ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ Российский патент 1997 года по МПК C22C30/00 C22C38/50 

Описание патента на изобретение RU2095458C1

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 700-900oC 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 700-850oC (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 795oC, 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 sв предел прочности, σ0,2 предел текучести, δ5 относительное удлинение, ψ относительное сужение, ан 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 ан заявленного сплава в исходном состоянии и после длительного нагрева при температурах 600, 700, 800 и 850oC 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: sв ≥55 кгс/мм2, σ0,2 ≥22 кгс/мм2, δ5≥40% ψ ≥60% aн ≥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.

Похожие патенты RU2095458C1

название год авторы номер документа
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2000
RU2194785C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ 1996
RU2107107C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2000
RU2194784C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2010
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Данильченко Александр Владимирович
  • Шевакин Александр Федорович
RU2446223C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 1998
RU2149204C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2013
  • Махлай Сергей Владимирович
  • Афанасьев Сергей Васильевич
RU2533072C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2009
  • Махлай Владимир Николаевич
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Рощенко Ольга Сергеевна
RU2393260C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2012
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Махлай Сергей Владимирович
  • Третьяков Сергей Александрович
RU2485200C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2000
RU2194789C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 1998
RU2149206C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 095 458 C1

Реферат патента 1997 года 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 700-900oC 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.

Формула изобретения RU 2 095 458 C1

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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1997 года RU2095458C1

ИГРУШКА-ПАРАШЮТ 1926
  • Тицнер Н.В.
SU5632A1

RU 2 095 458 C1

Даты

1997-11-10Публикация

1994-11-30Подача