Жаропрочный сплав

 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к жаропрочным сплавам для изготовления жаропрочных труб-коллекторов установок производства метанола, водорода, аммиака и др., с рабочими режимами при температуре 700-900^oC и давлением до 50 атм. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: углерод - не более 0,05, кремний - не более 0,7, марганец - не более 0,7, хром 19,0-23,0, никель 30,0-34,0, титан 0,25-0,6, алюминий - не более 0,5, сера - не более 0,02, фосфор - не более 0,03, медь - не более 0,20, молибден - не более 0,50, свинец - не более 0,01, олово - не более 0,01, мышьяк - не более 0,01, цинк - не более 0,01, железо - остальное. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к использованию сплава для изготовления жаропрочных труб-коллекторов установок производства метанола, водорода, аммиака и др. с рабочими режимами при температуре 700-900^oC и давлением до 50 атм.

В качестве прототипа выбран сплав марки ХН32Т по ГОСТ 5632-72 (с. 20), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. углерода не более 0,05; кремния не более 0,7; марганца не более 0,7; хрома 19,0-22,0; никеля 30,0-34,0; титана 0,25-0,6; алюминия не более 0,5; серы не более 0,02; фосфора не более 0,03; железо остальное.

Срок службы коллекторов из известных сплавов в печах производства метанола, водорода и аммиака составляет от 10000 до 20000 ч и основной причиной выхода из строя является их разрушение из-за резкого падения ударной вязкости металла при длительной эксплуатации при температурах 700-850^oC (эффект старения металла).

Технический результат заключается в повышении долговечности труб из сплава с оптимальным содержанием в нем компонентов за счет снижения эффекта старения сплава, т. е. сохранения стабильности механических свойств после длительной эксплуатации при высоких температурах.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав содержит (в ) углерода не более 0,05; кремния не более 0,70; марганца не более 0,70; хрома 19,0-23,0; никеля 30,0-34,0; титана 0,25-0,60; алюминия не более 0,50; серы не более 0,02; фосфора не более 0,03; меди не более 0,2; молибдена не более 0,5; свинца не более 0,01, олова не более 0,01; мышьяка не более 0,01; цинка не более 0,01; железо остальное.

В заявляемом сплаве увеличено содержание хрома по сравнению с прототипом. Дополнительный анализ результатов 68 опытных плавок показал, что содержание хрома до 23% при прочих равных условиях увеличивает жаростойкость сплава путем образования на поверхности сплава очень прочной тугоплавкой окиси хрома Cr₂O₃. Кроме того, у аустенитных сплавов на основе Хром 20% никель 33% особенно при значениях хрома 23% этот химический элемент увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки γ -твердого раствора, что резко увеличивает жаропрочность, что нельзя сказать в полной мере о сплаве-прототипе.

При подготовке настоящей заявки были проведены специальные виды исследований на предмет содержания свинца, олова, мышьяка и цинка и влияния этих элементов на жаропрочность сплава. Известно, что эти элементы содержатся в малых количествах в каждом сплаве и вводятся они вместе с исходными шихтовыми материалами при процессе выплавки сплава. Анализ данных полученных на 42 опытных плавках показал, что в процессе затвердевания расплавленного сплава вначале кристаллизуются порции основного, более тугоплавкого вещества (хром, никель и т.д.), а легкоплавкие примеси скапливаются по границам зерен. Наличие легкоплавких элементов (свинец, олово, мышьяк и цинк) и их соединений понижает температуру плавления пограничных с зернами районов, что приводит к ослаблению границ зерен при высоких температурах, а это в свою очередь резко снижает жаропрочность сплава. Процедура целенаправленного снижения количества этих элементов в сплаве с использованием специальных металлургических приемов весьма трудоемка и дорогостоящая. В связи с этим нами решалась задача определения оптимального количества этих элементов в сплаве, которое не повлияло бы существенным образом на его жаропрочность. Эта задача была решена нами. Жаропрочность сплава не изменится (не уменьшится), если содержание свинца, олова, мышьяка и цинка в нем не превысит 0,01% каждого.

Дополнительные исследования показали, что добавки молибдена увеличивают прочность межатомной связи и ослабляют диффузионные процессы, что положительно сказывается на жаропрочности сплава в целом. Однако, было выяснено, что молибден, соединяясь с кислородом, образует легкоплавкую окись MoO₃ с температурой плавления 795^oC, что отрицательно сказывается на жаростойкости (окалиностойкости) сплава. Было выяснено, что раздельное введение молибдена не оказывает большого влияния на жаропрочность сплава, но при комплексном легировании с титаном и алюминием резко возрастает эффект упрочнения, особенно в области высоких температур. Чрезмерно высокое легирование титаном, алюминием и молибденом снижает жаропрочность сплава, так как образуются первичные интерметаллидные фазы в виде грубых скоплений, вызывающих охрупчивание. Кроме того, чрезмерное легирование хромоникелевых (аустенитных) сплавов ферритообразующими элементами (молибденом, титаном, алюминием) ведет к появлению двухфазности (γ+α) и σ фазы, что также резко снижает жаропрочность сплава. Поэтому перед нами встала задача оптимизации количества молибдена для придания сплаву высоких показателей жаропрочности. Эта задача была решена. Содержание молибдена в жаропрочном сплаве должно быть не более 0,5% Учитывая специфику работы реакционных труб (коллекторных труб) из жаропрочных сплавов на действующих нефтеперерабатывающих установках, где они претерпевают как температурно-деформационные перегрузки, так и коррозионные, усиливающиеся во время пуска и остановки печей, нами были предприняты попытки предохранить трубы от чрезмерной коррозии. С этой целью мы стали варьировать содержанием меди и молибдена в сплаве.

Было выяснено, что содержание меди в сплаве не более 0,2% благоприятно сказывается на его стойкости к растворам серной кислоты при повышенных температурах и к точечной коррозии. Именно эти процессы привалируют на действующих установках при их пусках и остановках с конденсацией влаги на обогащенную серой поверхность труб. Это способствует протеканию кислотной реакции. Благодаря определению оптимального содержания меди в сплаве нам удалось избежать отрицательного коррозионного воздействия на наш заявляемый сплав.

В табл. 1 размещены результаты исследований механических свойств заявляемого сплава при комнатной температуре и повышенных температурах, где s_в предел прочности, σ_0,2 предел текучести, δ₅ относительное удлинение, Ψ относительное сужение, а_н ударная вязкость.

Трубы из заявленного сплава характеризуются высокими пластическими характеристиками и значениями ударной вязкости при всех температурах испытания.

В табл. 2 размещены данные по ударной вязкости а_н заявленного сплава в исходном состоянии и после длительного нагрева при температурах 600, 700, 800 и 850^oC и выдержкой 500 и 1000 ч.

Исследование заявленного сплава выявило его пониженную склонность к старению.

В качестве примера конкретного состава заявляемого сплава, механические свойства которого приведены в табл. 1 и табл. 2, нами использован сплав следующего состава, углерод 0,04, кремний 0,60, марганец 0,65, хром - 20,0, никель 32,0, титан 0,4, алюминий 0,4, сера 0,015, фосфор 0,02, медь 0,1, молибден 0,4, свинец 0,01, олово 0,005, мышьяк 0,005, цинк 0,005, железо 45,35.

При этом выявлено, что, если компоненты сплава будут находиться в пределах, оговоренных в формуле изобретения, то механические свойства заявляемого сплава при комнатной температуре будут гарантированно иметь следующие значения: s_в ≥55 кгс/мм², σ_0,2 ≥22 кгс/мм², δ₅≥40% Ψ ≥60% a_н ≥33 кгсм/см².

Таким образом, исследование заявленного сплава показало, что долговечность труб увеличилась с 20000 до 45000 ч, по механическим свойствам он находится на уровне известных аналогов, а по некоторым показателям (ударная вязкость и стабильные механические свойства после старения) и превосходит за счет изменения содержания компонентов в сплаве, особенно в части содержания меди, милибдена, свинца, олова, цинка и мышьяка.

Формула изобретения

Жаропрочный сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, алюминий, серу, фосфор, медь и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, свинец, олово, мышьяк, цинк при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод Не более 0,05 Кремний Не более 0,7 Марганец Не более 0,7 Хром 19 23 Никель 30 34 Титан 0,25 0,6 Алюминий Не более 0,5 Сера Не более 0,02
Фосфор Не более 0,03
Медь Не более 0,20
Молибден Не более 0,50
Свинец Не более 0,01
Олово Не более 0,01
Мышьяк Не более 0,01
Цинк Не более 0,01
Железо Остальноет

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2