Composición e identificación de grados
Zr702, denominado UNS R60702, es circonio sin alear que contiene alrededor del 99,2 por ciento de circonio con pequeñas adiciones controladas de estaño, hierro y cromo y un contenido de hafnio normalmente limitado al 4,5 por ciento. Zr705, denominado UNS R60705, está aleado con aproximadamente entre un 2,0 y un 3,0 por ciento de niobio, lo que le confiere una resistencia significativamente mayor que el grado sin alear sin una gran pérdida de ductilidad o resistencia a la corrosión. Ambos están cubiertos por ASTM B550 para placas, láminas y tiras y ASTM B551 para barras, alambres y piezas forjadas, que establecen las propiedades químicas, mecánicas y las tolerancias. Debido a que el hafnio es químicamente similar al circonio y su separación es costosa, el nivel de hafnio permitido es una parte importante de la especificación y su implicación en costos.
Fuerza y comportamiento mecánico
La principal diferencia práctica entre los dos grados es la fuerza. El Zr702 sin alear tiene un límite elástico de aproximadamente 200 megapascales en estado recocido, mientras que el Zr705 alcanza aproximadamente 500 megapascales o más dependiendo de la forma del producto y el tratamiento térmico. Esa diferencia permite utilizar Zr705 en secciones más delgadas o con una presión de diseño más alta, y en muchos recipientes el espesor de pared reducido compensa el mayor costo del material por kilogramo. Ambos grados conservan una ductilidad útil y pueden formarse y soldarse, aunque Zr705 requiere un control de fabricación más cuidadoso porque su mayor resistencia va acompañada de una mayor sensibilidad al tratamiento térmico y al procedimiento de soldadura. El diseño debe seguir lo permitido en el código aplicable para la forma y condición específicas del producto en lugar de asumir un valor único.
Resistencia a la corrosión en medios de proceso
Ambos grados resisten una amplia gama de medios agresivos, incluidas soluciones de ácido clorhídrico y sulfúrico, ácidos orgánicos como el ácido acético y fórmico, peróxido de hidrógeno, agua de mar y muchos entornos que contienen cloruro, y ambos forman una película protectora de óxido que se repara automáticamente cuando se daña. En la mayoría de estos medios, los dos grados se comportan de manera muy similar, por lo que la resistencia a la corrosión por sí sola rara vez decide la selección. Las diferencias aparecen en entornos específicos y a altas temperaturas, donde el elemento de aleación puede influir en el comportamiento, y en servicios que contienen hidrógeno, donde el circonio puede absorber hidrógeno y formar hidruros frágiles. La captación de hidrógeno depende del medio, la temperatura, la condición de la superficie y la presencia de promotores, por lo que debe evaluarse para el proceso real en lugar de asumirse a partir del nombre del grado.
Criterios típicos de servicio y selección
Zr702 se usa comúnmente para intercambiadores de calor, tuberías, recipientes, columnas y válvulas donde el proceso es corrosivo pero el trabajo mecánico es moderado y donde la máxima resistencia a la corrosión con una fabricación simple es la prioridad. Se elige Zr705 cuando se debe combinar la misma resistencia a la corrosión con una mayor resistencia, por ejemplo en recipientes a presión, tuberías de alta presión, agitadores y componentes sujetos a carga mecánica o erosión, y donde una pared más delgada proporciona un ahorro de peso o una ventaja en el proceso. El proceso de selección debe comparar el costo total de instalación, incluido el material, el espesor, la soldadura, la inspección y el costo de cualquier tratamiento térmico posterior a la soldadura, en lugar del precio por kilogramo, porque la sección más delgada de Zr705 puede ser más barata en general en un diseño de alta presión.
Fabricación, Soldadura e Inspección
El circonio debe protegerse de la contaminación durante la fabricación, porque reacciona fácilmente con el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y el carbono a temperaturas elevadas y la contaminación resultante fragiliza el material. La soldadura se lleva a cabo en una atmósfera inerte con un blindaje cuidadoso y, cuando sea necesario, un escudo posterior y purga, y la soldadura y la zona afectada por el calor deben ser brillantes y libres de decoloración. Las herramientas de corte, esmerilado y conformado deben utilizarse únicamente con circonio o limpiarse minuciosamente, ya que la contaminación con hierro provoca corrosión localizada. La inspección incluye tintes penetrantes u otros exámenes de superficie y, cuando se especifique, examen radiográfico o ultrasónico de las soldaduras, junto con la verificación química del producto entregado. Se deben conservar registros del número de calor, la forma del producto y el procedimiento de soldadura durante la vida útil del equipo.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la diferencia entre Zr702 y Zr705?
El Zr702 es circonio sin alear, mientras que el Zr705 está aleado con aproximadamente entre un 2,0 y un 3,0 por ciento de niobio, lo que eleva su límite elástico a aproximadamente 500 megapascales o más, frente a unos 200 megapascales del Zr702.
P: ¿Qué grado tiene mejor resistencia a la corrosión?
En la mayoría de los medios de proceso químico, ambos funcionan de manera muy similar, por lo que la resistencia a la corrosión por sí sola rara vez decide la elección y la selección generalmente depende de la resistencia, la presión y la temperatura.
P: ¿Cuándo se debe seleccionar Zr705?
Donde la resistencia a la corrosión del circonio debe combinarse con una mayor resistencia, como en recipientes a presión, tuberías de alta presión y componentes bajo carga mecánica, lo que a menudo permite una pared más delgada.
P: ¿Qué normas cubren las placas y barras de circonio?
ASTM B550 cubre placas, láminas y tiras de circonio y ASTM B551 cubre barras, alambres y forjados, y ambos establecen química, propiedades mecánicas y tolerancias.
P: ¿Por qué se especifica el contenido de hafnio?
El hafnio es químicamente similar al circonio y su separación es costosa, por lo que el contenido máximo de hafnio se controla en la especificación y afecta tanto a las propiedades como al costo del material.
P: ¿Cuál es el principal riesgo de fabricación con circonio?
La contaminación por oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono y hierro a temperaturas elevadas provoca fragilidad y corrosión localizada, por lo que la soldadura necesita protección total con gas inerte y herramientas limpias y dedicadas.