Жаропрочный сплав

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочному сплаву, который может быть использован для изготовления реакционных труб установок производства этилена, водорода, аммиака, сероуглерода, метанола и др. Жаропрочный сплав содержит следующие компоненты, мас.%: углерод не более 0,60; кремний не более 2,75; марганец не более 2,00; хром 16,0 - 29,0; никель 8,0 - 50,0; вольфрам не более 6,0; ниобий не более 2,0; церий не более 0,2; медь не более 1,1; молибден не более 0,6; азот не более 0,06; титан не более 0,6; бор не более 0,006; алюминий не более 1,0; ванадий не более 0,2; магний не более 0,15; цирконий не более 0,20; иттрий не более 0,15; бериллий не более 0,20; барий не более 0,005; кальций не более 0,01; кобальт не более 16,0; железо остальное, при этом сумма компонентов хром + никель + кобальт должна быть не менее 24,01%, но не более 81,1%. Техническим результатом изобретения является повышение долговечности труб из сплава за счет повышения стабильности свойств после старения, повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к использованию сплава для изготовления реакционных труб установок производства этилена, водорода, аммиака, сероуглерода, метанола и др. с рабочими режимами при температуре 600-1200^oC и давлением до 50 атм.

В качестве прототипа выбран жаропрочный сплав по патенту РФ N 2026401, C 22 C 19/05, 1995 г. , следующего состава, мас.%: углерод 0,35-0,55; азот 0,02-0,05; хром 22-27; никель 25-40; ниобий 1-2; вольфрам 0,5-5; молибден 0,2-0,6; титан 0,05-0,6; кремний 0,8-2; марганец 0,8-1,5; бор 0,0005-0,005; алюминий 0,1-1; медь 0,1-1; магний 0,01-0,1; цирконий 0,005-0,15; иттрий 0,008-0,1; железо остальное.

Срок службы центробежнолитных реакционных труб из известных аналогов в печах нефтеперерабатывающих установок составляет от 10000 до 2000 часов и основной причиной выхода из строя является их разрушение из-за низкой стабильности свойств после старения, низкой коррозионной стойкости, низкой жаростойкости и жаропрочности.

Технический результат заключается в повышении долговечности труб из сплава с оптимальным содержанием в нем компонентов за счет повышения стабильности свойств после старения, повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав обязательно содержит компоненты в следующем соотношении мас.%: углерод на более 0,60; кремний не более 2,75; марганец не более 2,0; хром 16-29; никель 8-50; вольфрам не более 6,0; ниобий не более 2,0; церий не более 0,2; медь не более 1,1; молибден не более 0,6; азот не более 0,06; титан не более 0,6; бор не более 0,006; алюминий не более 1,0; ванадий не более 0,20; магний не более 0,15; цирконий не более 0,20; иттрий не более 0,15; бериллий не более 0,20; барий не более 0,005; кальций не более 0,01; кобальт не более 16,0; железо остальное, при условии, что сумма компонентов хром + никель + кобальт должна быть не менее 24,01%, но не более 81,1%. При этом ни один из перечисленных компонентов сплава не может иметь нижний предел содержания, равный нулю.

Содержание в сплаве фосфора должно быть не более 0,04%; серы не более 0,04%; свинца не более 0,02%; олова не более 0,02%; цинка не более 0,02% и мышьяка не более 0,02%.

Для выяснения влияния длительного нагрева на стабильность свойств были проведены исследования, результаты которых размещены в таблице 1.

Работа реакционных труб в интервале температур 800-900^oC проводит к сильному старению металла, т.е. изменению структуры, вызывающему охрупчивание металла.

Максимальное падение пластичности наблюдается после старения при температуре 900^oC продолжительностью 2000 часов.

Металлографическое исследование показало, что при температуре 800^oC после 2000 часов выдержки начинает выделяться σ-фаза. Максимальное ее количество наблюдается при 900^oC при выдержке 2000 часов. σ-фаза придает металлу дополнительную хрупкость.

Таким образом, заявляемый сплав обладает стабильностью свойств после старения в интервале температур 700-800^oC применительно к условиям высокотемпературной коррозии. Эти показатели существенно выше, чем у известных аналогов.

Коррозионную стойкость заявляемого сплава определяли путем замера толщины стенки труб в 30 контрольных точках через 3-6 месяцев во время остановки оборудования на профилактический ремонт. В среднем скорость коррозии заявляемого сплава составила 0,7 мм/год, что в 1,5-2,5 раза ниже, чем у известных аналогов.

Испытание на жаростойкость заявленного сплава проводили на образцах диаметром 10 мм, высотой 20 мм при температуре 1100^oC в воздушной среде. Жаростойкость оценивали по увеличению массы образцов после испытаний при 1100^oC в течение 500, 1500, 2500, 3500 и 5000 часов. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Анализ данных, размещенных в табл. 2, показывает очень высокие характеристики жаростойкости при температуре 1100^oC.

Показателем жаропрочности является длительная прочность, которая характеризует работоспособность центробежнолитых труб из жаропрочных сплавов в печах производства аммиака и др.

Испытание на длительную прочность проводили на пятикратных образцах с диаметром по расчетной длине 10 мм при температурах 1000 и 1100^oC и напряжениях 3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0 кгс/мм² по ГОСТ 10145-82.

Данные по минимальным значениям длительной прочности за 100000 часов наработки заявленного сплава при температурах 1000-1100^oC приведены в табл. 3.

Результаты исследований, приведенные в табл. 3, показывают высокие значения жаропрочности заявленного сплава. В совокупности с механическими свойствами заявленного сплава при комнатной температуре σ_в= 51 кгс/мм², σ_0,2= 26 кгс/мм², δ₅= 5%, Ψ = 6% долговечность труб повысилась до 75000 часов.

В качестве примера конкретного состава жаропрочного сплава, свойства которого приведены в табл. 1 - 3 описания, нами был использован сплав следующего состава, мас.%: углерод - 0,45; кремний - 1,5; марганец - 1,0; хром - 20,5; никель 26,7; вольфрам - 4,8; ниобий - 0,8; церий - 0,1; медь - 0,9; молибден - 0,2; азот - 0,05; титан - 0,4; бор - 0,003; алюминий - 0,3; ванадий - 0,10; магний - 0,10; цирконий - 0,10; иттрий - 0,10; бериллий - 0,10; барий - 0,003; кальций - 0,005; фосфор - 0,02; сера - 0,02; свинец - 0,01; олово - 0,01; цинк - 0,01; мышьяк - 0,01; кобальт - 10,0; железо - 31,709. Механические свойства этого сплава конкретного состава при комнатной температуре составляют: σ_в= 52 кгс/мм², σ_0,2= 27,1 кгс/мм², δ₅= 5,8%, Ψ = 6,5%. При этом, в результате проведенных комплексных исследований на 106 опытных плавках выявлено, что в случае, если все компоненты сплава (в совокупности) будут находиться в пределах, оговоренных в формуле изобретения, то будет достигнут ожидаемый технический результат (долговечность труб из заявленного сплава увеличится с 10000 до 75000 часов), а механические свойства при комнатной температуре будут гарантированно иметь следующие значения: σ_в≥ 50 кгс/мм², σ_0,2≥ 25 кгс/мм²,δ₅≥ 5%, Ψ ≥ 6%. Таким образом, исследования заявляемого сплава показали, что по механическим свойствам он находится на уровне известных аналогов, а по некоторым показателям (стабильность свойств после старения, коррозионная стойкость, жаростойкость и жаропрочность) и превосходит за счет изменения содержания компонентов в сплаве.

Формула изобретения

Жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, бор, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, ванадий, бериллий, барий, кальций и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - Не более 0,60 Кремний - Не более 2,75 Марганец - Не более 2,00 Хром - 16,0 - 29,0 Никель - 8,0 - 50,0 Вольфрам - Не более 6,0
Ниобий - Не более 2,0
Церий - Не более 0,2
Медь - Не более 1,1
Молибден - Не более 0,6
Азот - Не более 0,06
Титан - Не более 0,6
Бор - Не более 0,006
Алюминий - Не более 1,0
Ванадий - Не более 0,2
Магний - Не более 0,15
Цирконий - Не более 0,20
Иттрий - Не более 0,15
Бериллий - Не более 0,20
Барий - Не более 0,005
Кальций - Не более 0,01
Кобальт - Не более 16,0
Железо - Остальное
при этом сумма компонентов хром+никель+кобальт должна быть не менее 24,01%, но не более 81,1%.

РИСУНКИ

Рисунок 1