жаропрочный деформируемый сплав

Формула изобретения

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

Углерод - 0,06 - 0,1

Кремний - Не более 0,7

Марганец - Не более 0,7

Хром - 19,0 - 23,0

Никель - 30,0 - 34,0

Титан - 0,25 - 0,80

Алюминий - Не более 0,5

Сера - Не более 0,02

Фосфор - Не более 0,03

Медь - Не более 0,2

Молибден - Не более 0,5

Свинец - Не более 0,01

Олово - Не более 0,01

Мышьяк - Не более 0,01

Цинк - Не более 0,01

Железо - Остальноеь

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к использованию сплава для изготовления жаропрочных труб-коллекторов установок производства аммиака, метанола и др. с рабочими режимами при 750 - 950^oC и давлением до 50 атм.

В качестве прототипа выбран немецкий сплав X10NiCrAlTi32 20, стандарт VDEh Wb1470 [1], содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод не более 0,12; кремний не более 1,0; марганец не более 2,0; хром 19,0 - 23,0; никель 30,0 - 34,0; титан 0,15 - 0,60; алюминий 0,15 - 0,60; сера не более 0,02; фосфор не более 0,03; железо - остальное.

Известно, что срок службы центробежнолитых коллекторов из известных сплавов в печах производства аммиака и метанола составляет 10000 - 20000 ч. и основной причиной выхода из строя является их разрушение из-за резкого падения ударной вязкости металла при длительной эксплуатации при 800 - 850^oC (явление старения металла). Кроме того, причиной выхода из строя коллекторных труб из известных сплавов является их низкая жаропрочность.

Технический результат заключается в повышении долговечности труб из сплава с оптимальным содержанием в нем компонентов и за счет снижения эффекта старения сплава в комбинации с повышением жаропрочности.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный деформируемый сплав содержит. (мас.%): углерод 0,06 - 0,1; кремний не более 0,7; марганец не более 0,7; хром 19,0 - 23,0; никель 30,0 - 34,0; титан 0,25 - 0,80; алюминий не более 0,5; сера не более 0,02; фосфор не более 0,03; медь не более 0,2; молибден не более 0,5; свинец не более 0,01; олово не боле 0,01; мышьяк не более 0,01; цинк не более 0,01; железо - остальное.

Титан обладает высоким сродством к углероду и переводит весь углерод в очень стабильные карбиды TiC с высокой температурой плавления - 3150^oC. Следует отметить, что в сплаве-прототипе недостаточное количество титана для перевода всего заявленного углерода (до 0,12;) в карбиды, что отрицательно сказывается на его жаропрочности.

Алюминий в хромоникелевых аустенитных сплавах в малых количествах увеличивает его жаропрочность, однако при прочих равных условиях содержание алюминия более 0,5% снижает деформируемость (пластичность при ковке) сплава, что непригодно для заявляемого сплава специфического назначения.

Были проведены специальные виды исследований на предмет содержания свинца, олова, мышьяка и цинка и влияния этих элементов на жаропрочность сплавов. 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 решалась задача определения оптимального количества этих элементов в сплаве, которое не повлияло бы на снижение его жаропрочности. Эта задача была решена. Жаропрочность сплава практически 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 MoO 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, т.к. 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 (+) и -фазы, что также резко снижает жаропрочность сплава. Поэтому 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 оставки печей, были предприняты попытки предохранить трубы от чрезмерной коррозии. С этой целью 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 удалось избежать отрицательного коррозионного воздействия на наш заявляемый сплав.

Результаты механических свойств при комнатной температуре заявленного сплава (после термообработки при 1100 - 1250^oC и охлаждении на воздухе или в воде) приведены в табл. 1, где _в -предел прочности; _0,2 - предел текучести; ₅ - относительное удлинение; - относительное сужение, a_H - ударная вязкость.

Из данных табл. 1 видно, что заявляемый сплав обладает высокими пластическими свойствами при комнатной температуре, что свойственно деформируемым сплавам.

В табл. 2 указаны механические свойства сплава при повышенных температурах.

Трубы из предлагаемого сплава характеризуются высокими значениями ударной вязкости (a_H 27 кгсм/см²) при всех температурах.

В табл. 3 размещены данные по ударной вязкости a_H заявленного сплава в исходном состоянии и после длительного нагрева (старение).

Из данных табл. 3 видно, что старение заявленного сплава не сопровождается резким падением значений ударной вязкости при 800 и 850^oC (температура эксплуатации коллекторов из заявленного сплава), что положительным образом сказывается на долговечности работы реакционного оборудования.

В качестве примера конкретного состава жаропрочного сплава, механические свойства которого при повышенных температурах приведены в табл. 2, был использован сплав следующего состава, %: углерод 0,08; кремний 0,6; марганец 0,6; хром 20,0; никель 32,0; титан 0,6; алюминий 0,4; сера 0,01; фосфор 0,02; железо 45,47; медь 0,1; молибден 0,1; свинец 0,005; олово 0,005; мышьяк 0,005; цинк 0,005.

При этом в результате проведенных комплексных исследований на 102 опытных плавках выявлено, что в случае, если компоненты сплава будут находиться в пределах, оговоренных в формуле изобретения, то механические свойства заявляемого сплава при комнатной температуре будут гарантированно иметь значения, представленные в табл. 1.

Кроме того, заявленный сплав имеет относительно высокие показатели жаропрочности - минимальный предел длительной прочности при 850^oC и 10000 ч. наработки составляет 2,26 кгс/мм², а при 850^oC и 100000 ч. наработки составляет 1,46 кгс/мм². что на 15 - 20% выше чем у известных аналогов.

Таким образом, исследование заявляемого сплава показало, что по механическим свойствам он находится на уровне известных аналогов, а по некоторым показателям (ударная вязкость после старения, пластичность и жаропрочность) и превосходит за счет изменения содержания компонентов в сплаве. При этом долговечность труб из заявляемого сплава увеличилась с 20000 до 65000 ч.