Brevet FR2424328A1 — publié le 19791123

La présente invention concerne le domaine des matériaux résistant aux températures élevées et a notamment pour objet un acier réfractaire. Les produits en aciers réfractaires sont destinés à être utilisés aux températures élevées dans les milieux gazeux oxydants, par exemple dans les brûleurs des chaudières à vapeur, où la température atteint 1300 à 13200C. On connait des aciers réfractaires fer-chromealuminium, contenant de 17 à 38% en poids de chrome et de 3 à 6% en poids d'aluminium. On connait aussi des aciers du même type, contenant en plus du titane, du silicium, du manganèse, du cérium, du vandium et autres éléments d'alliage, autres éléments d'alliage et connus sous diverses désignations commerciales: Sichromal, Alchrome, Cantal, Mégapirsmit-10. Ces aciers tout en possédant de bonnes propriétés aux températures élevées (de Il OO à 1300 C) ont, à l'état coulé, de basses propriétés mécaniques : grande fragilité, faible charge de rupture et plasticité nulle.De tels aciers sont principalement employés pour la fabrication des résistances de fours électriques et ne peuvent être utilisés pour la fabrication de produits devant présenter de hautes propriétés mécaniques. Les aciers réfractaires fer-chrome-nickel connus, contenant de 9 à 25 % en poids de chrome et de 4 à 20% en poids de nickel, ainsi que les alliages à base de fer-nickel et de nickel, ont en règle générale de bonnes propriétés mécaniques, mais ils ont en même temps une vitesse d'oxydation plus élevée que les aciers fer-chrome-aluminium, aussi ne peuvent-ils entre utilisés qu'aux températures de 900 à 11500C. On connaît aussi un acier réfractaire ayant la composition pondérale suivante Carbone 0,44 à 0,5596 Chrome 23 à 27 % Nickel 34 à 37 % Molybdène 1 à 2 % Silicium 1 à 1,5 % Manganèse I à 4 % Fer le reste Cet acier est résistant aux températures jusqu'à 11500C. Dans les puissants générateurs de vapeur modernes, la température du métal des buses des brûleurs atteint 1300 à13200C, aussi tous les aciers fer-chrome-nickel cités ne peuvent-ils assurer unsluke hleet prolongé des pièces dans les foyers des chaudières, car ils ne peuvent supporter les températures de 1300 à 13200C. Certains des aciers fer-chrome-aluminium connus peuvent supporter des températures allant Jusqu'à 13000c, mais les pièces fabriquées en de tels aciers ont des propriétés mécaniques médiocres. Actuellement, il n'existe aucun acier présentant une haute résistance Jusqu'à 13000C et, en meme temps, de bonnes propriétés mécaniques. Le but de l'invention est de créer un acier résistant aux températures élevées, pouvant supporter des températures de l'ordre de 1200 à 13000C tout en ayant de hautes propriétés mécaniques. On stest donc proposé de choisir des éléments d'alliage qui confèreraient à l'acier à l'état coulé une bonne résistance à 13000C, augmenteraient sa charge de rupture et abaisseraient sa fragilité à la température normale. La solution consiste en un acier réfractaire contenant du fer, du carbone, du chrome, du nickel, ledit acier étant caractérisé d'après l'invention en ce qu'il contient en plus de l'aluminium, du titane, du cérium, sa composition pondérale étant la suivante Carbone 0,001 à 0,03 %, Chrome 24 à 27%, Nickel 21 à 38%, Aluminium 5,0 à 6,0%, Titane 0,3 à 0,596, Cérium 0,04 à 0,09 46, Fer le reste L'aluminium est aJouté à l'acier pour accroitre sa résistance aux températures élevées. Le titane est aJouté pour améliorer les propriétés mécaniques, le cérium, pour améliorer la résistance aux températures élevées et les propriétés de fonderie et métallurgiques de l'acier. L'acier de composition conforme à l'invention est destiné notamment à la fabrication de pièces et d'organes de structures dont la température de fonctionnement peut aller jusqu'à 13000C. De pair avec sa grande résistance aux températures élevées, l'acier conforme à ltinvention a de hautes propriétés de fonderie et technologiques et ne requiert pas de précautions spéciales lors des travaux de soudage. Les organes vitaux de l'équipement des foyers de chaudière, fabriqués en acier conforme à l'invention, ont été essayés en exploitation prolongée. Les résultats des essais ont montré que la durée de vie du matériel en acier réfractaire, par exemple des buses de brûleurs moulées pour les chaudières d'installations de production d'énergie de grande puissance, est de 5 à 10 fois supérieure à celle des buses de brûleur fabriqués en aciers chrome-nickel connus L'acier de composition conforme à l'invention supporte des températures allant jusqu'à 13000C, tout en étant doué d'un ensemble de hautes propriétés mécaniques. Des taux d'éléments d'alliage sortant des limites préconisées, dans la présente invention ne permettent pas d'atteindre le résultat visé. Ainsi une teneur en nickel inférieure à 21 % en poids affecte les propriétés mécaniques en accroissant la fragilité et en diminuant la plasticité de l'acier, ce qui est inadmissible. Une teneur en nickel supérieure à 38 46 en poids n'est pas rationnelle, car elle n'a aucun effet favorable supplémentaire . La teneur en nickel est choisie dans la plage de 21 à 38% en poids en fonction des propriétés à conférer à l'acier. Une teneur en nickel de 34 à 38% en poids assure un accroissement notabledela résilience et de la plasticité de l'acier. Selon les propriétés requises de l'acier, sa composition pondérale peut être choisie par exemple parmi les suivantes 1. Carbone Jusqu'à 0,03 %, Chrome 24 à 26%, Nickel 21 à 25%, Aluminium 5 à 5,5 %, Titane 0,3 à 0,5 %, Cérium 0,04 à 0,08 %, Fer le reste Les propriétés mécaniques à la température normale, d'un acier de cette composition à I'état moulé sont indiquées dans le tableau 1 ci-dessous. Dans les tableaux 1, 2, 3 donnés dans ce oui suit. les notations signifient #r = charge de rupture, kg/mm2 limite élastique, kg/mm2 8 allongement relatif, % f = striction relative, = = résilience, kg.m/cm2 Tableau 1 #e # # ## Sr & BR I I 80-102 59-86 6-11 7-12 1,5-4,0 Cet acier satisfait pleinement à toutes les prescriptions relatives au matériau des buses de brûleur et assure la fiabilité du matériel des foyers à des températures de travail allant jusqu'à 13000C. 2. Carbone jusqu'à 0,03 %, Chrome 24 à 26 %, Nickel 26 à 32 %, Aluminium 5 à 5,5 5', Titane 0,3 à 0,5 96, Cérium 0,05 à 9,095', Fer le reste Les propriétés mécaniques de l'acier de cette composition à 11 état moulé sont indiquées dans le tableau 2. Tableau 2 6r 6 62-79 47-63 7-21 8-23 4,5-10 Un acier de cette composition, de pair avec une haute résistance aux températures élevées (jusqu'à 13000C), est doué de propriétés plastiques accrues. 3. Carbone jusqutà 0,03 96, Chrome 25 à 27%, Nickel 33 à 38%, Aluminium 5 à 5,5 %, Titane 0,3 à 0,5 5', Cérium 0,05 à 0,09 96, Fer le reste Les propriétés mécaniques d'un acier de cette composition à l'état moulé sont indiquées dans le tableau 3. Tableau 3 6e # # # # Y 38-62 24-46 22-51 24-54 10,5-20 Un tel acier, de pair avec un niveau suffisant de résistance aux températures élevées ét de caractéristiques de résistance mécanique, a une plasticité et une résiliencece l'accrues ce qui permet 'utiliser pour la fabrication de buses de brûleur moulées de conceptions plus compliquées. Un exemple de fabrication de l'acier conforme à l'invention est décrit ci-dessous. On a élaboré un acier dans un four d'acierie ouvert à induction, dtune capacité de 1000 kg. La charge initiale contenait : du fer connu sous la dénomination conunerciale "Arrmco", du ferrochrome, du nickel, de l'aluminium, du titane r du Serroceriu1. ta charge a été enfournée en masse dense. On a chargé sur le fond du creuset une partie du fer, du nickel, du ferrochrome, puis on a chargé le reste du fer et du nickel. Au cours de la fusion on a introduit un mélange de fondants constitue de chaux et de fluorine dans le rapport de 3 à 1. Après fusion complète de la charge, on a désoxydé le métal et le laitier et on a introduit le titane. L'acier a été utilisé pour fabriquer des buses de brûleur à pulvérisation de gaz, de 300 et 600 mm de diamètre, à épaisseur de parois de 12 à 16 ram, ainsi que d'autres éléments pour le matériel des foyers de chaudières. Les buses des brûleurs ont été fabriquées par coulée dans des moules, dans lesquels elles étaient maintenues jusqu'à refroidissement total. La composition chimique des aciers obtenus est donnée dans le tableau 4, et leurs propriétés mécaniques, dans le tableau 5. Tableau 4 Node la : Pourcentages pondéraux des éléments coulée C Cr A1 Ni Ti Mn Si Ce S P I :0,024 25,5 4,8 20,9 0,30 0,37 0,48 0,07 0,006-0,010 2 0,026 25,3 4,9 24,9 0,30 0,30 0,42 0,08 0,022 24,5 5t3 30,6 0,3 & 0,13 0,22 0,07 4 :0,025 25,3 4,75 33,2 0,35 0,32 0,32 0,08 Tableau 5 N0 de la: s coulée r 6 e S t Q r coulée 1 : 101,5 82,4 9,3 8,9 2,1 2 : 91,2 82,4 8,9 9,3 2,1 3 . 68,4 54,5 17,6 19,9 8,6 4 : 53,4 40,0 35,2 38,9 15,2 Les buses fabriquées en aciers de compositions chimiques indiquées ont été utilisées dans le matériel des foyers des chaudières à vapeur des installations de producton d'énergie d'une puissance de 200 à 300 MW, à une température de travail allant Jusqu'à 13000C. Après deux ans d'exploitation, les buses étaient dans un état satisfaisant et aptes à l'utilisation ultérieure. Bien entendu, l'invention n1 est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. - Acier réfractaire du type contenant du fer, du carbone, du chrome, du nickel, caractérisé en ce qu'il contient en outre de l'aluminium, du titane et du cérium. 2. - Acier réfractaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient, en poids Carbone 0,001 à 0,03 5', Chrome 24 à 27 5', Nickel 21 à 38 5', Aluminium 5,0 à 6,0 96, Titane Q,3 à 0,5 5', Cérium 0,04 à 0,09 X, Fer le reste 3. - Acier réfractaire selon la revendication 1, caractérisé par la composition pondérale suivante : : Carbone jusqu'à 0,03 %, Chrome 24 à 26 5', Nickel 21 à 25 % Aluminium 5 à 5,5 %, Titane 0,3 à Q,5 %, Cérium 0,04 à 0,08% Fer le reste 4. - Acier réfractaire selon la revendication 1, caractérisé par la composition pondérale suivante Carbone jusqu'à 0,03 5', Chrome 24 à 26 96, Nickel 26 à 32 96, Aluminium 5 à 5,5 5', Titane 0,3 à 0,5 %, Cérium 0,05 à 0,09 %, Fer le reste 5. - Acier réfractaire selon la revendication 1, caractérisé par la composition pondérale suivante Carbone Jusqu'à 0,03 %, Chrome 25 à 27 5', Nickel 33 à 38 56, Aluminium 5 à 5,5 %, Titane 0,3 à 0,5 %, Cérium 0,05 à 0,09 %, Fer le reste