ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ
HEAT RESISTANT ALLOY

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может быть использовано при изготовлении реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими температурами в интервале 800-1200°С и давлением до 50 атм.
Для их изготовления применяется метод центробежного литья, предусматривающий механическую обработку центробежнолитых заготовок по внутренней поверхности для удаления дефектов металлургического происхождения и сварку для получения реакционной трубы требуемой длины.
Срок службы центробежнолитых труб на нефтегазоперерабатывающих установках, работающих при температурах 950-1200°С и давлениях до 10 атмосфер, составляет от 20000 до 65000 часов. После его истечения их необходимо заменять, так как прочность резко понижается, что может привести к аварийному разрушению трубы и выходу из строя всей установки
Одной из возможных причин пониженной жаропрочности (способности материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах) труб, изготовленных из известных жаропрочных сплавов, является недостаточно высокая однородность размеров зерен кристаллической структуры этих сплавов и относительно небольшая средняя величина этих зерен.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2194785, кл. С22С 30/00, включающий, мас.%: углерод 0,06-0,10, кремний 0,005-0,65; марганец 0,0005-0,74; хром 19,0-23,0; никель 30,0-34,0; титан 0,25-0,80; алюминий 0,0005-0,45, ванадий 0,0005-0,10; вольфрам 0,0006-0,10; железо - остальное. Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,02, фосфор - 0,03, свинец - 0,01, олово - 0,01, мышьяк - 0,01, цинк - 0,01, молибден - 0,5 и медь - 0,2. Одновременно с этим должны выполняться следующие условия:
%Ni + 32%С + 0,6% Мn +%Cu = 33,10504 - 37, 844%;
%Cr + 3%Ti +%V +%Mo + 1,6%Si +%W = 19/7518 - 25,18226%.
К его недостаткам следует отнести относительно невысокую температуру эксплуатации труб на его основе.
Известен жаропрочный сплав [RU №2149203, кл. С22С 30/00], содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, церий и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,40-0,50, кремний 1,8995-2,39, марганец 0,0505-0,51, хром 24-28, никель 34-36, ниобий 1,3-1,7, церий 0,08-0,12, железо - остальное и дополнительно ванадий, титан и алюминий, мас.%:
ванадий
0,0005-0,20,
титан
0,0005-0,10,
алюминий
0,0005-0,10.
Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не должно превышать следующие значения, мас.%: сера 0,03, фосфор 0,03, свинец 0,01, олово 0,01, мышьяк 0,01, цинк 0,01, молибден 0,5 и медь 0,2.
Кроме того, для данного жаропрочного сплава необходимо одновременное выполнение двух условий:
%Ni + 32%С + 0,6%Mn +%Cu = 47,94875 - 52,506%.
%Cr + 3%Ti +%V +%Mo + 1,6%Si + 0,6%Nb = 27,8217 - 32,6395%.
В отличие от предыдущего сплава он может эксплуатироваться в интервале температур 950-1200°С, однако при существенно низком давлении (до 10 атм). Это ограничивает области использования реакционных труб и снижает сроки их эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав, описанный в RU №2149206, кл. С22С 30/00 и включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, алюминий и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,35-0,45, кремний 1,1995-1,59, марганец 1,0005-1,51, хром 24-27, никель 34-36, ниобий 1,3-1,7, ванадий - 0,0005-0,20, титан 0,0005-0,10, алюминий 0,0005-0,10, железо - остальное
Содержание в жаропрочном сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не должно превышать следующие значения, мас.%: сера 0,03, фосфор 0,03, свинец 0,01, олово 0,01, мышьяк 0,01, цинк 0,01, молибден 0,5 и медь 0,2.
Кроме того, для данного жаропрочного сплава необходимо одновременное выполнение двух условий:
%Ni + 32%С + 0,6%Мп +%Cu = 46,94184 - 51,506%.
%Cr + 3%Ti +%V +%Mo + 1,6%Si + 0,6%Nb = 26,7017 - 30,59154%.
Его существенным недостатком является тот факт, что реальная температура эксплуатации труб в ряде случаев превышает показатель жаропрочности.
Технической задачей изобретения является оптимизация химического состава и структуры жаропрочного сплава с целью его использования для изготовления труб, эксплуатируемых при температурах до 1200°С и давлениях до 50 атм.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жаропрочном сплаве снижено содержание углерода, кремния, никеля и хрома и введены новые компоненты - церий и вольфрам, что позитивно отразилось на структуре сплава и его физико-механических показателях. Одновременно с этим ограничено содержание кобальта, повышенная концентрация которого негативно отражается на размере зерен.
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является жаропрочный сплав, включающий углерод, хром, никель, ниобий, церий, кремний, марганец, ванадий, титан, алюминий, вольфрам и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,30-0,40; хром 20-23; никель 30-33; ниобий 1,0-1,7; церий 0,07-0,11; кремний 0,45-0,95; марганец 0,8-1,45; ванадий 0,0005-0,15; титан 0,0005-0,15; алюминий 0,0005-0,10, вольфрам 0,05-0,5, железо и примеси - остальное, а содержание примесей - серы, фосфора, свинца, мышьяка, цинка, молибдена, кобальта и меди не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,02; фосфор - 0,02; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; молибден - 0,25; кобальт - 0,1; медь - 0,2.
Заявляемый сплав является чисто аустенитным, сохраняет неизменной структуру при нагревании и не упрочняется термообработкой, то есть не склонен к дисперсионному твердению и выплавляется только в индукционных печах с основной футеровкой (кислая футеровка приводит к обезуглероживанию сплава) и использованием чистых шихтовых материалов. Отходы, обрезь и другие загрязненные материалы при выплавке заявленного сплава не применяются. Специфика нагрева и расплавления металла в индукционных печах без образования электрической дуги (в отличие от электродуговых печей) не требует наведения шлаков на поверхности жидкого металла с переводом ряда примесей в наведенный шлак и последующим его удалением. Кроме того, за счет применения высокочастотного способа нагрева в индукционной печи обеспечивается хорошее диспергирование компонентов сплава в процессе выплавки. Плавление в футерованном индукторе индукционной печи защищает металл от любых загрязнений, в первую очередь продуктами сгорания топлива (в отличие от плавления в мартеновских и др. печах), от науглероживающего влияния электродов (в отличие от плавления в электродуговых печах) и от насыщения газами (азотом, водородом и др. ) из окружающей атмосферы (в отличие от плавления в электродуговых печах при наличии сверх высокотемпературной электрической дуги).
Заявленный сплав является строго литейным, и для него не требуется дополнительных мер по ограничению содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор. В указанных количествах они позитивно влияют на обрабатываемость сплава резанием.
Изделия на основе заявляемого сплава получались из центробежнолитых трубных заготовок, изготовленных путем заливки расплавленного сплава во вращающийся кокиль с внутренним диаметром, равным наружному диаметру получаемой трубы, с последующей механической обработкой без деформации структуры материала, то есть путем снятия стружки.
Пример
Основные результаты исследований были получены при использовании сплава следующего состава, мас.%: углерод - 0,40; кремний - 0,82; марганец - 1,13; хром - 20,5; никель - 33,3; ниобий - 1,5; церий - 0,03; ванадий - 0,05; титан - 0,07; алюминий - 0,02; вольфрам - 0,09, сера - 0,02; фосфор - 0,02; медь - 0,06; молибден - 0,05; кобальт - менее 0,02; железо - остальное.
Среднюю величину зерна определяли в окуляре металлографического микроскопа на матовом стекле (ГОСТ 5639 "Сталь. Методы выявления и определения величины зерна").
Экспериментально установлено, что средняя величина зерна у заявляемого сплава составляет 250 мкм, что несколько больше, чем у сплава-прототипа (215 мкм).
max
min
max
min
Однородность структуры оценивалась с помощью коэффициента неоднородности А, который определяется как отношение А=R/R, где R и R - максимальный и минимальный линейные размеры зерен в структуре сплава соответственно. В известном сплаве-прототипе А=1,22-1,34, а для заявляемого сплава А=1,10-1,21, что свидетельствует о более высокой однородности его структуры.
Испытания на длительную прочность были проведены при температуре 960°С на образцах типа ДП-5 с рабочей частью ⌀5, длиной 25 мм на испытательных машинах типа МП-3 с прямым нагружением образцов в соответствии с ГОСТ 10145. Полученные данные позволяют построить график зависимости времени до разрушения от уровня растягивающих механических напряжений.
2
Значение предела длительной прочности заявляемого сплава при температуре 960°С за 100 000 час, полученных методом экстраполяции, составило 17,4 Н/мм, что на 26% выше данных по жаропрочности сплава-прототипа.
Испытания механических свойств были выполнены при температурах 20 и 960°С на образцах с рабочей частью ⌀5, длиной 25 мм по ГОСТ 9651 на машине FP-100/1 при скорости растяжения образца 2 мм/мин. По сравнению с прототипом механические свойства заявляемого сплава оказались также на более высоком уровне (см. таблицу).
Сравнительная характеристика жаропрочных сплавов
Показатель
Температура, °С
Сплав
прототип
заявляемый
Предел прочности, σ<sub>B</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
20
490
490-580
960
100
110-128
Предел текучести, σ<sub>02</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
20
245
250-300
960
-
110-120
Относительное удлинение, %
20
8
10-14
960
-
18-21
Совокупность полученных результатов испытаний позволяет гарантировать увеличение рабочего давления в реакционных трубах, изготовленных на основе заявляемого сплава, до 50 атм при температуре 800-1200°С.
Из описания изобретения и таблицы следует, что по заявленному техническому решению удается улучшить структуру и механические свойства жаропрочного сплава для изготовления реакционных труб и повысить рабочее давление их эксплуатации до 50 атм.