ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ Российский патент 1995 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии, применяется в качестве сплава для жаропрочных труб, используемых в установках производства этилена с рабочими режимами при 900-1200^оС и давлении до 2-4 атм.

В качестве прототипа выбран жаропрочный сплав KHR 35 C (KUBOTA, Япония, КОВЕ STEEL, LTD, 1984), содержащий, углерод 0,4-0,5; кремний 0,2 max; марганец 0,5 max; хром 24,0-28,0; никель 34,0-37,0; ниобий 0,6-1,5; сера и фосфор по 0,03 max, церий 0,12 max.

Специфика работы оборудования (очень высокая температура стенки трубы при очень низком внутреннем давлении) требуют от металла не столько свойств жаропрочности, сколько высокой жаростойкости (работоспособности при высоких температурах) и низкой науглероживаемости, т.е. способности к насыщаемости поверхностного слоя углеродом.

Повышение кремния в сплаве резко повышает сопротивляемость сталей науглероживанию. Это связано с тем, что кремний образует более плотные окисные пленки, чем окислы хрома, на поверхности металла и тем самым препятствует диффузии углерода в металл, а высокое отношение никеля к хрому создает повышенную легированность ее и тем самым понижает скорость диффузии углерода в металл.

Для получения сплава, обладающего повышенной сопротивляемостью науглероживанию, необходимо введение в него элементов, образующих защитные окисные пленки (Cr, Si), и элементов, препятствующих диффузии углерода в металл (Ni, Nb).

В данном сплаве технический результат заключается в увеличенном содержании кремния до 2,4 и ниобия 1,3-1,7, а также оптимальным содержанием всех компонентов, углерод 0,35-0,50; кремний 1,2-2,4; марганец 0,05-1,5; хром 24,0-28,0; никель 34,0-36,0; ниобий 1,3-1,7; сера не более 0,03; фосфор не более 0,03; церий не более 0,12; железо остальное.

Содержание в сплаве меди не должно превышать 0,20% молибдена 0,50% свинца, олова, мышьяка и цинка не более 0,01% каждого.

Для испытаний по науглероживанию были взяты цилиндрические образцы из данного сплава диаметром 10 мм и длиной 50 мм с чистотой поверхности R_z 80. Испытания проводились при максимальной рабочей температуре труб в печах пиролиза мощных установок получения этилена равной 1060^оС в течение 48-50 ч. После двух циклов (≈100 ч) образцы подвергали очистке от сажи, промывке и взвешиванию.

Кинетику науглероживания оценивали по изменению массы образцов в зависимости от времени насыщения, а склонность стали к науглероживанию по глубине науглероженного слоя и максимальной концентрации углерода в нем после различной продолжительности насыщения.

Результаты металлографического исследования образцов после науглероживания при 1100^оС в течение 1000 ч представлены в табл. 1.

Изменение содержания углерода в слое исследуемой стали после науглероживания ее в течение 1000 ч и при 1100^оС приведены в табл. 2.

Результаты металлографического исследования показали, что на образцах из стали данного сплава науглероженный слой почти отсутствует и содержит минимальную концентрацию углерода.

Результаты механических свойств предлагаемого сплава и сплава по прототипу приведены в табл. 3, где δ_в предел прочности, σ_0,2 предел текучести, δ₅ относительное удлинение, Ψ- относительное сужение.

Сравнение данных по содержанию основных элементов и по механическим свойствам показывает, что предлагаемый сплав не уступает импортному сплаву и находится на уровне импортных сплавов.

В табл. 4 приведены механические свойства предлагаемого сплава при 20; 100-1100^оС методом кратковременного разрыва переднего конца трубы.

С повышением температуры испытаний до 1100^оС наблюдается уменьшение значений прочности и текучести и увеличение пластичности исследуемой трубы, что является характерным для металла центробежнолитых труб из жаропрочных сталей.

Результаты исследования влияния длительного нагрева на структуру и свойства металла труб представлены в табл. 5 и на фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена фотография микроструктуры металла в исходном состоянии; на фиг. 2 то же, после старения металла при Т 800^оС в течение 24 ч; на фиг. 3 то же, после старения металла при Т900^оС в течение 24 ч.

Результаты (см. табл. 5) показывают, что кратковременное старение (24 ч) приводит к небольшому уменьшению относительного удлинения и возрастанию прочностных характеристик при 20^оС. С увеличением продолжительности старения до 5000 ч значения механических свойств изменяются мало. Испытания образцов при температуре старения 800 и 900^оС выявило понижение прочностных характеристик (σ_в, σ_0,2) и повышение пластических характеристик (δ₅, Ψ).

Падение пластичности в результате длительного нагрева связано с выпадением карбидов по границам и объему зерна.

После 24 ч старения при 800^оС в металле трубы из данного сплава наблюдается небольшое выпадение карбидов вблизи участков карбидных эвтектик.

С увеличением выдержки при 900^оС имеет место некоторая коагуляция карбидов.

Исходя из этого можно сказать, что металл исследуемой трубы при 900^оС старится мало, при этом механические свойства и структура изменяются незначительно.

Таким образом, исследование металла из данного сплава показало, что по структуре и механическим свойствам отечественная труба соответствует требованиям ТУ, находится на уровне импортных аналогов, а по некоторым показателям (сопротивляемость науглероживанию) и превосходит за счет увеличения содержания кремния и ниобия в сплаве.

Кроме того, предлагаемый сплав отличается от прототипа повышенной жаропрочностью, т. е. способностью работать длительное время без разрушения под нагрузкой при высоких температурах.

Предел длительной прочности за 100000 ч наработки не менее 1,5 кгс/мм² при 950^оС и 0,5 кгс/мм² при 1060^оС, что на 20% выше, чем в прототипе.

Использование: жаропрочный сплав используется в качестве сплава для жаропрочных труб, используемых в установках производства этилена с рабочими режимами при температуре 900 1200°С и давлении до 2 4 атм. Сущность изобретения: жаропрочный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. углерод 0,35 0,50; кремний 1,2 2,4; марганец 0,05 1,50; хром 24,0 28,0; никель 34,0 36,0; ниобий 1,3 1,7; сера не более 0,03; фосфор не более 0,03; церий не более 0,12; железо остальное. 4 ил. 5 табл.

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, серу, фосфор, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,35 0,50
Кремний 1,2 2,4
Марганец 0,05 1,5
Хром 24,0 28,0
Никель 34,0 36,0
Ниобий 1,3 1,7
Сера Не более 0,03
Фосфор Не более 0,03
Церий Не более 0,12
Железо Остальное