cryogenic

 

فلزات و مواد در کاربردهای دمای پایین و فوق سرد (کرایوژنیک)

در بسیاری از صنایع به موادی نیاز است که توانایی پایداری در دماهای بسیار پایین یا بسیار سرد را داشته باشند. مناطق قطب شمال و جنوب به راحتی به دمای زیر °C 40- می رسد. دماهای بسیار پایین تر با تجهیزات خاص در صنایع پتروشیمی و سردکنده ها قابل دستیابی است:
°C 42-: پروپان مایع (قابل کاربرد در صنعت و انرژی)
°C 78- : دی اکسید کربن جامد (قابل کاربرد در صنعت و کشاوری)
°C 162- : متان مایع (قابل کاربرد در انرژی)
°C 183- : اکسیژن مایع (قابل کاربرد در صنعتو سلامتی)
°C 196- : نیتروژن مایع (قابل کاربرد در صنعت)
°C 253- : هیدروژن مایع (قابل کاربرد در صنعت و انرژی)
°C 270- : هلیوم مایع (قابل کاربرد در صنعت)
موادمعمولا در دمای اتاق نرم هستند و در اثر قرارگیری در دماهای پایین انعطاف پذیری خود را از دست می دهند. فولادهای ساختمانی متداول، فولادهای زنگ نزن فریتی (گروه 4000)، همچنین آهن، کروم و تنگستن در دماهای نسبتا پایین ترد هستند. از طرف دیگر، فلزاتی مثل مس، نقره، طلا، آلومینیوم و نیکل حتی در دماهای بسیار پایین نرم هستند. فولادهای زنگ-نزن آستنیتی در فهرست مواد کاربردی در دماهای پایین قرار دارند.

 

مواد مناسب برای دماهای تا °C 42-
اولین آستانه دمایی بسیار مهم، زیرا این حد دمای پایین به طور طبیعی ر سیاره زمین قابل دستیابی است و در برخی صنایع و فرایندهای شیمیایی استفاده می شود.
متاسفانه، فولادهای ساختمانی متداول در این دما کاربرد زیادی ندارند، به دلیل خصوصیات ذاتی یا به دلیل این که آن ها معمولا برای سختی و مقاوت به دماهای پایین طراحی نشده اند. برخی فولادسازان، فولادهای کربنی خاص برای این محدوده دمایی طراحی کرده اند. این ها اصولا فولادهای کم آلیاژ سریع سرد شده (کوئینچ شده) و بازپخت شده (تمپر شده) است.
تقریبا همه آلیاژهای آلومینیوم را می توان تا دمای °C 45- استفاده کرد، به جزء گروه هایی مثل 6T-7075 و 6T-7178 و آلیاژهای تیتانیوم Al3-Cr11-V13 یا Mn8. مس و آلیاژهای نیکل معمولا در این دماها به کار گرفته می شوند. فولادهای زنگ نزن رسوب سختی برای دماهای زیر °C 20- مناسب نمی باشند، به دلیل تردی و ترک است.

metals-for-liquid-cold-industrial-gases-1

مواد مناسب برای دماهای تا °C 75-
برخی فولادها را می توان در این دماه استفاده کرد، مثل فولادهای کم آلیاژ، فولادهای سریع سرد شده و بازپخت شده یا فولادهای فریتی حاوی نیکل. اغلب فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی کم کربن (%35/0-2/0 وزنی کربن)با اطمینان کافی قابل استفاده هستند. بسیاری از این آلیاژهای حاوی منگنز، نیکل،کروم، مولیبدن و وانادیوم و برخی حاوی زیرکونیوم و کربن هستند.

steels-for-cold-climates

مواد مناسب تا دمای °C 100-
فولادهای کم کربن حاوی %5/3 نیکل در مخازن نگهداری گاز مایع در دماهای تا °C 100- استفاده می شوند. بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، نیکل و تیتانیوم برای این دماها مناسب هستند. آلومینیوم 6T-7076 را می توان تا °C 128- استفاده کرد، اما برای کاربردهای حساس مناسب نمی باشند.

steel-resistant-liquid-nitrogen

موادمناسب تا دمای °C 196-
فولادهای زنگ نزن آستنیتی گروه 300 برای این محدوده دمایی مناسب است. فولادهای ماریجینگ با مقدار نیکل %25-20 وزنی و اضافه کردن کبالت، مولیبدن، تیتانیوم، آلومینیوم و نایوبیوم به کار رگفته می شوند. فولادهای ماریجینگ چکس خواری، چقرمگی و سختی بسیار عالی دارند و باید در دماهای زیر °C 400 سخت شوند. بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، مثل 6T-2024، 6T-7039 و 343H-5456 مقاومت شکست بسیار عالی در دماهای °C 196- دارند، همچنین آلیاژ 6T-2014، ولیکن جوش های آن مناسب نمی-باشد. سایر آلیاژهای مقاوم به دماهای پایینن تر شامل گروه XXX5 (آلیاژهای آلومینیوم-منیزیوم)، 87T-2219 و 6T-6061 است.

sheet-metal-for-cryogenic-temperatures

مواد مناسب زیر دمای °C 196-
دماهای زیر °C 196- برای بسیاری از صنایع جذاب است، زیرا محدوده دمایی است که هلیوم (°C 270-) و هیدروژن (°C 253-) مایع است. این عناصر امیدوارکننده برای ذخیره انرژی و پروژه های سوخت هسته ای بسیار کاربردی هستند.
در میان فولادها، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای این دماها مناسب است، مثل 304 و 310. اگر جوشکاری نیاز باشد، استفاده از نوع کم کربن آن ها پیشنهاد می شود. این آلیاژها معمولا شامل %21-18 وزنی کروم و %14-9 وزنی نیکل هستند.
آلیاژهای آلومینیوم که در این محدوده دمایی استفاده می شوند شامل گروه XXX2 و XXX5 یا آلیاژ 6T-6061 است. در عمل، جوش های 87T-2219 مقاومت به شکست بسیار عالی دارند، در حالی که 38H-5052 و 1138-5083 مقاومت به ترک خوردن بالایی دارند. کاربدرهای یکسان برای مونل، مونل-K و نیکل شکل دهی الکرتیکی و آلیاژهای نیکل مثل اینکونل X اینکونل 718، رنِ 41 و هاستلوی B ذکر شده است. در این دماها، فقط آلیاژهای تیتانیوم Sn5/2-Al5-T ، V4-Al6-Ti و Ta1-Cb2-Al8-TiY استفاده می شود که هر دو قابل جوشکاری هستند.
آلیاژهای مس در تماس با هیادروژن و هلیوم مایع (مثل برنج 70-30)، مس-برلیوم، برنز آهن-سیلسیم و برنز-آلومینیوم) استفاده می-شود. از طرف دیگر، آلیاژهای منیزیوم تمایل به تردی دارند، اما می توان در کاربردهای کم تنش با طراحی دقیق استفاده شوند.

pipes-for-liquid-oxygen

 

materials-resistant-to-extremely-low-temperatures