Inox chịu nhiệt: So sánh 310S, 309S và 304H cho 600–1150°C

Trong nhóm các mác inox phổ biến, 310S, 309S và 304H là ba lựa chọn tiêu biểu cho điều kiện nhiệt cao. Bài viết này cung cấp so sánh thực dụng và chuyên sâu: giới hạn nhiệt làm việc, khả năng kháng oxy hóa/carbur hóa, độ bền creep, thi công hàn – gia công, và tiêu chí lựa chọn theo tình huống. Nếu bạn đang thiết kế lò nung, buồng đốt, ống trao đổi nhiệt hay ống khói công nghiệp, đây là hướng dẫn độc lập giúp ra quyết định chính xác.

Tóm tắt nhanh: Khi nào chọn 310S, 309S, 304H?

– Inox 310S (UNS S31008): lựa chọn số 1 cho môi trường oxy hóa và/hoặc carbur hóa mạnh ở nhiệt độ rất cao.
– Nhiệt độ làm việc liên tục: tới khoảng 1100–1150°C (oxy hóa khô).
– Thành phần điển hình: 24–26% Cr, 19–22% Ni, C ≤ 0,08%.
– Điểm mạnh: kháng oxy hóa và carbur hóa vượt trội, bền nhiệt tốt, ít nhạy cảm hóa do C thấp.
– Inox 309S (UNS S30908): tối ưu cho nhiệt cao trung – cao khi ngân sách hạn chế hơn 310S.
– Nhiệt độ làm việc liên tục: tới khoảng 1000–1050°C (oxy hóa khô).
– Thành phần: 22–24% Cr, 12–15% Ni, C ≤ 0,08%.
– Điểm mạnh: cân bằng giữa kháng oxy hóa, chi phí và khả năng hàn.
– Inox 304H (UNS S30409): chuyên dụng cho ứng dụng chịu tải/áp lực ở 550–800°C, yêu cầu độ bền creep.
– Nhiệt độ thiết kế phổ biến: ~550–800°C (theo tiêu chuẩn ASME cho thiết bị áp lực).
– Thành phần: 18–20% Cr, 8–11% Ni, C = 0,04–0,10% (H = high carbon).
– Điểm mạnh: độ bền creep cải thiện rõ so với 304/304L; kinh tế hơn 309S/310S.

Lưu ý: Nhiệt độ nêu là giá trị tham chiếu trong môi trường oxy hóa khô. Chu kỳ nhiệt gắt, khí lưu huỳnh/chloride, hoặc thiếu oxy có thể hạ giới hạn làm việc thực tế.

Thành phần hóa học và ý nghĩa kỹ thuật

– Vai trò Cr và Ni:
– Crom (Cr) tăng kháng oxy hóa ở nhiệt cao nhờ lớp Cr2O3 bền.
– Niken (Ni) ổn định austenit, tăng kháng carbur hóa/nitrid hóa tương đối, giữ độ dẻo ở nhiệt cao.
– Hàm lượng C:
– 310S/309S: carbon thấp (≤0,08%) giảm nguy cơ nhạy cảm hóa ở vùng 450–850°C khi hàn.
– 304H: carbon cao (0,04–0,10%) tăng độ bền creep/rupture ở 550–800°C, phù hợp tiêu chuẩn ASME cho nồi hơi/thiết bị chịu áp.
– Nguy cơ pha sigma:
– 309S/310S có nguy cơ kết tủa pha sigma sau phơi lâu ở 600–900°C; thiết kế cần tính đến độ giòn tăng theo thời gian.
– Định danh và tiêu chuẩn:
– Tấm/cuộn: ASTM A240 / ASME SA-240.
– Ống hàn/đúc: ASTM A312; Ống nồi hơi: ASTM A213.
– Thanh: ASTM A479.
– UNS: 310S (S31008), 309S (S30908), 304H (S30409).

Khả năng chịu nhiệt và kháng oxy hóa/ăn mòn ở nhiệt cao

Giới hạn nhiệt độ thực dụng

– 310S:
– Oxy hóa khô, liên tục: ~1100–1150°C; gián đoạn: ~1050–1100°C.
– Carbur hóa: tốt; thường dùng cho radiant tube, giỏ tôi, chi tiết lò tiếp xúc khí giàu carbon.
– 309S:
– Oxy hóa khô, liên tục: ~1000–1050°C; gián đoạn: ~980–1000°C.
– Carbur hóa: khá; phù hợp buồng đốt, ống xả công nghiệp, tấm chắn nhiệt.
– 304H:
– Oxy hóa khô: khoảng ~870°C; dùng tốt nhất ở 550–800°C khi có tải/áp.
– Carbur hóa: trung bình; không khuyến nghị cho môi trường carbur hóa mạnh kéo dài.

Ảnh hưởng môi trường làm việc

– Oxy hóa chu kỳ: luân phiên nóng–nguội gây bong tróc lớp ôxit. 310S chịu tốt nhất; chọn bề dày đủ, hạn chế sốc nhiệt.
– Khí lưu huỳnh (SO2, H2S): austenitic tiêu chuẩn kém hơn hợp kim Ni cao hoặc ferritic giàu Cr (ví dụ 446). 309S/310S tốt hơn 304H nhưng vẫn cần đánh giá khí lò.
– Carbur hóa/nitrid hóa: 310S vượt trội cho carbur hóa; nitrid hóa khắc nghiệt cần hợp kim Ni nền (Inconel 600/601).
– Thiếu oxy/khí khử: lớp Cr2O3 không tái sinh tốt; cân nhắc biện pháp thông gió/khí bảo vệ.

Độ bền ở nhiệt cao: creep và ứng suất thiết kế

– 304H: lựa chọn ưu tiên cho hệ thống chịu áp/tải lâu dài ở 550–800°C. Carbon cao giúp duy trì độ bền creep/rupture tốt hơn 304/304L.
– 309S và 310S: vẫn có khả năng chịu creep, nhưng thường dùng cho chi tiết lò không chịu áp lớn (kệ lò, máng, tấm che, bích ống lò).
– Thực hành thiết kế:
– Ở >600°C, độ bền kéo/yield giảm mạnh (chỉ còn vài chục phần trăm so với nhiệt độ phòng). Luôn tra allowable stress theo ASME Section II-D khi thiết kế thiết bị áp lực.
– Tránh điểm nóng cục bộ; dùng gối đỡ giãn nở và khe bù để giảm ứng suất nhiệt.

Tính chất vật lý quan trọng cho thiết kế nhiệt

– Khối lượng riêng (20°C): ~7,9 g/cm3 cho cả ba mác.
– Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (x10^-6/K, 20–100°C tham chiếu):
– 304H: ~17,3 (cao hơn) → dễ biến dạng do giãn nở.
– 309S: ~16,0.
– 310S: ~15,9 (thấp hơn) → có lợi cho chu kỳ nhiệt.
– Lưu ý: ở 800–1000°C, hệ số này tăng thêm đáng kể; bố trí khe giãn nở, gối trượt là bắt buộc.
– Độ dẫn nhiệt: 310S/309S thấp hơn 304H đôi chút → giữ nhiệt tốt hơn, nhưng tăng gradient nhiệt; cân nhắc chiều dày và cách bố trí làm mát.
– Mô đun đàn hồi: từ ~193 GPa (20°C) giảm còn xấp xỉ một nửa ở 600–700°C → tính toán võng/ổn định cần hệ số giảm theo nhiệt độ.

Khả năng gia công – hàn – xử lý bề mặt

– Gia công nguội/nóng:
– 310S/309S có độ bền nóng tốt; cán/ép ở 1150–1200°C, kết thúc >980°C; cần tôi dung dịch để khôi phục tính chất.
– 304H tạo hình nguội dễ; độ bền cao hơn 304/304L chút do C tăng.
– Hàn:
– Quy trình: GTAW/GMAW/SMAW đều phù hợp; không cần preheat. Giữ nhiệt độ lớp hàn thấp, interpass thường <150–200°C để hạn chế kết tủa không mong muốn. - Vật liệu hàn khuyến nghị: - 310S: ER310/ENiCrFe-3 tùy môi trường; dùng 309 khi hàn với thép cacbon/khác mác. - 309S: ER309L/ER309Mo (nếu có Mo). - 304H: ER308H/ER308L (ứng dụng nhiệt cao chọn H để tương thích creep). - Sau hàn: thông thường không cần xử lý nhiệt; nếu yêu cầu chống ăn mòn nước, cân nhắc tẩy gỉ – thụ động hóa bề mặt. - Gia công cơ: tất cả là austenitic, không từ tính sau ủ; có thể nhiễm từ nhẹ sau biến cứng nguội.

Ứng dụng tiêu biểu theo mác

– 310S:
– Ống radiant, phụ kiện lò công nghiệp, buồng đốt, giỏ/tấm giá tôi, tấm chắn nhiệt sát ngọn lửa, ống khói vùng nhiệt rất cao.
– 309S:
– Vách/ống buồng đốt, tấm lót lò, cổ xả lò sấy, vỏ che bộ trao đổi nhiệt khí nóng, bích và ống xả lò hơi – lò dầu truyền nhiệt.
– 304H:
– Ống quá nhiệt, ống góp nồi hơi, header, ống trao đổi nhiệt khí–khí, ống khói và ống dẫn nhiệt ở 550–800°C có áp suất.

So sánh chi phí và sẵn có

– Chi phí tương đối (thường xuyên biến động theo giá Ni/Cr):
– 310S cao nhất > 309S > 304H.
– Sẵn có tại thị trường Hà Nội:
– Dạng tấm/ống/thanh phổ biến; 310S/309S thường có sẵn ở độ dày mỏng–trung bình, kích thước theo ASTM.
– Yêu cầu chứng chỉ MTC (EN 10204 3.1), PMI xác nhận mác, và tình trạng nhiệt luyện (solution annealed).

Lựa chọn theo tình huống: khuyến nghị nhanh

– Nhiệt độ làm việc liên tục:
– >1050–1150°C, oxy hóa khô → 310S.
– 950–1050°C → 309S (310S nếu có carbur hóa/môi trường khắc nghiệt).
– 550–800°C, có tải/áp → 304H (tuân theo allowable stress ASME).
– Môi trường:
– Carbur hóa mạnh → 310S; nếu cực nặng, cân nhắc hợp kim Ni cao.
– Lưu huỳnh thấy rõ → đánh giá lại; 309S/310S tốt hơn 304H nhưng có thể cần vật liệu chuyên dụng.
– Vận hành chu kỳ nhiệt nhanh:
– Ưu tiên 310S/309S (hệ số giãn nở thấp hơn 304H), đồng thời tối ưu độ dày và gối đỡ.
– Ngân sách hạn chế:
– Cố định nhiệt độ ~1000°C → 309S là điểm cân bằng tốt.
– Dưới 800°C có tải → 304H cho hiệu quả chi phí.

Mẹo kỹ thuật và sai lầm thường gặp

– Đừng dùng 304/304L thông thường cho >600–700°C, đặc biệt có tải: dễ mất bền, nhạy cảm hóa, bong ôxit.
– Chọn đúng que/kim hàn; hàn 304H bằng ER308L có thể làm giảm độ bền creep mối hàn ở nhiệt cao.
– Tránh tiếp xúc vật liệu với muối chloride khi nguội hoặc trong shutdown ẩm ướt, vì austenitic dễ nứt SCC ở 60–200°C.
– Lập kế hoạch giãn nở: thêm khớp giãn nở/ống mềm, gối trượt để bảo vệ mối hàn và gối đỡ.
– Tiền oxy hóa có kiểm soát (pre-oxidation) trước khi vận hành giúp ổn định lớp ôxit, giảm bong tróc ban đầu.

Khi nào nên cân nhắc vật liệu thay thế?

– 253MA (UNS S30815): kháng oxy hóa rất tốt tới ~1100°C, bền chu kỳ nhiệt; phù hợp khi cần khả năng mang tải tốt ở nhiệt cao và chi phí thấp hơn 310S.
– Ferritic 446: kháng oxy hóa cao nhưng giòn, khó hàn; phù hợp tấm lót lò tĩnh.
– Hợp kim nền Ni (Inconel 600/601): carbur hóa/nitrid hóa nặng, sốc nhiệt khắc nghiệt; chi phí cao.

Ví dụ ứng dụng thực tế ngắn

– Lò nung gốm 1000–1050°C, vận hành gián đoạn: chuyển từ 304H sang 309S cho tấm lót và cổ xả giúp giảm bong ôxit và cong vênh sau 3–6 tháng vận hành.
– Đường ống khí nóng 700°C có áp 8 bar: dùng 304H theo allowable ASME, mối hàn bằng ER308H, bổ sung khớp giãn nở → tăng tuổi thọ gấp đôi so với 304L.

Checklist đặt hàng và kiểm soát chất lượng

– Xác nhận mác/UNS và tiêu chuẩn (ASTM A240/A312/A213).
– Tình trạng nhiệt luyện: solution annealed, pickled & passivated.
– Kích thước, bề dày, dung sai và độ phẳng/ovality theo tiêu chuẩn.
– Chứng chỉ MTC 3.1, kiểm tra PMI, phân tích C cho 304H (đảm bảo C ≥ 0,04%).
– Nếu ứng dụng nhiệt cao: yêu cầu test/khai báo giới hạn nhiệt khuyến nghị của nhà sản xuất.

Kết luận

– 310S là lựa chọn hàng đầu cho oxy hóa/carbur hóa rất cao tới ~1100–1150°C, phù hợp chi tiết lò, radiant tube và vùng sát ngọn lửa.
– 309S cân bằng giữa hiệu năng nhiệt cao (~1000–1050°C) và chi phí, phù hợp buồng đốt, ống xả, tấm lót lò.
– 304H tối ưu cho 550–800°C khi có tải/áp, đáp ứng yêu cầu creep của thiết bị áp lực với chi phí hợp lý.
Quyết định cuối cùng nên dựa trên nhiệt độ làm việc, môi trường khí, chế độ vận hành (liên tục/chu kỳ), yêu cầu chịu tải và ngân sách. Chọn đúng mác ngay từ đầu giúp giảm chi phí vòng đời, tăng an toàn và độ tin cậy cho hệ thống nhiệt công nghiệp.