کاهش وزن میشود
- مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، به ویژه در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC)
- ثبات بهتر قیمت
- قیمت پایین‌تر
هر 2 تا 3 سال یکبار کنفرانسی در مورد فولادهای داپلکس برگزار میشود که در آن ده‌ها مقاله علمی بسیار تخصصی ارائه میشود. همچنین فعالیت بازاریابی زیادی حول این نوع فولاد وجود دارد. گریدهای جدید دائماً معرفی می‌شوند.
با وجود تمام این علاقه، بهترین تخمین‌ها برای سهم بازار جهانی فولادهای داپلکس بین 1 تا 3 درصد است.
گریدهای فولادهای داپلکس
فولادهای داپلکس بر اساس ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی شان به گریدهای مختلفی تقسیم می‌شوند. رایج‌ترین گریدهای فولاد داپلکس عبارتند از:
1. فولاد داپلکس استاندارد:
- UNS S31803 یا داپلکس 2205: پرکاربردترین گرید داپلکس، مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، کاربرد در ساخت مخازن، لوله ها، تجهیزات پالایشگاه ها و صنایع شیمیایی.
- UNS S32304 یا داپلکس 2304: مقاومت به خوردگی و استحکام بین 2205 و 2507، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع غذایی و دارویی.
- UNS S32750 یا داپلکس 2507: مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، مقاومت به اسید سولفوریک، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع شیمیایی و پتروشیمی.
2. فولاد سوپر داپلکس:
- UNS S32900 (2505): مقاومت به خوردگی و استحکام بالاتر از 2205، مقاومت به اسید کلریدریک، کاربرد در ساخت سکوهای نفتی و کشتی ها.
- UNS S32550 (Zeron 100): مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، مقاومت به اسید کلریدریک، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع شیمیایی و دریایی.
3. فولاد داپلکس Lean:
- UNS S32101 یا داپلکس 2101: قیمت مناسب، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب، کاربرد در ساخت مخازن و لوله ها در محیط های غیر خورنده.
- UNS S32001 یا داپلکس 2001: قیمت مناسب، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع غذایی و دارویی.
انتخاب گرید مناسب فولاد داپلکس به عوامل زیر بستگی دارد:
- نوع محیط و میزان خوردگی
- میزان استحکام مورد نیاز
- دمای کارکرد
- فرآیندهای ساخت و جوشکاری
- بودجه
اصل فولادهای ضد زنگ داپلکس
ایده فولادهای ضد زنگ داپلکس به دهه 1920 باز می‌گردد و اولین ریخته‌گری آن در سال 1930 در شرکت اوستا سوئد انجام شد. با این حال، تنها در 30 سال گذشته است که فولادهای داپلکس به طور قابل توجهی مورد توجه قرار گرفته‌اند. این امر عمدتاً به دلیل پیشرفت‌های تکنیک‌های تولید فولاد، به ویژه در رابطه با کنترل میزان نیتروژن است.
ساختن و شکل‌دهی فولادهای استاندارد آستنیتی مانند 304 (1.4301) و فولادهای فریتی مانند 430 نسبتاً آسان است. همانطور که از نامشان پیداست، آنها عمدتاً از یک فاز، آستنیت یا فریت، تشکیل شده‌اند. اگرچه این نوع فولادها برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب هستند، اما هر دو نوع دارای ضعف‌های فنی مهمی هستند:
- آستنیتی - استحکام پایین 200) مگاپاسکالPS %0.2 در حالت آنیل شده محلول(، مقاومت کم در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش
- فریتی - استحکام پایین ) کمی بالاتر از آستنیتی، 250 مگاپاسکال PS %0.2 (، قابلیت جوشکاری ضعیف در مقاطع ضخیم، استحکام ضعیف در دمای پایین
علاوه بر این، محتوای بالای نیکل در انواع آستنیتی منجر به نوسانات قیمت میشود که برای بسیاری ازمصرف کنندگان نهایی ناخوشایند است.
ایده اصلی فولاد داپلکس این است که ترکیب شیمیایی تولید شود که منجر به مخلوط تقریباً مساوی از فریت و آستنیت شود. این تعادل فازها موارد زیر را فراهم میکند:
- استحکام بالاتر - محدوده 0.2% PS برای گریدهای داپلکس فعلی 400 تا 550 مگاپاسکال است. این می‌تواند منجر به کاهش ضخامت مقطع و در نتیجه کاهش وزن شود. این مزیت به ویژه برای کاربردهایی مانند:
o مخازن فشار و مخازن ذخیره سازی
o کاربردهای سازه‌ای، مانند پل‌ها
o قابلیت جوشکاری خوب در مقاطع ضخیم - به سادگی آستنیتی نیست، اما بسیار بهتر از فریتی است.
o استحکام خوب - به ویژه در دمای پایین، به طور معمول تا منفی 50 درجه سانتیگراد، و تا منفی 80 درجه سانتیگراد.
o مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش - فولادهای استاندارد آستنیتی به طور خاص مستعد این نوع خوردگی هستند. انواع کاربردهایی که این مزیت در آنها مهم است عبارتند از:
- مخازن آب داغ
- مخازن آبجوسازی
- کارخانه‌های فرآوری
- سازه‌های استخر شنا
دستیابی به تعادل آستنیت - فریت
برای درک نحوه عملکرد فولادهای داپلکس، میتوان ترکیب دو فولاد آشنای آستنیتی 304 (1.4301) و فریتی 430 (1.4016) را مقایسه نمود.
عناصر مهم در فولادهای ضد زنگ را می توان به فریت کننده و آستنیتی کننده طبقه بندی کرد. هر عنصر یکی از ساختارها را به شرح زیر ترجیح می دهد:
- فریت کننده: Cr کروم، Si سیلیکون، Mo مولیبدن، W تنگستن، Ti تیتانیم، Nb نیوبیم
- آستنیتی کننده: Cکربن، Ni نیکل، Mn منگنز، N نیتروژن، Cu مس
در گرید 430 به دلیل غلبه عناصر فریت کننده، ساختار فریتی ایجاد می شود. گرید 304 عمدتاً به دلیل استفاده از حدود 8 درصد نیکل، آستنیتی می شود. برای رسیدن به ساختار داپلکس با حدود 50 درصد از هر فاز، باید تعادلی بین عناصر آستنیتی کننده و فریت کننده وجود داشته باشد. این موضوع توضیح می دهد که چرا محتوای نیکل در فولادهای داپلکس به طور کلی از فولادهای آستنیتی کمتر است.
در اینجا برخی از ترکیبات معمولی فولادهای ضدزنگ داپلکس آورده شده است:
| Grade |
EN No/UNS |
Type |
Approx. Composition
|
| Cr |
Ni |
Mo |
N |
Mn |
W |
Cu |
2101 LDX
DX2202
RDN 903
2304
2205
2507
Zeron 100
Ferrinox 255/ Uranus 2507Cu
|
1.4162/ S32101
1.4062/ S32202
1.4482/ S32001
1.4362/S32304
1.4462/S31803/S32205
1.4410/S32750
1.4501/S32760
1.4507/S32520/S32550 |
Lean
Lean
Lean
Lean
Standard
Super
Super
Super |
21.5
23
20
23
22
25
25
25 |
1.5
2.5
1.8
4.8
5.7
7
7
6.5 |
0.3
0.3
0.2
0.3
3.1
4
3.2
3.5 |
0.22
0.2
0.11
0.10
0.17
0.27
0.25
0.25 |
5
1.5
4.2
–
–
–
–
– |
–
–
–
–
–
–
0.7
– |
–
–
–
–
–
–
0.7
1.5 |
در برخی از گریدهای توسعه یافته اخیر، ازت و منگنز با هم استفاده می شوند تا محتوای نیکل را به سطوح بسیار پایینی برسانند. این امر تأثیر مفیدی بر ثبات قیمت دارد.
مقاومت در برابر خوردگی فولادهای داپلکس
طیف وسیعی از فولادهای داپلکس به آنها اجازه می‌دهد تا از نظر مقاومت در برابر خوردگی با گریدهای فولاد آستنیتی و فریتی مطابقت داشته باشند. معیار واحدی برای مقاومت در برابر خوردگی وجود ندارد. با این حال، استفاده از "عدد معادل مقاومت در برابر حفره‌گی" (PREN) به عنوان راهی برای رتبه‌بندی گریدها مناسب است. یکی از فرمول‌های رایج برای این پارامتر عبارت است از:
PREN = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N
جدول زیر مقایسه فولادهای داپلکس با برخی از گریدهای آستنیتی و فریتی را نشان می‌دهد.
EN/UNS
|
نوع
|
PREN
|
1.4016 / S43000
1.4301 / S30400
1.4509 / S43932
1.4482 / S32001
1.4401 / S31600
1.4521 / S44400
1.4162 / S32101
1.4362 / S32304
1.4062 / S32202
1.4539 / N08904
1.4462 / S31803 / S32205
1.4501 / S32760
1.4507 / S32520 / S32550
1.4410 / S32750
1.4547 / S31254 |
فریتی
آستنیتی
فریتی
داپلکس
آستنیتی
فریتی
داپلکس
داپلکس
داپلکس
آستنیتی
داپلکس
داپلکس
داپلکس
داپلکس
آستنیتی |
18
19
19
22
24
24
26
26
27
34
35
41
41
43
44 |
لازم به تاکید است که این جدول تنها راهنمائی برای انتخاب مواد است. همیشه ارزیابی مناسب بودن ماده خاص با داشتن دانش کامل از محیط خورنده ضروری است.
ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC) در فولادهای داپلکس
SCC نوعی خوردگی است که با ترکیبی خاص از عوامل رخ می دهد:
- تنش کششی
- محیط خورنده
- دمای به اندازه کافی بالا. به طور معمول 50 درجه سانتیگراد، اما می تواند در دماهای پایین‌تر در حدود 25 درجه سانتیگراد در محیطهای خاص، به ویژه استخرهای شنا، رخ دهد.
متأسفانه، فولادهای استاندارد آستنیتی مانند 304 (1.4301) و 316 (1.4401) بیشتر مستعد SCC هستند. مواد زیر بسیار کمتر مستعد SCC هستند:
- فولادهای ضد زنگ فریتی
- فولادهای ضد زنگ داپلکس
- فولادهای ضد زنگ آستنیتی با نیکل بالا
مقاومت در برابر SCC باعث می شود فولادهای داپلکس مواد مناسبی برای بسیاری از فرآیندهایی باشند که در دماهای بالاتر کار می کنند، به ویژه:
- دیگهای آب داغ
- مخازن آبجوسازی
- شیرین سازی
ساختارهای فولاد ضد زنگ در استخرهای شنا به SCC معروف هستند.
بزرگترین تولید کنندگان فولادهای داپلکس
شرکت های بزرگ تولید کننده فولادهای داپلکس عبارتند از:
- اوتوکومپو (Outokumpu) شرکت فنلاندی، بزرگترین تولید کننده فولاد ضد زنگ در جهان، تولید کننده طیف گسترده ای از فولادهای داپلکس.
- تاتا استیل (Tata Steel) شرکت هندی که یکی از غولهای تولید فولاد و استیل در جهان است.
- تیسن کروپ (ThyssenKrupp) شرکت آلمانی، تولید کننده فولاد و فلزات، تولید کننده فولادهای داپلکس برای کاربردهای خاص.
- نیپون اسیتل و سومیکین (Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation) شرکت بزرگ ژاپنی تولید کننده استیل .
- سندویک (Sandvik Materials Technology) شرکت قدیمی سوئدی که در زمینه تولید آلیاژها و استیل فعال است.
- آلگنی تکنولوژی (Allegheny Technologies Incorporated) شرکت آمریکایی تولید کننده بزرگ استیل ، داپلکس، تیتانیوم و سوپرآلیاژها.
- اوسلو کولد رولد استیل (Oslo Cold Rolled Steel) شرکت نروژی، تولید کننده ورق های فولاد ضد زنگ، تولید کننده فولادهای داپلکس با ضخامت های مختلف.
- آرمکو (ArcelorMittal) شرکت فرانسوی-لوکزامبورگی، بزرگترین تولید کننده فولاد در جهان، تولید کننده طیف گسترده ای از محصولات فولادی از جمله فولادهای داپلکس.
- پوسکو (Posco Group) غول فولادی کره جنوبی که طیف وسیعی از فولادها را تولید میکند.
- آندریتز (Andritz) شرکت اتریشی، تولید کننده تجهیزات و ماشین آلات برای صنعت فولاد، تولید کننده فولادهای داپلکس با کیفیت بالا.
کشورهای اصلی تولید کننده فولادهای داپلکس:
- چین: بزرگترین تولید کننده فولاد در جهان، تولید کننده قابل توجهی از فولادهای داپلکس.
- ژاپن: تولید کننده فولاد با کیفیت بالا، تولید کننده طیف گسترده ای از فولادهای داپلکس.
- کره جنوبی: تولید کننده فولاد با کیفیت بالا، تولید کننده فولادهای داپلکس برای کاربردهای خاص.
- ایالات متحده: تولید کننده فولاد برای کاربردهای مختلف، تولید کننده فولادهای داپلکس برای کاربردهای صنعتی.
- آلمان: تولید کننده فولاد با کیفیت بالا، تولید کننده فولادهای داپلکس برای کاربردهای خاص.
عوامل متعددی در تعیین بزرگترین تولید کنندگان فولادهای داپلکس نقش دارند:
- ظرفیت تولید
- کیفیت محصولات
- تنوع محصولات
- سهم بازار
- نوآوری و تحقیق و توسعه
انتخاب تولید کننده مناسب فولاد داپلکس به عوامل مختلفی مانند:
- نوع و گرید فولاد داپلکس مورد نیاز
- کیفیت و قیمت
- خدمات پس از فروش
- سابقه و تجربه تولید کننده
میزان تولید فولاد داپلکس در جهان
تخمین زده می شود که تولید جهانی فولاد داپلکس در سال 2023 حدود 2.5 میلیون تن بوده است.
این مقدار در سال های اخیر به طور پیوسته در حال افزایش بوده است و پیش بینی می شود که تا سال 2028 به 3.5 میلیون تن برسد.
رشد تقاضا برای فولاد داپلکس به دلیل مزایای متعددی از جمله موارد زیر است:
- مقاومت به خوردگی بالا
- استحکام بالا
- قابلیت جوشکاری
- قیمت مناسب
گریدهای پرکاربرد فولاد داپلکس
- UNS S31803 (2205) پرکاربردترین گرید داپلکس، مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، کاربرد در ساخت مخازن، لوله ها، تجهیزات پالایشگاه ها و صنایع شیمیایی.
- UNS S32304 (2304) مقاومت به خوردگی و استحکام بین 2205 و 2507، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع غذایی و دارویی.
- UNS S32750 (2507) مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، مقاومت به اسید سولفوریک، کاربرد در ساخت تجهیزات صنایع شیمیایی و پتروشیمی.