DE3121782A1 - Austenitische chrom-nickel-stahllegierung - Google Patents

Austenitische chrom-nickel-stahllegierung

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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine hochtemperaturkorrosions-
  • beständige austenitische Chrom-Nickel-Stahllegierung sowie deren Verwendung.
  • Wärmetauschende Komponenten sind beispielsweise bei der Kohlevergasung mit Wasserdampf bei Temperaturen zwischen 900 und 10000C Prozeßgasen und mineralischen Aschen ausgesetzt. FUr den Bau solcher Komponenten werden austenitische Werkstoffe mit ausreichend hoher Zeitstandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit benötigt. Hierbei muß insbesondere eine hohe Beständigkeit gegen die -zerstörungsfrei nicht meßbare- innere Oxi-.
  • dation vorausgesetzt werden. Außerdem muß auch unter mechanischer Beanspruchung (Kriechvorgänge) das Ausheilen protektiver oxidischer Schutzschichten gewährleistet sein.
  • Bei der Kohlevergasung mit Wasserdampf (abgekürzt WKV) -einer allothermen Vergasung- wird ein Wärmetauscher bendtigt, um die zur Vergasung notwendige, außerhalb des Reaktionsraumes erzeugte Wärme in den Prozeß einzubringen. Der Wärmetauscher ist dabei bei Temperaturen bis zu 10000C einem Prozeßgas der ungefähren Zusammensetzung Wasserdampf 50 % Wasserstoff 27 96 Kohlenmonoxid 14 % Kohlendioxid 8 96 Methan 1 % Sohwefelwasserstoff <0,1% ausgesetzt.
  • Handelsübliche, hitzebeständige Stähle des Typs 1.4841 (X 15 CrNi 25 20) oder 1.4876 (XIONiCoAlTi 3220) die in oxidierenden Verbrennungsatmosphären bis zu Temperaturen von 1200°C angewendet werden können, wurden in der ebenfalls oxidierenden Prozeßgasatmosphäre getestet. Mechanisch nicht beanspruchte Proben dieser Werkstoffe zeigten in 10.000-h-Versuchen bei 950 0C mit Massenverlusten bis zu 260 g m -2 eine noch ausreichende Beständigkeit gegen abtragende Korrosion, wobei der zeitliche Verlauf der Verzunderung annähernd durch ein parabolisches Zeitgesetz der Form a m = k d m = Massenverlust in g m 2 k = Zunderkonstante in g m 2h-n beschrieben werden kann (Figur la). Unter Gasraumbedingungen traten Jedoch bei 9800C deutliche Abweichungen vom parabolischen Verlauf auf. Beträgt n = 0,5, liegt ein parabolisches Zeitgesetz vor, und Diffusionsvorgänge in der Matrix sind geschwindigkeitsbestimmende Schritte. Nach ca. 5.000 h kam es bei beiden Legierungen zu offenbar nicht ausheilenden Durchbrüchen index in situ gewachsenen Schutzschicht und somit zu katastrophaler Korrosion (Figur lb).
  • Andererseits sind beide Legierungen aufgrund der ungünstigen Silizium- bzw. Aluminium- und Titankonzentrationen nicht gegen innere Oxidation beständig.
  • Es wurden bereits nach 5.000 h Eindringtiefen dieser selektiven Korrosion bis zu 0,2 mm gemessen. Die Zeitstandfestigkeit des Incoloy 800 H kann dagegen als ausreichend angesehen werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochtemperaturkorrosionßbeständige Chrom-Nickel-Stahllegierung zu schaffen, die für Bauteile, die einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt sind, besonders geeignet ist.
  • Die erfindungsgemäße Legierung ist durch die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung gekennzeichnet.
  • Diese Legierung zeichnet sich gegenüber handelsUblichen Eisen-Nickel-Chrom-Werkstoffen durch einen wesentlich erhöhten Chromgehalt aus.Aufgrund ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit ist sie für alle Bauteile, die durch Hochtemperaturkorrosion beansprucht werden, verwendbar. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen denen des Werk stoffes 1.4876, so daß der Werkstoff auch für druckführende Bauteile geeignet ist. Somit ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum für Anlagen in der chemischen und erdölverarbeitenden Industrie (Wärmetauscher, Rekuperatoren, Crackanlagen usw.).
  • Die Erfindung soll nachfolgend erläutert werden, und zwar unter Bezug auf die Zeichnungen.
  • Dabei zeigt: Fig. la den Massenverlust bei Zunderversuchen bis 10000 h in Wasserdampfatmpsphäre bei einem herkömmlichen Stahl Fig. lb den Massenverlust bei Zunderversuchen unter betriebsähnlichen Bedingungen (WKV) Fig. 2 den Einfluß des Chromgehaltes und aer Temperatur auf die parabolische Zunderkonstante von Eisen-Chrom-Legierungen Fig. 3 den Cr-Gehalt der Grenzschicht Zunder-Stahl, Fig. 4 die Massenänderung der Legierung bei Temperaturwe chselbeanspruchung.
  • Die Figur 2 zeigt eine deutliche Abnahme der Korrosionsgeschwindigkeit bei Chromgehalten ab 20%. Da die Oxidation an der Phasengrenze stattfindet, sollte also auch hier eine Chromkonzentration von 20% vorliegen. Es wurde aber gefunden, daß bei einer Ausgangskonzentration von 20%, bedingt durch die Chromverarmung an der Phasengrenze, eine Konzentration von nur 14% eingestellt ist (sh.
  • Figur 3). Diese Konzentration ist nicht ausreichend, um z*B. bei Kriechvorgängen durch mechanische Beanspruchungen, durch die protektive Chromoxid-'bz#. Spinnelldeckschichten zerstört werden können, eine Ausheilung zu gewährleisten.
  • Um eine Chromkonzentration von 20% an der Phasengrenze sicherzustellen, muß deshalb, wie Figur 3 veranschaulicht, eine Ausgangskonzentration von mindestens 26% eingestellt werden. Chromgehalte > 30% sind nicht zweckmäßig, weil dann statt der Spinelldeckschichten reine Chromoxidschichten entstehen, die bessere Transporteigenschaften als die Spinelle aufweisen und deshalb zu einem Anstieg der Korrosionsgeschwindigkeit führen.
  • Im Gegensatz zu der häufig in der Literatur vertretenen Ansicht, daß durch hohe Silizium- (ca. 296), Mangan-(1,55') oder auch Aluminiumkonzentrationen eine verbesserte Zunderbeständigkeit erreicht werden kann, wurde bei den für die WKV entwickelten Legierungen ein negativer Einfluß dieser sogenannten minor-Elemente beobachtet.
  • Aluminium verursacht starke innere Oxidation. Es wurde gefunden, daß Silizium- sowie Silizium + Manganzusätze zwar zu einer zusätzlichen oxidischen Deckschicht führen, die aber offenbar keine protektive Wirkung hat, sondern nur den Gesamtoxidanteil und damit den Massenverlust erhöht. Silizium neigt ebenso wie Aluminium zu einer starken inneren Oxidation, durch die eine zusätzliche Schädigung des Werkstoffes hervorgerufen wird. Hohe Mangankonzentrationen können in der Prozeßgasatmosphäre zu einer inneren Sulfidierung führen.
  • Durch die geringe Siliziumkonzentration wird außerdem die Anfälligkeit gegen -Phasenversprödung im Temperaturbereich unterhalb 8500C vermieden sowie eine bessere Verarbeitbarkeit, z.B. Rohrherstellung und Schweißbarkeit, erreicht.
  • Die Niobkonzentration muß <1 96 sein, da höhere Konzentrationen, insbesondere im Temperaturbereich oberhalb 9500C, zu katastrophaler Oxidation führen.
  • Durch geringe Zusätze von Cer (0,06 bis 0,12 5') wird die Zunderbeständigkeit wesentlich verbessert. Trotz seiner hohen Sauerstoffaffinität führen Cerzusätze im genannten Konzentrationsbereich nicht zu innerer Oxidation. Massenverlust-Zeit-Funktionen sind in den Figuren la und lb dargestellt.
  • Während beim Werkstoff 1.4876 bereits nach 5.000 h, insbesondere bei einer Temperatur von 9800C, Abweichungen von einem parabolischen Verlauf und ein Übergang zu einer beschleunigten Korrosion deutlich werden, verläuft die Korrosion der neuen Legierung streng nach einem parabolischen bzw. unter Wirbelbettbedingungen sogar nach einem überparabolischen Zeitgesetz mit wesentlich geringeren Massenverlusten. Korrosionsuntersuchungen in einer Wasserdampf-Atmosphäre (Figur la) zeigen, daß selbst bei 10500C Massenverluste von 150 g m 2 in 10.000 h nicht überschritten werden. Mit Hilfe der Relation 100 g m e 0,013 mm Wanddickenverlust entspricht dies einem Wanddickenverlust von ca. 0,02 mm in 10.000 h bei 1050°C.
  • Durch Cerzusätze wird die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen, die z.B. durch An- und Abfahrvorgänge hervorgerufen werden können, verbessert.
  • Bei Temperaturwechselbeanspruchungen kommt es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Stahls und der Oxidschicht zu Spannungen, die ein Abplatzen der korrosionshemmenden Schicht zur Folge haben können. Die Spannungen sind annähernd proportional der Beziehung (aoxid ~ Stahl AT. Das Verhalten bei zyklischer thermischer Beanspruchung des mit Cer legierten Werkstoffes ist in Fig. 4 dargestellt. Als Vergleichswerkstoff dient eine von der Grundzusammensetzung gleiche Legierung, jedoch mit Silizium statt Cer legiert.
  • Beide Werkstoffe wurden jeweils bei 1100 OC 100 h an Luft geglüht, auf Raumtemperatur abgekühlt und erneut geglüht. Insgesamt wurden 10 Glühperioden durchlaufen, also eine Gesamtglühzeit von 1000 h erreicht.
  • Das Abplatzen des Zunders deutet sich in der graphischen Darstellung (Fig. 4) durch die negative Massenänderung nach jeweils 100 -h Glühzeit an. Es zeigt sich aber, daß bei dem mit Cer legierten Werkstoff bereits nach der 2. Glühperiode das Abplatzen deutlich reduziert wird, während bei dem siliziumhaltigen Stahl die abgeplatzten Mengen größer werden bzw. konstant bleiben.
  • L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Austenitische Chrom-Nickel-Stahlegierung Patentansprüche: 1. Hochtemperatur-korrosionsbeständige austenitische Chrom-Nickel-Stahllegierung gekennzeichnet durch einen Gehalt an C < 0,02 % Si < 0,6 % Mn < 0,4 % P < 0,02 % S < 0,02 % Cr 25 bis 28 Ni 30 bis 32 % Al < 0,002 % Ce 0,06 bis 0,12 % Nb <1 % Rest Eisen sowie.herstellungsbedingte Verunreinigungen.
    2, Verwendung der Chrom-Nickel-Stahllegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff für Wärmetauscherkomponenten, die einer oxidierenden Atmosphäre z.B.
    bei der Kohlevergasung mit Wasserdampf ausgesetzt sind.
DE19813121782 1981-05-27 1981-05-27 Verwendung einer austenitischen Chrom-Nickel-Stahllegierung für Wärmetauscherkomponenten Expired DE3121782C2 (de)

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DE3121782C2 DE3121782C2 (de) 1986-05-07

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0180927A1 (de) * 1984-11-01 1986-05-14 Inco Alloys International, Inc. Oxydationsbeständige Eisen-Nickel-Chromlegierung
EP0246092A2 (de) * 1986-05-15 1987-11-19 Exxon Research And Engineering Company Durch Spannungskorrosion gegen Rissbildung beständige Legierungen

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DE2524651A1 (de) * 1974-08-08 1976-02-19 Crucible Inc Austenitischer, nichtrostender stahl mit guter oxydationsbestaendigkeit und warmverarbeitbarkeit

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DE3121782C2 (de) 1986-05-07

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