Inox chịu nhiệt cho lò hơi, lò nung: chọn 310S, 309S, 253MA, 347H

Trong các ứng dụng Công nghiệp Nặng như nhiệt điện, xi măng, gốm sứ hay lò nhiệt luyện, chọn đúng mác inox chịu nhiệt quyết định tuổi thọ lò hơi/lò nung và an toàn vận hành. Bài viết này tập trung vào các mác inox chịu nhiệt chuyên dụng (310S, 309S, 253MA, 347H, 321H, 304H, 446…) với phạm vi nhiệt độ, môi trường làm việc điển hình, tiêu chuẩn vật liệu và lưu ý gia công – hàn.

Những yêu cầu kỹ thuật cốt lõi ở nhiệt độ cao

– Chống ôxy hóa (scaling): Khả năng tạo màng Cr2O3/SiO2 bền ở 900–1150°C.
– Độ bền rão (creep): Chịu ứng suất lâu dài ở 500–750°C (đặc biệt cho ống quá nhiệt/lò hơi).
– Chống cacbon hóa/nitrid hóa: Trong khí lò giàu CO/CH4/NH3.
– Môi trường chứa lưu huỳnh: Khí SO2/H2S làm giảm mạnh nhiệt độ cho phép.
– Sốc nhiệt và giãn nở: Austenitic giãn nở lớn, dễ nứt nhiệt nếu thiết kế không bù giãn nở.
– Khả năng hàn – chế tạo: Ferritic Cr cao (như 446) khó hàn hơn austenitic.

Nhóm mác inox chịu nhiệt chủ lực cho lò hơi, lò nung

– Austenitic chịu nhiệt: 309/309S (23Cr-12Ni), 310/310S (25Cr-20Ni), 253MA (UNS S30815), 321/321H (Ti ổn định), 347/347H (Nb ổn định), 304H/316H (hàm lượng C cao cho creep).
– Ferritic Cr cao: 446 (≈26%Cr) chống ôxy hóa mạnh, hàn khó, độ bền rão kém.
– Lưu ý: Duplex không thích hợp trên ~300–350°C do giòn pha sigma; hợp kim đúc chịu nhiệt (HK40/HP40) dùng cho radiant tube, nhưng nằm ngoài phạm vi “thép không gỉ cán/đúc liền mạch” trong bài này.

Hồ sơ từng mác: giới hạn nhiệt và ứng dụng điển hình

304H (UNS S30409), 316H (UNS S31609)

– Vai trò: Tăng độ bền rão vùng 500–700°C cho ống quá nhiệt, bộ hâm nước.
– Nhiệt độ khuyến nghị: Creep tốt đến ~600–650°C; ôxy hóa tối đa ~870°C trong không khí khô, nhưng không phải mác chịu nhiệt “đỉnh cao”.
– Ứng dụng: Ống lò hơi nhiệt điện, thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ trung bình.
– Tiêu chuẩn: ASTM A213 (ống lò hơi), A312 (ống công nghiệp), A240 (tấm).

321/321H (UNS S32100/S32109) – ổn định bằng Ti

– Điểm mạnh: Chống nhạy cảm hóa (carbide Cr) khi hàn; creep tốt hơn 304 ở 550–700°C.
– Nhiệt độ: Dùng bền trong không khí đến ~870–900°C; dịch vụ creep điển hình 540–700°C.
– Ứng dụng: Ống quá nhiệt, ống trao đổi nhiệt lò hơi; ống khói.
– Hàn: Thường dùng que 347 hoặc 321; với dịch vụ >450°C ưu tiên que 347 (ổn định Nb).

347/347H (UNS S34700/S34709) – ổn định bằng Nb

– Điểm mạnh: Ổn định hóa tốt hơn 321 ở dịch vụ nhiệt cao; creep tốt.
– Nhiệt độ: Tương tự 321H; dùng nhiều cho superheater 540–650°C.
– Ứng dụng: Ống quá nhiệt/ống hồi nhiệt, phụ kiện lò hơi.
– Tiêu chuẩn: ASTM A213 TP347H, A312 TP347H, A240 347.

309/309S (UNS S30900/S30908)

– Thành phần: ~23%Cr, 12%Ni.
– Nhiệt độ: Kháng ôxy hóa đến ~980–1000°C liên tục, ~1035°C gián đoạn trong không khí.
– Ứng dụng: Vỏ lò, bích, giỏ nhiệt luyện, tấm che lò, bộ phận tiếp lửa mức 900–1000°C.
– Hạn chế: Creep kém hơn 310S/253MA; giảm tuổi thọ trong khí lưu huỳnh khử.

310/310S (UNS S31000/S31008)

– Thành phần: ~25%Cr, 20%Ni; 310S có C thấp dễ hàn.
– Nhiệt độ: Chống ôxy hóa ổn định đến ~1050°C liên tục, ~1100°C gián đoạn trong không khí.
– Ứng dụng: Radiant parts, ống đốt, tấm lót buồng lửa, song ghi lò, muffle 900–1050°C; chịu cacbon hóa tốt hơn 309S.
– Hạn chế: Nhạy với sulfur hóa trong môi trường khử; cần giảm nhiệt độ vận hành nếu đốt dầu FO nhiều S.

253MA (UNS S30815, EN 1.4835)

– Đặc trưng: 21Cr-11Ni-Si-N + đất hiếm; lớp màng oxit rất bền.
– Nhiệt độ: Kháng ôxy hóa đến ~1100–1150°C trong không khí khô; độ bền rão vượt 309/310S.
– Ứng dụng: Thanh neo chịu lửa (refractory anchors), lưới băng tải lò nung, ống radiant, buồng đốt 1000–1100°C, chi tiết cần tuổi thọ dài với tải.
– Hạn chế: Tránh môi trường khử giàu lưu huỳnh; kiểm soát nhiệt đầu vào khi hàn.

446 (UNS S44600, EN 1.4762/1.4763 tương đương nhóm 26Cr ferritic)

– Điểm mạnh: Chống ôxy hóa cực tốt đến ~1100–1150°C; giãn nở thấp hơn austenitic nên chống sốc nhiệt tốt hơn.
– Hạn chế: Bền rão và độ dẻo kém; khó hàn/chế tạo; không phù hợp chi tiết chịu tải kéo ở nhiệt cao dài hạn.
– Ứng dụng: Tấm lót lò, ống khói nhiệt cao, giỏ nung nhẹ, chi tiết không chịu tải nặng.

Chọn mác theo nhiệt độ và môi trường vận hành

– 400–650°C, có tải kéo dài (lò hơi, superheater/reheater): 304H, 316H, 321H, 347H. Ưu tiên 321H/347H khi yêu cầu chống nhạy cảm hóa và creep tốt.
– 650–900°C, không khí/khí cháy oxy hóa: 321H/347H ở dưới 800–850°C; trên 850–900°C chuyển sang 309S/310S.
– 900–1000°C, không khí khô: 309S hoặc 310S; chi tiết chịu tải ưu tiên 310S.
– 1000–1100°C, không khí khô: 310S hoặc 253MA. Cần bền rão cao, neo chịu lửa/băng tải lò: 253MA.
– >1100°C: Xem xét 253MA (tối đa ~1150°C) cho môi trường rất sạch; nếu khắc nghiệt hơn, cân nhắc hợp kim chịu nhiệt đúc chuyên dụng (ngoài phạm vi inox cán).
– Môi trường carbur hóa (CO/CH4): 310S tốt; 253MA thường tốt hơn khi vừa cần chống ôxy hóa vừa cần bền rão.
– Môi trường nitrid hóa (NH3, cracking): Austenitic nói chung không bền; cần đánh giá cụ thể, đôi khi phải dùng hợp kim Ni cao.
– Môi trường lưu huỳnh khử (H2S, SO2 + thiếu O2, đốt FO nhiều S): Giảm nhiệt độ cho phép của austenitic ~100–150°C; 446 kháng sulfur tốt hơn nhưng chỉ cho chi tiết không chịu tải. Khi môi trường khắc nghiệt, cân nhắc hợp kim nền Ni.

Ứng dụng thực tế theo ngành

– Lò hơi – nhiệt điện, nồi hơi công nghiệp:
+ Ống quá nhiệt/ống hồi nhiệt: 321H, 347H, 304H (540–650°C).
+ Ống khói nhiệt cao, bộ phận dẫn khí nóng: 321/347, 309S.
– Lò nung gốm sứ, vật liệu xây dựng, nhiệt luyện kim:
+ Vỏ lò, tấm lót, cửa lò 900–1050°C: 309S/310S.
+ Neo chịu lửa, băng tải lò, radiant tubes 1000–1100°C: 253MA/310S.
+ Môi trường có CO/cacbon: ưu tiên 310S, 253MA.
– Lò đốt dầu FO/than lưu huỳnh:
+ Tấm lót và chi tiết không chịu tải: 446; nếu cần hàn phức tạp, cân nhắc 310S nhưng giảm nhiệt độ vận hành và bảo trì thường xuyên.

Tiêu chuẩn, mác tương đương và dạng hàng

– Tiêu chuẩn sản phẩm:
+ Tấm/cuộn: ASTM A240; Ống hàn/đúc liền mạch: ASTM A312; Ống lò hơi: ASTM A213; Thanh tròn: ASTM A479.
– Ký hiệu tương đương phổ biến:
+ 310S: UNS S31008, EN 1.4845, JIS SUS310S.
+ 309S: UNS S30908, EN 1.4828, JIS SUS309S.
+ 253MA: UNS S30815, EN 1.4835.
+ 347/347H: UNS S34700/S34709, EN 1.4550.
+ 321/321H: UNS S32100/S32109, EN 1.4541.
+ 304H: UNS S30409, EN 1.4948.
+ 446: UNS S44600, EN nhóm 1.4762/1.4763 (tùy thành phần).
– Dạng hàng tại Việt Nam:
+ Tấm: 2–20 mm (phổ biến), 310S/309S/253MA có thể cần đặt hàng nếu dày >12 mm.
+ Ống công nghiệp: DN15–DN300; ống lò hơi theo A213 thường là 321H/347H.
+ Thanh tròn/neo chịu lửa: 8–32 mm, 253MA/310S.

Hàn, gia công và lắp đặt: những điểm cần lưu ý

– Lựa chọn vật liệu hàn:
+ 310S: dùng que/đáy 310 hoặc 310Mo; nối dị vật liệu sang thép carbon dùng 309L.
+ 309S: dùng 309/309L; dị vật liệu sang thép carbon cũng 309L.
+ 321/321H: dùng que 347 cho dịch vụ >450°C; hoặc 321 nếu nhiệt độ khai thác thấp.
+ 347/347H: dùng 347.
+ 253MA: dùng que chuyên dụng 253MA hoặc 309/310 theo khuyến nghị nhà SX; kiểm soát nhiệt đầu vào để giữ N.
– Quy trình hàn: Không cần preheat với austenitic; tránh nhiệt đầu vào quá cao để hạn chế biến dạng và sigma. Ferritic 446 có thể cần preheat nhẹ và nhiệt độ giữa lớp thấp; mối hàn giòn, thử nghiệm trước khi sản xuất.
– Gia công – chế tạo: Austenitic giãn nở nhiệt lớn (~17–19 µm/m.K); thiết kế khe giãn nở, gối trượt và khớp giãn nở để tránh nứt do kẹt nhiệt.
– Xử lý bề mặt: Tẩy gỉ/pickling sau hàn loại bỏ heat tint; trong môi trường nhiệt cao, bề mặt sạch giúp hình thành màng ôxít bảo vệ đều và bền.
– Lắp đặt trong lò: Tránh kẹp cứng hai đầu khi chi tiết dài; bố trí neo chịu lửa bằng 253MA/310S để hạn chế gãy do mỏi nhiệt.

Gợi ý lựa chọn nhanh theo kịch bản phổ biến

– Lò nhiệt luyện 950–1050°C, không khí khô: 310S; cần tuổi thọ/cường độ cao hơn: 253MA.
– Lò gốm sứ có CO, thời gian nung dài: 253MA hoặc 310S (ưu tiên 253MA nếu có tải).
– Buồng đốt dầu FO có S: 446 cho tấm lót không chịu tải; nếu cần chi tiết hàn phức tạp dùng 310S nhưng hạ nhiệt độ và kiểm soát môi trường.
– Ống quá nhiệt lò hơi 540–650°C: 321H hoặc 347H; thay 304H khi cần ổn định hóa chống ăn mòn tinh giới.
– Chi tiết chịu sốc nhiệt lặp lại: 446 (giãn nở thấp) hoặc 253MA; tránh tiết diện dày đột ngột ở austenitic.

Lỗi lựa chọn thường gặp (và cách tránh)

– Dùng 304/316 thông thường cho chi tiết >900°C: lớp scale bong nhanh, biến dạng; thay bằng 309S/310S/253MA.
– Chọn 310S cho môi trường lưu huỳnh khử mà không giảm nhiệt: nhanh hỏng do sulfide; cân nhắc 446 hoặc vật liệu nền Ni, hoặc giảm tải nhiệt.
– Quên bù giãn nở nhiệt khi thiết kế bệ đỡ/dẫn hướng: nứt tấm lót, gãy neo.
– Hàn 446 như austenitic: rạn nứt mối hàn; cần quy trình riêng cho ferritic Cr cao.

Chi phí – nguồn cung

– Chi phí vật liệu tăng theo 304H/321H < 347H ≈ 309S < 310S < 253MA (thường phải đặt hàng). - Với dự án lò nung/lò hơi mới: nên tính tổng chi phí vòng đời (tuổi thọ, thời gian dừng lò) – 253MA/310S thường cho chi phí vòng đời thấp hơn so với 309S khi nhiệt độ >1000°C và tải kéo đáng kể.

Kết luận

– Lò hơi (540–650°C, có tải kéo dài): chọn 321H/347H/304H theo yêu cầu creep và ổn định hóa; 347H thường là lựa chọn “an toàn” cho superheater.
– Lò nung 900–1050°C: 310S là mác “chủ lực”; 309S phù hợp chi tiết ít tải.
– 1000–1100°C, cần bền rão và tuổi thọ cao: 253MA vượt trội; nếu chỉ cần chống ôxy hóa, 310S vẫn hiệu quả.
– Môi trường lưu huỳnh khử hoặc rất khắc nghiệt: xem xét 446 cho chi tiết không chịu tải hoặc chuyển sang hợp kim nền Ni chuyên dụng.
Chọn đúng mác theo nhiệt độ–môi trường–tải sẽ tối ưu hóa tuổi thọ lò và chi phí vòng đời. Liên hệ Inox Cường Thịnh để được tư vấn chi tiết vật liệu, giải pháp hàn/lắp đặt và báo giá tốt nhất. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com

Tài liệu tham khảo
– Outokumpu Stainless Steel Handbook; Outokumpu datasheet 253MA (EN 1.4835): giới hạn nhiệt và ứng dụng (outokumpu.com).
– Alleima/Sandvik 253 MA material datasheet: kháng ôxy hóa đến 1150°C, bền rão cao (alleima.com).
– ATI 309/309S/310/310S Datasheets: giới hạn nhiệt và hướng dẫn hàn (atimetals.com).
– Nickel Institute, Guidelines for the Selection of Heat-Resistant Alloys (nickelinstitute.org).
– ASTM A240, A312, A213 – tiêu chuẩn tấm/ống inox chịu nhiệt (astm.org).