CN104657612B - 一种离心铸造炉管的掺炼识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心铸造炉管掺炼识别技术领域，具体涉及一种离心铸造炉管的掺炼识别方法。该方法包含以下步骤：首先对离心铸造炉管进行化学成分分析、室温拉伸试验和高温持久试验，以获得常量元素影响因子f(α)、痕量元素影响因子f(β)、拉伸性能影响因子f(δ)和高温持久性能影响因子f(θ)，并在此基础上给出了识别函数f(α,β,δ,θ)，所述f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ)。当识别函数f(α,β,δ,θ)的计算结果为零时，则用来识别的离心铸造炉管为掺炼炉管。本发明不但使得离心铸造炉管的掺炼识别更加易于识别，也使得离心铸造炉管的质量控制更加量化。

Description

一种离心铸造炉管的掺炼识别方法

技术领域

本发明涉及离心铸造炉管掺炼识别技术领域，具体涉及一种离心铸造炉管掺炼识别方法。

背景技术

20世纪70年代川化机离心铸造炉管的生产标志着离心铸造炉管国产化的开始。我国耐热合金炉管工业在近二十年才形成生产规模。炉管生产厂采用中频炉冶炼工艺，该工艺除杂能力差，对于冶金所选用的原材料要求极高。在炉管制造行业中，为了降低生产成本，普遍存在回收石化企业报废的旧炉管来掺炼新炉管的现象。在添加旧炉管冶炼过程中，可能将旧炉管管壁上残留的低熔点杂质带入新制造的炉管中，在炉管长期高温服役过程中，杂质元素会在炉管晶界偏聚，晶界脆化，降低了炉管材料的抗蠕变性能，导致炉管服役寿命大大缩短。

近十年来，国内石化企业在离心铸造耐热合金炉管订货技术条件中明确提出乙烯裂解炉管所采用的原料必须是纯新原料，不得采用掺入旧炉管料进行铸造。然而，目前仍无法有效识别乙烯裂解炉管是否掺入了旧炉管料。所以，如何判别是否掺炼废旧炉管料，是一个亟待解决工程难题。

发明内容

为了有效提升国产离心铸造炉管的服役寿命和可靠性，从而达到保障乙烯裂解炉装置长周期安全运行的目的，本发明提供了一种离心铸造炉管掺炼识别方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种离心铸造炉管的掺炼识别方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、分别对离心铸造炉管进行如下试验和分析

1)、对离心铸造炉管材料的化学成分进行分析，确定离心铸造炉管材料的常量元素和痕量元素的重量含量；

所述常量元素至少包括C、P、S；

所述痕量元素至少包括As、Sn、Pb、Bi；

根据获得的C、P、S元素的重量含量，确定常量元素影响因子f(α)如式(1)所示：

f(α)＝a(ω(C)+ω(P)+ω(S)) (1)

式(1)中ω(C)，ω(P)，ω(S)分别为C、P、S元素在离心铸造合金炉管材料中的重量百分含量；当0.37≤ω(C)≤0.48且ω(P)≤0.020且ω(S)≤0.015时，a取值为1，否则a取值为0；

根据获得的As、Sn、Pb、Bi元素的重量含量，确定痕量元素影响因子f(β)如式(2)所示：

f(β)＝b(ω(As)+ω(Sn)+ω(Pb)+ω(Bi)) (2)

式(2)中ω(As)，ω(Sn)，ω(Pb)，ω(Bi)分别为As、Sn、Pb、Bi元素在离心铸造合金炉管材料中的重量含量，单位为ppm；当ω(As)≤30且ω(Sn)≤20且ω(Pb)≤20且ω(Bi)≤1时，否则b取值为0；

2)、对同样材料的两件离心铸造炉管进行室温拉伸试验，确定两件离心铸造炉管的抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率；根据获得的两件离心铸造炉管的拉伸试验参数值确定拉伸性能影响因子f(δ)如式(3)所示：

f(δ)＝f(δ1)×f(δ2)×f(δ3) (3)

f(δ1)在当两件离心铸造炉管的屈服强度差值不超过较小屈服强度值的2％时，取值为1，否则取值为0；

f(δ2)在当两件离心铸造炉管的抗拉强度差值不超过较小抗拉强度值的2％时，取值为1，否则取值为0；

f(δ3)在当两件离心铸造炉管的伸长率差值不超过较小伸长率值的5％时，取值为1，否则取值为0；

3)、对两件离心铸造炉管进行高温持久试验，确定离心铸造炉管的高温持久寿命；所述高温持久寿命是指在1100℃、17MPa或1100℃、16MPa条件下的离心铸造炉管的断裂时间；根据获得的两件离心铸造炉管的高温持久试验参数值确定高温持久性能影响因子f(θ)如式(4)所示：

f(θ)＝f(θ1)×f(θ2) (4)

f(θ1)在当两件离心铸造炉管的高温持久寿命均≥120h时，取值为1，否则取值为0；

f(θ2)在当两件离心铸造炉管的高温持久寿命差值不超过较小高温持久寿命值的30％时，取值为1，否则取值为0；

步骤二、根据步骤一中试验和分析的结果，得到识别函数f(α,β,δ,θ)如式(5)所示：

f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ) (5)

本发明的有益效果在于：

本发明首次提出了一种离心铸造炉管的掺炼识别方法，同时为离心铸造炉管原材料的质量控制提供了一种有效的方法。

具体实施方式

本发明首先对离心铸造合金炉管材料的化学成分进行分析，确定对高温持久寿命有显著影响的常量及痕量元素的含量。具体地说，采用直读光谱仪分析离心铸造合金炉管材料的常量元素的重量含量；采用光度计分析离心铸造合金炉管材料的痕量元素的重量含量。

炉管材料中的C元素含量增加，将使得炉管的屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，C元素含量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力；此外，C元素还能增加材料的冷脆性和时效敏感性。

炉管材料中的S元素含量对高温持久寿命有显著影响，随着S元素的增加，离心铸造合金炉管即炉管的高温持久寿命降低。这是由于在热处理过程中硫偏聚到晶界形成硫化物，由于硫化物和基体的结合力较差，空洞很容易形核，在高温状态下由于局部应力集中导致空洞连接从而产生微裂纹，导致炉管快速失效。

炉管材料中的P元素在热处理过程中也会产生偏聚，促进空洞的形核。

炉管材料中的痕量元素Pb在高温拉伸应力情况下，向晶界偏聚，降低了表面能，促进了蠕变空洞的萌生，最终导致高温持久性能的降低。

炉管材料中的痕量元素Bi对高温持久寿命的影响与Pb元素相似，随着Bi元素含量的增加，炉管的高温持久寿命显著降低。这是由于Bi元素向晶 界偏聚，降低了晶界表面能，增加了空洞形核率。

炉管材料中的痕量元素As是炉管材料中有害杂质元素之一。As在材料中以固溶体形式存在，易发生偏析现象。由于As具有强烈的排碳特点，会导致大量球状碳化物夹杂析出，降低了材料的冲击韧性。

炉管材料中的痕量元素Sn在热处理过程中会在晶界偏聚，导致晶界脆化。

对离心铸造炉管按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，进行标准试样的加工及试验，每组2件试样即两根离心铸造合金炉管，检测炉管材料的室温拉伸性能；按照GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》，进行标准试样的加工及试验，每组2件试样即两根离心铸造合金炉管，检测炉管材料的高温持久寿命。炉管材料掺炼之后会导致材料性能的不均匀，从而导致材料室温拉伸性能及高温持久寿命值存在较大的偏差。

对在纯新原料掺入废旧炉管料炼制得到的离心铸造炉管进行大量的试验和统计，发现此种类型的离心铸造炉管在常量元素化学成分、痕量元素化学成分、室温拉伸性能、高温持久性能四个方面体现出一种便于统计识别的自然规律，因此本发明的技术方案中提出了用于识别离心铸造炉管是否掺炼的四个关键的影响因数：常量元素影响因子f(α)、痕量元素影响因子f(β)、拉伸性能影响因子f(δ)和高温持久性能影响因子f(θ)，并在此基础上给出了识别函数f(α,β,δ,θ)，从而使得离心铸造炉管的掺炼识别更加易于识别，也使得离心铸造炉管的质量控制更加量化。

对于识别函数f(α,β,δ,θ)，当识别函数f(α,β,δ,θ)的计算结果为零时，则用来识别的离心铸造炉管为掺炼炉管，进一步的说，不满足以下所有条件的离心铸造炉管均为掺炼炉管。

常量元素化学成分(单位wt％)：0.37≤ω(C)≤0.48，ω(P)≤0.020，ω(S)≤0.015。

痕量元素化学成分(单位ppm)：ω(As)≤30，ω(Sn)≤20，ω(Pb)≤20，ω(Bi)≤1。

室温拉伸性能：两件试样屈服强度和抗拉强度差值不超过较小值的2％，两件试样伸长率差值不超过较小值的5％。

高温持久性能：两件试样高温持久寿命≥120h，且两件试样高温持久寿命差值不超过较小值的30％。

当识别函数f(α,β,δ,θ)的计算结果不为零时，则用来识别的离心铸造炉管不是掺炼炉管，且计算结果越小时，此离心铸造炉管的质量就越好。

以下结合实施例对本发明做详细说明。

实施例一：

一种离心铸造炉管的常量及痕量元素的含量见表1。

表1离心铸造炉管的化学成分

一种离心铸造炉管的室温拉伸性能见表2。

表2离心铸造炉管的室温拉伸性能

一种离心铸造炉管的高温持久寿命见表3。

表3离心铸造炉管的高温持久寿命

由于

f(α)＝a(ω(C)+ω(P)+ω(S))

而ω(C)＝0.498，即ω(C)＞0.48，故a＝0，

则f(α)＝0

则f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ)＝0

即本实施例中的离心铸造炉管为掺炼炉管。

实施例二：

一种离心铸造炉管的常量及痕量元素的含量见表4。

表4离心铸造炉管的化学成分

一种离心铸造炉管的室温拉伸性能见表5。

表5离心铸造炉管的室温拉伸性能

一种离心铸造炉管的高温持久寿命见表6。

表6离心铸造炉管的高温持久寿命

由于

f(β)＝b(ω(As)+ω(Sn)+ω(Pb)+ω(Bi))

而ω(Sn)＝35.03，即ω(Sn)＞20，故b＝0，

则f(β)＝0

则f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ)＝0

即本实施例中的离心铸造炉管为掺炼炉管。

实施例三：

一种离心铸造炉管的常量及痕量元素的含量见表7。

表7离心铸造炉管的化学成分

此种离心铸造炉管的室温拉伸性能见表8。

表8离心铸造炉管的室温拉伸性能

此种离心铸造炉管的高温持久寿命见表9。

表9离心铸造炉管的高温持久寿命

由于

f(θ)＝f(θ1)×f(θ2)

而两件离心铸造炉管的高温持久寿命均＜120h时，故f(θ1)＝0；

则f(θ)＝0

则f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ)＝0

即本实施例中的离心铸造炉管为掺炼炉管。

实施例四：

一种离心铸造炉管的常量及痕量元素的含量见表10。

表10离心铸造炉管的化学成分

一种离心铸造炉管的室温拉伸性能见表11。

表11离心铸造炉管的室温拉伸性能

一种离心铸造炉管的高温持久寿命见表12。

表12离心铸造炉管的高温持久寿命

本实施例中，离心铸造炉管的化学成分、室温拉伸性能和高温持久寿命均满足未掺炼炉管需符合的条件，故为未掺炼炉管。

Claims (1)

1.一种离心铸造炉管的掺炼识别方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、分别对离心铸造炉管进行如下试验和分析

1)、对离心铸造炉管材料的化学成分进行分析，确定离心铸造炉管材料的常量元素和痕量元素的重量含量；

所述常量元素至少包括C、P、S；

所述痕量元素至少包括As、Sn、Pb、Bi；

根据获得的C、P、S元素的重量含量，确定常量元素影响因子f(α)如式(1)所示：

f(α)＝a(ω(C)+ω(P)+ω(S)) (1)

式(1)中ω(C)，ω(P)，ω(S)分别为C、P、S元素在离心铸造合金炉管材料中的重量百分含量；当0.37≤ω(C)≤0.48且ω(P)≤0.020且ω(S)≤0.015时，a取值为1，否则a取值为0；

根据获得的As、Sn、Pb、Bi元素的重量含量，确定痕量元素影响因子f(β)如式(2)所示：

f(β)＝b(ω(As)+ω(Sn)+ω(Pb)+ω(Bi)) (2)

式(2)中ω(As)，ω(Sn)，ω(Pb)，ω(Bi)分别为As、Sn、Pb、Bi元素在离心铸造合金炉管材料中的重量含量，单位为ppm；当ω(As)≤30且ω(Sn)≤20且ω(Pb)≤20且ω(Bi)≤1时，b取值为1，否则b取值为0；

2)、对同样材料的两件离心铸造炉管进行室温拉伸试验，确定两件离心铸造炉管的抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率；根据获得的两件离心铸造炉管的拉伸试验参数值确定拉伸性能影响因子f(δ)如式(3)所示：

f(δ)＝f(δ1)×f(δ2)×f(δ3) (3)

f(δ1)在当两件离心铸造炉管的屈服强度差值不超过较小屈服强度值的2％时，取值为1，否则取值为0；

f(δ2)在当两件离心铸造炉管的抗拉强度差值不超过较小抗拉强度值的2％时，取值为1，否则取值为0；

f(δ3)在当两件离心铸造炉管的伸长率差值不超过较小伸长率值的5％ 时，取值为1，否则取值为0；

3)、对两件离心铸造炉管进行高温持久试验，确定离心铸造炉管的高温持久寿命；所述高温持久寿命是指在1100℃、17MPa或1100℃、16MPa条件下的离心铸造炉管的断裂时间；根据获得的两件离心铸造炉管的高温持久试验参数值确定高温持久性能影响因子f(θ)如式(4)所示：

f(θ)＝f(θ1)×f(θ2) (4)

f(θ1)在当两件离心铸造炉管的高温持久寿命均≥120h时，取值为1，否则取值为0；

f(θ2)在当两件离心铸造炉管的高温持久寿命差值不超过较小高温持久寿命值的30％时，取值为1，否则取值为0；

步骤二、根据步骤一中试验和分析的结果，得到识别函数f(α,β,δ,θ)如式(5)所示：

f(α,β,δ,θ)＝f(α)×f(β)×f(δ)×f(θ) (5)。