CN105200338A - 一种抗结焦合金材料及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗结焦合金材料及应用。合金材料的元素成分包括：Cr、Ni、Fe、Mn、Si、C和微量元素；微量元素为Al、Nb、Ti、W、Mo、稀土和痕量元素中的一种或几种；其中，锰和硅的重量百分含量满足以下关系：<maths num="0001">

Description

一种抗结焦合金材料及应用

技术领域

本发明涉及合金材料领域，更进一步说，涉及一种抗结焦合金材料及应用。

背景技术

乙烯生产过程中，裂解炉管内壁不可避免的会产生表面结焦和金属基体渗碳，其会造成两种不良后果。一方面，结焦会导致炉管内径变小，压降增加，装置处理量减少和导致管壁热阻增加，炉管传热系数降低，能耗增加。为此，裂解炉通常必须每隔30-60天停工停产一次进行清焦处理。这种频繁的清焦处理严重降低了生产效率，增加了生产成本。另一方面，炉管表面所沉积的碳会扩散到金属基体形成碳化物，增加材料的脆性，并进而会引起金属粉末化。这些因渗碳引起的材料损伤会与清焦处理过程中的热循环相互作用，大大缩短裂解炉管的寿命。因此，炉管结焦问题是乙烯生产过程中迫切解决的难题。

依据结焦机理，目前国内外主要釆用的抑制结焦方法有添加结焦抑制剂、表面预处理技术、新型炉管、强化传热技术。无论是添加结焦抑制剂、表面预处理，还是强化传热的方法，其主要针对的是现常使用的HK-40、HP-40、HP-45、35Cr45Ni钢材质炉管，而改善炉管材料不仅可以抑制表面催化结焦，还可以有效的提高炉管传热效率，明显地的减少结焦。最具典型的是S&W公司以及Linde公司研制的陶瓷裂解炉管可以从结焦机理上可避免结焦问题。Incoloy公司开发的合金MA956(Fe-20Cr-45Al-0.5Ti-0.5Y203)不仅具有很高的耐蠕变强度，而且能够有效地抑制结焦和渗碳。在实验室规模上，这种新炉管材料与普通的25Cr35Ni合金相比，其结焦速度降低了50％，且几乎不发生渗碳；瑞典Sandvik公司开发了一种改良型辐射管APMT，由Fe-Cr-Al合金通过迅速凝固工艺制成，具有优越的抗渗碳性，可以减轻焦的形成，延长运行周期，增加乙烯收率；由JGC公司和SpecialMetals公司联合开发的铁基热抗氧化扩散的增强(ODS)合金，有高的抗蠕变强度和高的抗腐蚀性，可延长裂解炉运行周期和提高生产能力；美国OakRidgel国家实验室开发了一种裂解炉管新材料，这种新材料炉管表面覆盖有一层3.2mm厚的铝化合物，在炉管制造过程中，通过共挤出、共铸造把铝化合物掺入炉管中，与普通的Cr-Ni不锈钢炉管相比，在抑制结焦和防渗碳性能上提高了一个数量级。

US5630887、US6824883、US7488392、CN200810104741.9、CN200810104742.3、CN201210190196.6专利均介绍了一种在特定气氛中处理不锈钢表面提高其抗结焦渗碳性能的技术。以上专利的主要技术创新要点是在特别建造的处理炉内和在特定的氧化处理条件下，在不锈钢表面形成以Mn_xCr_3-xO₄尖晶石为主的氧化膜，并未对不锈钢合金材料中Mn、Si的含量和关系进行详细界定。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种抗结焦合金材料及应用。通过控制Fe-Cr-Ni耐高温不锈钢材料中Mn和Si的含量，可显著提高合金材料的抗结焦性能。

本发明的目的之一是提供一种抗结焦合金材料。

合金材料的元素成分包括：Cr、Ni、Fe、Mn、Si、C和微量元素；

微量元素为Al、Nb、Ti、W、Mo、稀土和痕量元素中的一种或几种；痕量元素指的是在高温合金中含有的P、S等元素。

其中，锰和硅的重量百分含量满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}1.7\&le;\sqrt{\left[\mathrm{Mn}\right]}\&times;\left[\mathrm{Si}\right]\&le;4.0\\ \left[\mathrm{Mn}\right]\&GreaterEqual;1.0\\ \left[\mathrm{Si}\right]\&GreaterEqual;1.0\end{array}\right..$

优选满足：

$\left\{\begin{array}{c}2.0\&le;\sqrt{\left[\mathrm{Mn}\right]}\&times;\left[\mathrm{Si}\right]\&le;3.8\\ \left[\mathrm{Mn}\right]\&GreaterEqual;1.0\\ \left[\mathrm{Si}\right]\&GreaterEqual;1.0\end{array}\right.$

锰和硅满足以上条件，合金材料中其他元素含量优选：

Cr12-50wt％，更优选30-40wt％；Ni20-50wt％，C0.2-0.6wt％，微量元素0.0001-5wt％，余量为铁。为了不影响合金材料的机械性能，焊接性能和铸造性能，合金材料中Mn、Si的含量不宜过高。

本发明的目的之二是提供一种抗结焦合金材料的应用。

所述合金材料主要应用于高温化学加工碳氢化合物的装置，如制造工业乙烯裂解炉的反应炉管。

本发明通过控制Fe-Cr-Ni耐高温不锈钢材料中Mn和Si的含量，可显著提高合金材料的抗结焦性能，延长装置的运行周期一倍以上。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1～3

将对比例试片和实施例1、2、3试片切割成5×5×2mm的挂片小样，用X射线能量分散谱仪(EDS)分析试片的元素成分，结果见表1所示。

实验前将称重好的金属挂片依次悬挂于炉管内后，通入He气保护后开始升温，从起始室温温度升到裂解反应温度860℃的时间为90min。温度升到裂解温度后，停止He气，同时将2％C₂H₆+98％N₂气体经20℃水浴饱和水蒸汽后通入反应炉管发生裂解反应，裂解结焦反应时间20h，结焦实验结束后，停止加热和进料，通He气保护，自然降温至室温。将金属材料挂片从炉管中取出，称重计算结焦量，考察其抑制结焦的性能。结焦量实验数据见表2。

表1试片EDS元素成分分析

表2试片20h结焦量数据

从表2的数据可以看出，实施例1～3的结焦量明显少于对比例，可见本发明的抗结焦合金材料具有优异的抗结焦性能，尤其适合作为裂解炉管使用。

Claims (5)

1.一种抗结焦合金材料，其特征在于：

合金材料的元素成分包括：Cr、Ni、Fe、Mn、Si、C和微量元素；

微量元素为Al、Nb、Ti、W、Mo、稀土和痕量元素中的一种或几种；

其中，锰和硅的重量百分含量满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}1.7\&le;\sqrt{\left[\mathrm{Mn}\right]}\&times;\left[\mathrm{Si}\right]\&le;4.0\\ \left[\mathrm{Mn}\right]\&GreaterEqual;1.0\\ \left[\mathrm{Si}\right]\&GreaterEqual;1.0\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的抗结焦合金材料，其特征在于：

所述抗结焦合金材料中锰和硅的重量百分含量满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}2.0\&le;\sqrt{\left[\mathrm{Mn}\right]}\&times;\left[\mathrm{Si}\right]\&le;3.8\\ \left[\mathrm{Mn}\right]\&GreaterEqual;1.0\\ \left[\mathrm{Si}\right]\&GreaterEqual;1.0\end{array}\right..$

3.如权利要求1所述的抗结焦合金材料，其特征在于：

所述抗结焦合金材料中，Cr的含量为：12-50wt％；Ni的含量为：20-50wt％；C的含量为：0.2-0.6wt％，微量元素0.0001-5wt％。

4.如权利要求3所述的抗结焦合金材料，其特征在于：

所述抗结焦合金材料中，Cr的含量为：30-40wt％。

5.如权利要求1～4之一所述的抗结焦合金材料在高温化学加工碳氢化合物装置中的应用。