RU2693417C1 - Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening - Google Patents
Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693417C1 RU2693417C1 RU2019103604A RU2019103604A RU2693417C1 RU 2693417 C1 RU2693417 C1 RU 2693417C1 RU 2019103604 A RU2019103604 A RU 2019103604A RU 2019103604 A RU2019103604 A RU 2019103604A RU 2693417 C1 RU2693417 C1 RU 2693417C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- heat
- nickel
- austenitic
- resistant
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным сплавам аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением, и может найти применение в производстве реакционных труб для агрегатов аммиака и метанола с рабочими температурами 850-950°С и давлением 2,5-5 МПа и нефтегазоперерабатывающих установок с режимами эксплуатации от 1000 до 1160°С и давлением до 0,7 МПа.The invention relates to metallurgy, in particular to heat-resistant alloys of austenitic class with intermetallic hardening, and can find application in the production of reaction tubes for ammonia and methanol units with operating temperatures of 850-950 ° C and pressure 2.5-5 MPa and oil and gas processing plants with modes operation from 1000 to 1160 ° C and pressure up to 0.7 MPa.
В зависимости от температуры пиролиза углеводородов срок службы центробежно-литых труб из известных сплавов варьирует от 10000 до 65000 часов, после чего их необходимо заменять, т.к. их прочность в рабочих условиях (температура, давление) резко понижается, что может привести к разгерметизации трубы и аварийной остановке печи риформинга.Depending on the temperature of the pyrolysis of hydrocarbons, the service life of centrifugally cast pipes from known alloys varies from 10,000 to 65,000 hours, after which they must be replaced, since their strength under operating conditions (temperature, pressure) decreases sharply, which can lead to depressurization of the pipe and emergency shutdown of the reforming furnace.
Ситуация осложняется тем, что при пиролизе нефтяных фракций и низших углеводородов происходят не только процессы деструкции и изомеризации, но и образования значительных количеств кокса, отлагающегося на внутренней поверхности реакционных труб. Диффундируя внутрь сплава, он способен реагировать с железом с образованием цементитов, при контакте которых с водородом выделяется метан, вызывающий появление многочисленных трещин. В результате водородной коррозии существенно снижаются физико-механические показатели металла.The situation is complicated by the fact that during the pyrolysis of petroleum fractions and lower hydrocarbons, not only the processes of destruction and isomerization occur, but also the formation of significant amounts of coke deposited on the inner surface of the reaction tubes. Diffusing into the alloy, it is able to react with iron to form cementites, on contact of which methane is released with hydrogen, which causes the appearance of numerous cracks. As a result of hydrogen corrosion, the physical and mechanical properties of the metal are significantly reduced.
Так разложение бутана происходит в соответствии со следующей схемой:So the decomposition of butane occurs in accordance with the following scheme:
С4Н10→С2Н4+С2Н6 С 4 Н 10 → С 2 Н 4 + С 2 Н 6
С2Н4→СН4+СC 2 H 4 → CH 4 + C
Для подавления коксообразования используют различные технологические приемы, в частности совместную подачу водяного пара и углеводорода. Наряду с этим практикуется отжиг отложившегося кокса. Для этого используется принцип реактора - регенератора, заключающийся в периодическом отключении реакционных труб от технологического процесса и подачей в нагретую трубу водяного пара.For the suppression of coke formation using various technological methods, in particular the joint supply of water vapor and hydrocarbon. Along with this practiced annealing of deposited coke. For this purpose, the principle of the reactor - regenerator is used, which consists in the periodic disconnection of the reaction tubes from the process and the supply of water vapor to the heated tube.
При этом происходит локальное воспламенение кокса и движение фронта пламени вдоль реакционной трубы вплоть до полного выжига углерода. Это сопровождается повышением температуры поверхности труб и способствует накоплению напряжений в сплаве.When this occurs, the local ignition of coke and the movement of the flame front along the reaction tube up to the complete burning of carbon. This is accompanied by an increase in the surface temperature of the pipes and contributes to the accumulation of stresses in the alloy.
Считается общепринятым, что повреждение реакционных труб в трубчатых печах производства олефинов. происходит вследствие одновременного воздействия термических нагрузок и деформаций, возникающих из-за высокого давления реакционного газа внутри трубы. Суммарные напряжения с эффектом науглероживания вызывают ползучесть, которая затрагивает преимущественно внутреннюю поверхность труб.It is generally accepted that damage to the reaction tubes in tube furnaces for the production of olefins. occurs due to the simultaneous effects of thermal loads and deformations arising due to the high pressure of the reaction gas inside the pipe. Total stresses with a carburizing effect cause creep that predominantly affects the inner surface of the pipes.
В свою очередь ползучесть сплава вблизи границ аустенитных зерен приводит к возникновению пустот, в дальнейшем выстраивающихся в линии и приводящих к возникновению микротрещин.In turn, the creep of the alloy near the boundaries of austenitic grains leads to the formation of voids, which later line up and lead to the appearance of microcracks.
Этот процесс протекает в три стадии.This process proceeds in three stages.
На начальном этапе эксплуатации реакционных труб, в процессе упрочнения металла скорость деформации снижается. При этом происходит замедление перемещения микроэлементов в структуре сплава, однако наблюдается образования микропор на границе зерен и фаз.At the initial stage of operation of the reaction tubes, in the process of metal hardening, the strain rate decreases. When this occurs, the movement of microelements in the alloy structure is slowed down; however, the formation of micropores is observed at the grain-phase boundary.
Вторичная стадия ползучести обусловлена старением жаропрочного сплава и проявляется в виде увеличения диаметра труб с постоянной, но медленной скоростью. На данном этапе происходит рост и объединение микропор.The secondary creep stage is caused by the aging of the heat-resistant alloy and manifests itself as an increase in the diameter of the tubes with a constant but slow speed. At this stage, growth and association of micropores occurs.
Третичная ползучесть характеризуется высокой скоростью деформации и объединением микротрещин в глубокие трещины, размером больше размеров аустенитного зерна.Tertiary creep is characterized by a high deformation rate and the integration of microcracks into deep cracks larger than austenitic grain sizes.
Возрастающая скорость деформации в конечном итоге приводит к разрушению реакционной трубы из жаропрочного сплава.The increasing rate of deformation ultimately leads to the destruction of the reaction tube from a heat-resistant alloy.
Для увеличения работоспособности реакционных труб крайне важно определить момент окончания вторичной ползучести, а также отодвинуть процесс наступления третичной ползучести, при которой пустоты на границах зерен разрастаются вплоть до образования трещин в структуре металла.To increase the efficiency of the reaction tubes, it is extremely important to determine the moment of the end of secondary creep, as well as to postpone the process of the onset of tertiary creep, at which the voids at the grain boundaries expand until the cracks form in the metal structure.
Одной из возможных причин недостаточно высокой жаропрочности труб, изготовленных из известных жаропрочных хромоникелевых сплавов, является увеличенный относительный размер частиц вторичных карбидов, их низкая однородность и неравномерность распределения в металле. Многие исследователи справедливо полагают, что механизм упрочнения сплава достаточно сложен и не может быть объяснен с позиций карбидной теории.One of the possible reasons for the insufficiently high heat resistance of pipes made of known high-temperature chromium-nickel alloys is the increased relative particle size of secondary carbides, their low uniformity and uneven distribution in the metal. Many researchers rightly believe that the mechanism of alloy hardening is quite complex and can not be explained from the standpoint of the carbide theory.
В то же время нельзя отрицать, что формирование карбидов в микроструктуре металла приводит к определенному торможению его ползучести. Известно, что по своей структуре карбиды подразделяют на два типа: первичные карбиды, которые образуются в процессе затвердевания в виде тонкой сетки на границах аустенитных зерен и вторичные карбиды, формирующиеся при высокотемпературной нагрузке реакционных труб. В ходе эксплуатации труб они осаждаются в виде мелкодиспергированных частиц не по границам, а в самих аустенитных зернах жаропрочного сплава (процесс старения). Каждая мелкодиспергированная частица вторичного карбида на уровне микроструктуры действует как своеобразное препятствие, предотвращающее деформационный сдвиг.At the same time, it cannot be denied that the formation of carbides in the microstructure of the metal leads to a certain inhibition of its creep. It is known that, by their structure, carbides are divided into two types: primary carbides, which are formed during solidification in the form of a fine mesh on the boundaries of austenite grains and secondary carbides, which are formed during high-temperature loading of the reaction tubes. During the operation of pipes, they are deposited in the form of finely dispersed particles not at the boundaries, but in the austenitic grains of the heat-resistant alloy themselves (the aging process). Each finely dispersed particle of secondary carbide at the level of the microstructure acts as a peculiar obstacle preventing deformation shift.
В зависимости от состава жаропрочного сплава и условий его получения наряду с карбидами в нем формируются различные интерметаллиды, которые не только препятствуют процессу ползучести и науглероживания внутренней поверхности реакционных труб, но существенно повышают их эксплуатационный ресурс.Depending on the composition of the heat-resistant alloy and the conditions for its production, along with carbides, various intermetallic compounds are formed in it, which not only impede the process of creep and carburization of the inner surface of the reaction tubes, but significantly increase their service life.
Только с позиций образования карбидов и интерметаллидов можно осуществлять рецептуростроение аустенитных сплавов.Only from the standpoint of the formation of carbides and intermetallic compounds it is possible to carry out the formulation of austenitic alloys.
Известен жаропрочный сплав [RU №2149205, кл. С22С 30/00, опубл. 20.05.2000], содержащий мас. %: углерод 0,41÷0,47; хром 26,5÷29,5; никель 47,5÷50,5; вольфрам 4,50÷5,50; кремний 0,9995÷1,49; марганец 0,5005÷1,51; ванадий 0,0005÷0,20; титан 0,0005÷0,10; алюминий 0,0005÷0,10; сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01, молибден - 0,5; медь - 0,2; железо - остальное.Known high-temperature alloy [RU No. 2149205, cl. C22C 30/00, publ. 20.05.2000], containing wt. %: carbon 0.41 ÷ 0.47; chromium 26.5 ÷ 29.5; nickel 47.5 ÷ 50.5; tungsten 4.50 ÷ 5.50; silicon 0.9995 ÷ 1.49; manganese 0.5005 ÷ 1.51; vanadium 0.0005 ÷ 0.20; titanium 0.0005 ÷ 0.10; aluminum 0.0005 ÷ 0.10; sulfur - 0.03; phosphorus - 0.03; lead - 0.01; tin - 0.01; arsenic - 0.01; zinc - 0.01, molybdenum - 0.5; copper - 0,2; iron - the rest.
Реакционные трубы на его основе изготавливаются методом центробежного литья с последующей механической обработкой трубных заготовок по внутренней поверхности для удаления дефектов металлургического происхождения и сваркой для получения требуемой длины.The reaction tubes based on it are manufactured by the method of centrifugal casting with subsequent machining of tubular blanks on the inner surface to remove defects of metallurgical origin and welding to obtain the required length.
Недостатком представленного технического решения является пониженный ресурс работы пиролизного оборудования при экстремальных условиях ведения процесса.The disadvantage of the presented technical solution is the reduced life of the pyrolysis equipment under extreme conditions of the process.
Известен жаропрочный сплав, описанный в [RU №2149206, кл. С22С 30/00, опубл. 20.05.2000], и содержащий в мас. %: углерод 0,35÷0,45; хром 24,0÷27,0; никель 34,0÷36,0; ниобий 1,30÷1,70; кремний 1,1995÷1,59; марганец 1,0005÷1,51; ванадий 0,0005÷0,20; титан 0,0005÷0,10; алюминий 0,0005÷0,10; железо - остальное. Содержание в сплаве серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка, молибдена и меди не превышает следующих значений, мас. %: сера - 0,03; фосфор - 0,03; свинец - 0,01; олово - 0,01; мышьяк - 0,01; цинк - 0,01; молибден - 0,50; медь - 0,20.Known high-temperature alloy, described in [RU No. 2149206, cl. C22C 30/00, publ. 20.05.2000], and containing in wt. %: carbon 0.35 ÷ 0.45; chromium 24.0 ÷ 27.0; Nickel 34.0 ÷ 36.0; niobium 1.30 ÷ 1.70;
К его недостаткам можно отнести повышенную ползучесть реакционных труб при воздействии высоких значений температуры и напряжений, которая обусловлена недостаточно высокой однородностью распределения вторичных карбидов в кристаллической структуре металла.Its disadvantages include the increased creep of the reaction tubes when exposed to high temperatures and stresses, which is caused by the insufficiently homogeneous distribution of secondary carbides in the crystal structure of the metal.
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав, описанный в [RU №2395607, МПК С22С 30/00, заявл. 13.04.2009, опубл. 27.07.2010] и имеющий состав, мас. %: углерод - 0,35÷0,45; кремний - 1,60÷2,10; хром - 34,0÷36,0; никель - 43,0÷47,0; вольфрам - 0,005÷0,10; ванадий - 0,005÷0,10; титан - 0,10÷0,25; цирконий - 0,10÷0,25; церий - 0,005÷0,10; ниобий - 1,40÷1,90; сера ≤0,025; фосфор ≤0,025; свинец ≤0,007; олово ≤0,007; мышьяк ≤0,007; цинк ≤0,007; сурьма ≤0,007; азот ≤0,01; медь ≤0,2; железо - остальное.The closest in technical essence is a heat-resistant alloy, described in [RU No. 2395607, IPC S22C 30/00, Appl. 04/13/2009, publ. 27.07.2010] and having a composition, wt. %: carbon - 0.35 ÷ 0.45; silicon - 1.60 ÷ 2.10; chromium - 34.0 ÷ 36.0; Nickel - 43,0 ÷ 4,0; tungsten - 0.005 ÷ 0.10; vanadium - 0.005 ÷ 0.10; titanium - 0.10 ÷ 0.25; zirconium - 0.10 ÷ 0.25; cerium - 0.005 ÷ 0.10; niobium - 1.40 ÷ 1.90; sulfur ≤0,025; phosphorus ≤0,025; lead ≤0,007; tin ≤0,007; arsenic ≤0,007; zinc ≤0,007; antimony ≤0,007; nitrogen ≤0.01; copper ≤0.2; iron - the rest.
Основным техническим результатом, достигаемым при реализации известного изобретения, является уменьшение относительного размера мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава, повышение однородности мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов и равномерности их распределения в металле.The main technical result achieved in the implementation of the known invention is to reduce the relative size of finely dispersed particles of secondary carbides in austenitic grains of a heat-resistant alloy, increasing the uniformity of finely dispersed particles of secondary carbides and the uniformity of their distribution in the metal.
К недостаткам данного сплава можно отнести относительно низкий эффект повышения его жаропрочности и сохранение механических свойств (σB, σ02, δ5) на уровне вышеуказанных аналогов. Наряду с этим велика вероятность возникновения трещин при сварке труб в случае содержания кремния свыше 2% мас. и при отсутствии в нем таких легирующих добавок, как скандий и лантан.The disadvantages of this alloy include the relatively low effect of increasing its heat resistance and the preservation of mechanical properties (σ B , σ 02 , δ 5 ) at the level of the above analogues. Along with this, there is a high probability of cracking when welding pipes in the case of a silicon content of more than 2% wt. and in the absence of such alloying additives in it, such as scandium and lanthanum.
Технической задачей изобретения является оптимизация структуры и состава жаропрочного сплава аустенитного класса с целью повышения его физико-механических показателей и жаропрочности.An object of the invention is to optimize the structure and composition of the heat-resistant alloy of the austenitic class in order to increase its physical and mechanical properties and heat resistance.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жаропрочном сплаве содержатся, мас. %: аустенитная матрица - 88÷94; интерметаллид Сr(25÷60)Fe(3÷7)Ni - 4÷10 и интерметаллид Nb(26÷34)Cr(2,6÷3,4)(FeNiTi)(0,9÷1,1) - 1÷3, при следующем содержании элементов, мас. %: углерод - 0,35÷0,45; кремний - 1,4÷2,0; марганец - 0,8÷1,55; хром - 34÷36; никель - 43÷47; титан - 0,26÷0,50; цирконий - менее 0,1; церий - 0,005÷0,10; лантан - 0,005÷0,10; скандий - 0,005÷0,10; кобальт - 0,005÷0,10; алюминий - 0,001÷0,05; сера ≤0,025; фосфор ≤0,025; свинец ≤0,007; олово ≤0,007; мышьяк ≤0,007; цинк ≤0,007; сурьма ≤0,007; азот ≤0,01; медь ≤0,2; железо - остальное.This technical result is achieved due to the fact that the refractory alloy contains, wt. %: austenitic matrix - 88 ÷ 94; Cr (25 ÷ 60) Fe (3 ÷ 7) Ni - 4 ÷ 10 intermetallide and Nb (26 ÷ 34) Cr (2,6 ÷ 3,4) intermetallic (FeNiTi) (0.9 ÷ 1,1) - 1 ÷ 3, with the following content of elements, wt. %: carbon - 0.35 ÷ 0.45; silicon - 1.4 ÷ 2.0; manganese - 0.8 ÷ 1.55; chromium - 34 ÷ 36; Nickel - 43 ÷ 47; titanium - 0.26 ÷ 0.50; zirconium - less than 0.1; cerium - 0.005 ÷ 0.10; lanthanum - 0.005 ÷ 0.10; scandium - 0.005 ÷ 0.10; cobalt - 0.005 ÷ 0.10; aluminum - 0.001 ÷ 0.05; sulfur ≤0,025; phosphorus ≤0,025; lead ≤0,007; tin ≤0,007; arsenic ≤0,007; zinc ≤0,007; antimony ≤0,007; nitrogen ≤0.01; copper ≤0.2; iron - the rest.
Таким образом, по сравнению с прототипом состав жаропрочного сплава существенно изменен. Наряду с формированием в нем двух новых структурных образований - интерметаллидов, обогащенных соответственно хромом и ниобием, в него дополнительно включены легирующие добавки в виде лантана и скандия, кобальта и алюминия, уменьшено содержание циркония. Одновременно с этим увеличено количество титана, часть которого расходуется на образование Nb(26÷34)Cr(2,6÷3,4)(FeNiTi)(0,9÷1,1) - производного. Лишь подобная корректировка позволила добиться формирования обоих упрочняющих интерметаллидов на стадиях выплавки стали и ее заливки в кокили при изготовлении реакционных труб, а также существенного улучшения рабочих характеристик сплава при различных температурах.Thus, in comparison with the prototype, the composition of the heat-resistant alloy is substantially changed. Along with the formation of two new structural formations in it - intermetallic compounds enriched with chromium and niobium, respectively, it additionally includes doping additives in the form of lanthanum and scandium, cobalt and aluminum, and the zirconium content is reduced. At the same time, the amount of titanium is increased, part of which is spent on the formation of Nb (26 ÷ 34) Cr (2.6 ÷ 3.4) (FeNiTi) (0.9 ÷ 1.1) - derivative. Only such an adjustment made it possible to achieve the formation of both reinforcing intermetallic compounds at the stages of steel smelting and its pouring into the chill mold during the manufacture of reaction tubes, as well as a significant improvement in the performance of the alloy at different temperatures.
Заявленный жаропрочный хромоникелевый сплав относится к высокоуглеродистым аустенитным и для его выплавки используются только индукционные печи с основной футеровкой с применением чистых шихтовых материалов. Применение указанного способа плавления шихты обеспечивает хорошее перемешивание компонентов сплава, что дополнительно снижает отрицательное воздействие ликвационных процессов.The claimed heat-resistant nickel-chromium alloy is a high-carbon austenitic and for its smelting only induction furnaces with the main lining are used using clean charge materials. The use of this method of melting the mixture ensures good mixing of the alloy components, which further reduces the negative impact of segregation processes.
Указанный сплав является строго литейным (не является деформируемым, т.е. не поддается прессованию, ковке или прокатке), поэтому не требуется дополнительных мер по существенному ограничению содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор, резко снижающих пластичность сплава и не позволяющих производить его деформирование без разрушения. В свою очередь, сера и фосфор в заявленных количествах улучшают обрабатываемость сплава резанием.The specified alloy is strictly foundry (it is not deformable, that is, it cannot be pressed, forged or rolled), therefore no additional measures are required to significantly limit the content of harmful impurities, such as sulfur and phosphorus, which drastically reduce the ductility of the alloy and do not allow it deformation without destruction. In turn, sulfur and phosphorus in the stated amounts improve the machinability of the alloy by cutting.
Изделия на основе заявляемого жаропрочного хромоникелевого сплава получались из центробежнолитых трубных заготовок или отливок, изготовленных путем заливки расплавленного жаропрочного сплава во вращающийся кокиль или в специально подготовленную форму (для фасонной отливки) с соблюдением определенных режимов. При его производстве на завершающей стадии в расплавленный металл вводят по специальным режимам некоторые легирующие компоненты (титан, ванадий и др.) во избежание их окисления и угара. В дальнейшем после кристаллизации жаропрочного сплава с заданным градиентом температур полученные литые заготовки подвергались механической обработке без деформации структуры материала, то есть путем расточки.Products based on the inventive heat-resistant nickel-chromium alloy were obtained from centrifugally cast tubular billets or castings made by pouring the molten heat-resistant alloy into a rotating chill mold or into a specially prepared mold (for shaped casting) in compliance with certain modes. During its production at the final stage, some alloying components (titanium, vanadium, etc.) are introduced into the molten metal according to special regimes in order to avoid their oxidation and intoxication. Subsequently, after the crystallization of a heat-resistant alloy with a given temperature gradient, the resulting cast billets were machined without deforming the material structure, that is, by boring.
Основные результаты были получены нами при использовании сплава следующего состава в мас. %: углерод - 0,41; кремний - 1,70; марганец - 1,1; хром - 35; никель - 45,5; титан - 0,30; ванадий - 0,08; вольфрам - 0,05; цирконий - 0,07; церий - 0,07; лантан - 0,05; скандий - 0,07; ниобий - 1,60; кобальт - 0,005; алюминий - 0,005; сера - 0,025; фосфор - 0,025; свинец - 0,005; олово - 0,004; мышьяк - 0,005; цинк - 0,005, сурьма - 0,006; азот - 0,009; медь - 0,10; железо - остальное.The main results were obtained by us using an alloy of the following composition in wt. %: carbon - 0.41; silicon - 1.70; manganese - 1.1; chromium - 35; nickel - 45.5; titanium - 0.30; vanadium - 0.08; tungsten - 0.05; zirconium - 0.07; cerium - 0.07; lanthanum - 0.05; scandium - 0.07; niobium - 1.60; cobalt - 0,005; aluminum, 0.005; sulfur - 0.025; phosphorus - 0.025; lead - 0,005; tin - 0.004; arsenic - 0.005; zinc - 0.005, antimony - 0.006; nitrogen - 0,009; copper - 0.10; iron - the rest.
Содержание интерметаллидов Cr40Fe4Ni и Nb30Cr3FeNiTi составляло 7 и 1,5 мас. %, соответственно.The content of intermetallic compounds Cr 40 Fe 4 Ni and Nb 30 Cr 3 FeNiTi was 7 and 1.5 wt. %, respectively.
Для проведения исследований жаропрочных свойств заявленного сплава от торцевой части изготовленной центробежнолитой трубной заготовки вырезали патрубок длиной 150 мм, из которого изготавливали образцы для испытаний. При этом направление оси вырезаемых образцов совпадало с направлением оси центробежнолитой трубы.To conduct studies of the heat-resistant properties of the claimed alloy from the end portion of the manufactured centrifugal-cast tubular billet, a 150-mm-long tube was cut out, from which the samples were made for testing. In this case, the direction of the axis of the cut samples coincided with the direction of the axis of the centrifugal-cast pipe.
Электронно-микроскопическое исследование и микрорентгеноструктурный анализ проводили с помощью растрового электронного микроскопа Sigma ф. Karl Zeiss, оснащенного аналитической системой ф. EDAX (США) с детектором Apollo и детектором обратно-рассеянных электронов Hikari.Electron microscopic examination and micro X-ray diffraction analysis were performed using a Sigma f raster electron microscope. Karl Zeiss, equipped with an analytical system f. EDAX (USA) with an Apollo detector and a Hikari back-scattered electron detector.
Предварительный анализ микроструктуры материала образцов металла на сканирующем электронном микроскопе с помощью детектирования обратно-рассеянных электронов детектором AsB показал наличие в микроструктуре предлагаемого сплава трех фаз: основной аустенитной матрицы и двух интерметаллидных фаз, различающихся по контрасту детектирования обратно рассеянных электронов (см. фиг. 1 и 2). При их рассмотрении можно прийти к выводу, что интерметаллидные фазы формируют упрочняющую сетку, благодаря которой снижается склонность к ползучести металла при высоких температурах.A preliminary analysis of the material microstructure of metal samples on a scanning electron microscope using the back-scattered electron detection by the AsB detector revealed the presence of three phases in the microstructure of the proposed alloy: the main austenitic matrix and two intermetallic phases differing in contrast of the back scattered electrons detection (see Fig. 1 and 2). When considering them, it can be concluded that the intermetallic phases form a reinforcing mesh, due to which the tendency to creep of the metal at high temperatures is reduced.
Среднюю величину зерна определяли в окуляре металлографического микроскопа на матовом стекле (ГОСТ 5639 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна»). Равномерность распределения мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава оценивалась с помощью коэффициента К, который определяется как отношение К=Rmax/Rmin, где Rmax и Rmin - максимальное и минимальное расстояние между мелкодиспергированными частицами вторичных карбидов в аустенитных зернах жаропрочного сплава, соответственно. В известном сплаве-прототипе К=4,2, в заявленном 3.9, что свидетельствует о повышении однородности мелкодиспергированных частиц вторичных карбидов в аустенитных зернах заявленного сплава.The average grain size was determined in an eyepiece of a metallographic microscope on frosted glass (GOST 5639 "Steel. Methods for detecting and determining grain size"). The uniform distribution of finely dispersed particles of secondary carbides in austenitic grains of a heat resistant alloy was estimated using the coefficient K, which is defined as the ratio K = R max / R min , where R max and R min are the maximum and minimum distance between finely dispersed particles of secondary carbides in austenitic grains of a heat resistant alloy , respectively. In the known prototype alloy K = 4.2, in the claimed 3.9, which indicates an increase in the uniformity of finely dispersed particles of secondary carbides in the austenitic grains of the claimed alloy.
Испытание механических свойств было выполнено при температурах 20 и 1000°С на образцах с рабочей частью ф5 длиной 25 мм по ГОСТ 9651 на машине FP- 100/1 при скорости растяжения образца 2 мм/мин.The test of mechanical properties was performed at temperatures of 20 and 1000 ° C on samples with a working part of 5 mm in length of 25 mm according to GOST 9651 on an FP-100/1 machine at a tensile rate of 2 mm / min.
Результаты проведенных испытаний наносили на график жаропрочности в координатах lgτ - lgσ (где τ - время до разрушения, σ - напряжение). Полученный график позволяет прогнозировать напряжение (длительную прочность), при котором изделие из данного сплава разрушилось бы за определенный промежуток времени (τ, час) при заданной температуре (t, °С).The results of the tests carried out on the heat resistance graph in the coordinates lgτ - lgσ (where τ is the time to failure, σ is the stress). The resulting graph allows us to predict the stress (long-term strength) at which a product made from this alloy would collapse over a certain period of time (τ, hour) at a given temperature (t, ° C).
С целью сокращения длительности испытаний на установленные в машине образцы прикладывали напряжения в σ - 60; 50; 40 и 35 Н/мм2 в соответствии с ГОСТ 10145), что позволило определить из полученного графика жаропрочности (lgτ - lgσ) конкретные значения 100-часовой длительной прочности.In order to reduce the duration of the tests, the samples installed in the machine applied stresses in σ - 60; 50; 40 and 35 N / mm 2 in accordance with GOST 10145), which made it possible to determine specific values of 100-hour long-term durability from the resulting heat resistance graph (lgτ - lgσ).
При этом установлено, что длительная прочность образцов труб, изготовленных из заявленного жаропрочного сплава с интерметаллидным упрочнением повышается по сравнению с прототипом с 49,4 до 55,9 Н/мм2, что равнозначно увеличению на 13% ресурса эксплуатации реакционных труб или увеличению рабочего давления до 0,7 МПа. Важно также отметить, что и механические свойства опытного сплава в исходном состоянии при комнатной температуре также выше, чем и у сплава-прототипа. Предел прочности (σB) составляет не менее 610 Н/мм2 (440 Н/мм2 у прототипа); предел текучести (σ02) более 300,0 (230 Н/мм2 у прототипа); относительное удлинение (δ5) не менее 5%. Немалую роль в повышение ползучести сыграл ввод в сплав скандия и лантана.It was found that the long-term strength of pipe samples made from the claimed heat-resistant alloy with intermetallic hardening increases compared with the prototype from 49.4 to 55.9 N / mm 2 , which is equivalent to an increase of 13% in the service life of the reaction tubes or increase in operating pressure up to 0.7 MPa. It is also important to note that the mechanical properties of the test alloy in the initial state at room temperature are also higher than those of the prototype alloy. The tensile strength (σ B ) is not less than 610 N / mm 2 (440 N / mm 2 for the prototype); yield strength (σ 02 ) is more than 300.0 (230 N / mm 2 for the prototype); relative lengthening (δ 5 ) not less than 5%. A significant role in creep enhancement was played by the introduction of scandium and lanthanum into the alloy.
Склонность жаропрочных сплавов к науглероживанию оценивали по кинетике их насыщения углеродом после испытания в течение 1000 часов.The tendency of superalloys to carburizing was evaluated by the kinetics of their carbon saturation after the test for 1000 hours.
Для этого из центробежно-литой трубы вырезали цилиндрические образцы диаметром 10 мм и длиной 50 мм и подвергали шлифовке до чистоты поверхности не ниже RZ=80 мкм.To do this, cylindrical specimens with a diameter of 10 mm and a length of 50 mm were cut out of a centrifugal-cast pipe and subjected to polishing to a surface purity not lower than R Z = 80 μm.
Испытание на науглероживанию проводили при температуре (1060±10)°С в среде технического углерода марки П 324 по ГОСТ 7885 путем их 200 часового прогревания в жаростойком контейнере. О диффузии углерода внутрь металла судили по изменению массы образцов, а также по глубине науглероженного слоя с использованием металлографического метода.The carburizing test was carried out at a temperature of (1060 ± 10) ° C in an environment of carbon black grade P 324 according to GOST 7885 by their 200-hour heating in a heat-resistant container. The diffusion of carbon into the metal was judged by the change in the mass of the samples, as well as by the depth of the carburized layer using the metallographic method.
Нами установлено, что в случае, если все компоненты сплава находятся в пределах, оговоренных в формуле изобретения, науглероживание отсутствует и достигаются высокие значения физико-механических показателей металла и повышенный ресурс работы реакционных труб. При анализе сварных швов методами неразрушающего контроля трещины не выявлены.We have found that if all alloy components are within the limits specified in the claims, there is no carburization and high values of the physicomechanical parameters of the metal and an increased service life of the reaction tubes are achieved. When analyzing welds by non-destructive testing methods, no cracks were detected.
Из описания изобретения и рисунков следует, что по заявленному техническому решению удается получить аустенитный сплав с интерметаллидным упрочнением и улучшенной структурой аустенитных зерен и повысить тем самым его механические свойства и жаропрочность, избежать образования трещин при сварке труб.From the description of the invention and the drawings, it follows that according to the claimed technical solution it is possible to obtain an austenitic alloy with intermetallic hardening and an improved structure of austenitic grains and thereby increase its mechanical properties and heat resistance, to avoid the formation of cracks during welding of pipes.
Это позволит изготавливать реакционные трубы, эксплуатируемые на агрегатах аммиака, метанола и нефтегазоперерабатывающих установках при температурах 850, 950 и 1160°С и давлениях 5, 2,5 и 0,7 МПа, соответственно.This will make it possible to manufacture reaction tubes operated on ammonia, methanol, and oil and gas processing units at temperatures of 850, 950, and 1160 ° C and pressures of 5, 2.5, and 0.7 MPa, respectively.
Claims (24)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019103604A RU2693417C1 (en) | 2019-02-08 | 2019-02-08 | Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019103604A RU2693417C1 (en) | 2019-02-08 | 2019-02-08 | Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2693417C1 true RU2693417C1 (en) | 2019-07-02 |
Family
ID=67251864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019103604A RU2693417C1 (en) | 2019-02-08 | 2019-02-08 | Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2693417C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6623869B1 (en) * | 2001-06-19 | 2003-09-23 | Sumitomo Metal Ind | Metal material having good resistance to metal dusting |
| US20080279716A1 (en) * | 2006-01-11 | 2008-11-13 | Yoshitaka Nishiyama | Metal material having excellent metal dusting resistance |
| RU2395607C1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-07-27 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat resistant alloy |
| RU2632728C2 (en) * | 2016-02-10 | 2017-10-09 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
| EP1717330B1 (en) * | 2004-02-12 | 2018-06-13 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Metal tube for use in carburizing gas atmosphere |
-
2019
- 2019-02-08 RU RU2019103604A patent/RU2693417C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6623869B1 (en) * | 2001-06-19 | 2003-09-23 | Sumitomo Metal Ind | Metal material having good resistance to metal dusting |
| EP1717330B1 (en) * | 2004-02-12 | 2018-06-13 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Metal tube for use in carburizing gas atmosphere |
| US20080279716A1 (en) * | 2006-01-11 | 2008-11-13 | Yoshitaka Nishiyama | Metal material having excellent metal dusting resistance |
| RU2395607C1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-07-27 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat resistant alloy |
| RU2632728C2 (en) * | 2016-02-10 | 2017-10-09 | Байдуганов Александр Меркурьевич | Heat-resistant alloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ul-Hamid et al. | Failure analysis of furnace radiant tubes exposed to excessive temperature | |
| Wu et al. | Developing the ductility and thermal fatigue cracking property of laser-deposited Stellite 6 coatings by adding titanium and nickel | |
| JP6628014B1 (en) | Steel for parts to be carburized | |
| US4424083A (en) | Carburization resistance of austenitic stainless steel tubes | |
| JPWO2018003823A1 (en) | Austenitic stainless steel | |
| Kondrat'ev et al. | Evolution of the microstructure and phase composition of a subsurface of cast HP-type alloy during a long-term high-temperature aging | |
| CN111394663A (en) | Heat-resistant iron-based alloy and preparation method thereof | |
| Rozman et al. | Creep of MARBN-type 9Cr martensitic steel in gaseous CO2 environment | |
| US4379745A (en) | Carburization resistance of austenitic stainless steel tubes | |
| Huang et al. | Comparative study on microstructure and mechanical properties of a novel nano-composite strengthening heat-resistant steel and two typical heat-resistant steels | |
| RU2700346C1 (en) | Heat-resistant alloy | |
| RU2395607C1 (en) | Heat resistant alloy | |
| RU2693417C1 (en) | Heat-resistant alloy of austenite structure with intermetallic hardening | |
| Caballero et al. | Use of titanium and zirconium in centrifugally cast heat resistant steel | |
| LASTNOSTMI | Alloys with modified characteristics | |
| Vdovin et al. | Study of the effect of isothermal holding on parameters of graphite phase in indefinite chromium-nickel cast iron alloyed by nitrogen and vanadium | |
| Delić et al. | The influence of solution annealing on microstructure and mechanical properties heat-resistant cast Steel HK30 modified by Niobium | |
| RU2765806C1 (en) | Heat resistant alloy | |
| RU2617272C1 (en) | Refractory alloy | |
| Bose et al. | Effect of thermal ageing on mechanical properties and microstructures of a standard GX 12 CrMoVWNbN 1011 grade of cast steel for turbine casing | |
| RU2395608C1 (en) | Heat resistant alloy | |
| RU2700347C1 (en) | Heat-resistant alloy | |
| RU2579709C1 (en) | High-temperature alloy | |
| RU2395606C1 (en) | Heat resistant alloy | |
| Ul-Hamid et al. | Carburisation of Fe–Ni–Cr alloys at high temperatures |