ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
REFRACTORY CHROMIUM-NICKEL ALLOY WITH AUSTENITE STRUCTURE

Изобретение относится к металлургической отрасли промышленности, в частности к составам жаропрочных хромоникелевых сплавов аустенитного класса, и может найти широкое применение в процессе изготовления фасонных отливок для коллекторов и реакционных труб печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака, метанола и водорода с температурами эксплуатации до 1100°С и давлением до 6 МПа.
Наиболее распространенным методом изготовления реакционных труб является центробежное литье, предусматривающее последующую механическую обработку центробежнолитых заготовок по внутренней поверхности для удаления дефектов металлургического происхождения.
Срок службы центробежнолитых труб на агрегатах аммиака и метанола, работающих при температурах около 900°С и давлениях до 50 атмосфер, должен составлять не менее 100000 часов. После его истечения их необходимо заменять, так как прочность металла резко понижается, что зачастую приводит к аварийному разрушению трубы и выходу из строя всей технологической установки.
Снижение жаропрочности реакционных труб (способности материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах) специалисты увязывают с неоптимальным составом и недостаточно высокой однородностью размеров зерен кристаллической структуры используемых сплавов.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2194785, кл. C22C 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. При этом содержание в нем примесей - серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди - не должно превышать следующие значения, 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.
К недостаткам указанного сплава следует отнести относительно невысокую температуру эксплуатации труб на его основе.
Известен жаропрочный сплав, описанный в RU №2149210, кл. C22C 38/50, 30/00 и включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, ванадий, титан, алюминий и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,14, кремний 0,0005-0,79, марганец 0,5005-1,21, хром 19-21, никель 31,0-34,0, ниобий 0,90-1,35, 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.
Его существенным недостатком является тот факт, что реальная температура эксплуатации труб в печах риформинга в ряде случаев не обеспечивается величиной показателя жаропрочности.
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав аустенитной структуры, приведенный в RU №2446223, кл. C22C 30/00; C22C 38/00; C22C 19/05 и включающий углерод, хром, никель, ниобий, церий, кремний, марганец, ванадий, титан, алюминий, вольфрам и железо при следующем содержании компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,10; хром 21-23; никель 30-33; ниобий 0,6-1,5; церий 0,06-0,12; кремний 0,01-0,95; марганец 0,001-0,55; ванадий - менее 0,10; титан - менее 0,10; алюминий 0,001-0,10, вольфрам - менее 0,10, железо и примеси - остальное, а содержание примесей - серы, фосфора, свинца, мышьяка, цинка, молибдена, кобальта и меди - не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово + мышьяк + цинк + сурьма - 0,01; молибден - 0,20; медь - 0,10.
Указанный сплав обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, однако пониженное содержание хрома и отсутствие в нем некоторых редкоземельных элементов может негативно отразиться на жаропрочности реакционных труб при давлениях выше 6 МПа.
Технической задачей изобретения является оптимизация химического состава и структуры жаропрочного сплава с одновременным улучшением длительной прочности при высоких температурах.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жаропрочном сплаве оптимизировано содержание ряда элементов и введены новые компоненты - цирконий и лантан.
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой, включающий углерод, хром, никель, железо, ниобий, церий, кремний, марганец, ванадий, титан, алюминий, вольфрам, серу, фосфор, свинец, олово, мышьяк, цинк, сурьму, молибден, медь и дополнительно цирконий и лантан при следующем содержании компонентов, % мас: углерод 0,05-0,10; хром 24-27; никель 33-35; ниобий 0,6-1,3; церий 0,005-0,10; цирконий 0,005-0,10; лантан - 0,005-0,10; кремний 0,81-1,50; марганец 0,60-1,20; ванадий 0,005-0,20; титан 0,005-0,15; алюминий 0,001-0,10, вольфрам - менее 0,10, железо и примеси - остальное, а содержание примесей - серы, фосфора, свинца, мышьяка, цинка, молибдена, кобальта и меди - не превышает следующих значений, мас.%: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово + мышьяк + цинк + сурьма - 0,01; молибден - 0,20; медь - 0,10.
По сравнению с прототипом в нем также увеличено содержание марганца, никеля, способствующих повышению предела текучести металла.
Заявляемый сплав является чисто аустенитным, так как его структура хорошо сохраняется при нагревании. Он не упрочняется термообработкой, то есть не склонен к дисперсионному твердению, выплавляется только в индукционных печах с основной футеровкой и использованием преимущественно чистых шихтовых материалов. Отходы, обрезь и другие загрязненные материалы при выплавке заявленного сплава применяются в ограниченных количествах, не более 15% мас. Специфика плавления металла в индукционных печах за счет использования высокочастотного способа нагрева обеспечивает хорошее диспергирование компонентов сплава в процессе выплавки, а также позволяет получать сплав с низким содержанием газов и избежать науглероживания, как это происходит в электродуговой печи.
Заявляемый 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 методом центробежного литья трубных заготовок путем заливки расплавленного сплава во вращающийся кокиль с внутренним диаметром, равным наружному диаметру получаемой трубы с последующей механической расточкой внутренней поверхности без изменения структуры металла.
Пример
Основные результаты испытаний были получены при использовании сплава следующего состава, мас.%: углерод - 0,08; кремний - 0,90; марганец - 0,75; хром - 25,0; никель - 33,5; ниобий - 1,0; церий - 0,05; цирконий - 0,04; лантан - 0,08; ванадий - 0,04; титан - 0,10; алюминий - 0,02; вольфрам - 0,07, сера - 0,02; фосфор - 0,02; медь - 0,06; молибден - 0,08; 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 равна 255 мкм, то есть практически такая же, как у сплава-прототипа (254 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=1,08-1,12, а для заявляемого сплава А=1,04-1,07, 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 с прямым нагружением образцов в соответствии с ГОСТ 10145. Полученные данные позволяют построить график зависимости времени до разрушения от уровня растягивающих механических напряжений.
Значение предела длительной прочности заявляемого сплава при температуре 960°С за 100000 час, найденные методом экстраполяции, оказались на 5% выше данных по жаропрочности сплава-прототипа (18,4 МПа и 17,5 МПа, соответственно). Это значит, что срок эксплуатации реакционных труб может быть также увеличен.
Из описания изобретения следует, что по заявленному техническому решению удается улучшить структуру и жаропрочность сплава, предназначенного для изготовления коллекторов и реакционных труб к печам риформинга.
Тем самым можно гарантировать более безопасную эксплуатацию фасонных отливок и реакционных труб при давлениях в них не менее 6 МПа и температурах до 1100°С.