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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Heizofenrohrs und spezieller auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Heizofenrohrs, dessen Probleme Verkokung und Karburierung beim
Betrieb unter hoher Temperatur sind, wie etwa das Crackrohr einer
Ethylen-Fabrik.
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STAND DER
TECHNIK
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In
einem Crackrohr einer Ethylen-Fabrik, das als Heizofenrohr verwendet
wird, ist beispielsweise das Verkoken ein Problem, wobei sich Kohlenstoff
niederschlägt
und auf der Innenfläche
des Rohrs in der Atmosphäre
von Kohlenstoff enthaltendem Gas, wie etwa Kohlenwasserstoff, ablagert,
wenn die Temperatur in dem Temperaturbereich liegt, in welchem Kohlenstoffausfällung auftritt.
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Falls
auf der Innenfläche
des Heizofenrohrs Verkokung entsteht, können während des Betriebes der Anlage
solch schwerwiegende Probleme wie Überhitzung und Verstopfung
auftreten. Daher muss in kurzen Abständen ein Entkoken durchgeführt werden,
um den abgelagerten Kohlenstoff bei hoher Temperatur durch Verbrennen
in Dampf-Atmosphäre
zu beseitigen, und um das Entkoken durchzuführen, muss die Anlage vorübergehend
stillgelegt werden, was einen beträchtlichen Leistungsabfall verursacht.
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Technologien,
die entwickelt wurden, um dieses Problem zu lösen, schließen die Konstruktion eines Heizofenrohrs
aus Material mit einem Aluminium enthaltenden Oxidfilm auf der Oberfläche ein,
der durch eine eisenhaltige Legierung, der 1–10% Al beigemischt werden,
hergestellt wird, oder aus Material mit einer Schicht, die einen
hohen Al-Anteil enthält,
indem die Oberfläche
der Basislegierung aluminisiert wird.
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In
diesem herkömmlichen
Stand der Technik ist die Verkokungswiderstandsfähigkeit bis heute zwar tatsächlich erhöht worden,
jedoch reicht sie noch nicht aus, das Rohr als Heizofenrohr in einem
heutigen Industrieofen zu verwenden.
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EP-A-0
418 606, die als Beispiel für
den maßgeblichsten
Stand der Technik gilt, offenbart ein Verfahren zur Herstellung
einer Einheit aus zwei Rohren aus nicht korrodierendem Material,
die mittels Diffusionsbindung über
ein Einlagematerial verbunden werden, wobei das Einlagematerial
vor der Diffusionsbindung an der Verbindungsfläche zwischen die beiden zu
verbindenden Rohre eingefügt
wird. Während
der durch Erwärmen
des Einlage-Elementes erreichten Diffusionsbindung wird zumindest
auf die Seitenstoßkanten
der zu verbindenden Teile der beiden Rohre Druck angelegt.
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Unter
Betrachtung des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Heizofenrohrs bereitzustellen,
das eine gute Verkokungswiderstandsfähigkeit aufweist und einen
Leistungsausfall wegen Entkoken verhindern kann.
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Im
Falle eines Heizofenrohrs, das Karburierung verursacht, wie etwa
im Falle eines Crackrohrs einer Ethylen-Fabrik, wird die Karburierungstiefe
auf der Innenfläche
des Heizofenrohrs regelmäßig gemessen,
um einer Schädigung
des Heizofenrohrs durch Karburierung vorzubeugen, und da der Betrieb
der Anlage bei jeder Maßnahme
angehalten werden muss, fällt
die Produktivität
beträchtlich.
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Eine
durch Oxiddispersion verstärkte
(ODS) Eisenlegierung, die eine ferritische Legierung mit hohem Chromanteil
ist, (20Cr-5Al-Fe) in der Seltenerdoxid dispergiert wird, ist dafür bekannt,
dass sie eine außergewöhnlich überragende
Hochtemperaturfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Karburierung
aufweist, verglichen mit herkömmlichen
Materialien, und wird daher für
ein Heizofenrohr verwendet, einschließlich eines Verbindungsverfahrens,
das Schmelzschweißen,
Reibschweißen,
Hartlöten
oder eine mechanische Verbindungsmethode anwendet.
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Bei
der Methode des Schmelzschweißens
mittels WIG-Schweißen
und Elektronenstrahl-Schweißen, die
das Flüssigwerden
der Stoßstellen
einbezieht, treiben jedoch Oxidteilchen nach oben und die Dispersionsverfestigungsfunktion,
die ein Hauptmerkmal der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung ist, geht verloren,
wodurch eine hohe Temperatur auf die Hälfte oder darunter abfällt.
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Bei
der Reibschweißmethode,
die das Schmelzen von Material nicht einbezieht, fällt die
Hochtemperaturfestigkeit nicht stark ab, jedoch bildet der hohe
Verbindungsdruck eine dicke Schweißnaht an der Stoßstelle
des Heizofenrohrs, was das Fließen
von Flüssigkeiten
im Heizofenrohr hemmen wird.
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Beim
Hartlöten
kann keine hohe Hitzebeständigkeit
erwartet werden, da der Schmelzpunkt des Hartlöt-Zusatzmetalls weit niedriger
ist als der des Grundwerkstoffs, und beim mechanischen Verbindungsverfahren,
wie etwa Vernieten und Verschrauben, ist die Aufrechterhaltung der
Luftdichtigkeit bei hoher Temperatur äußerst schwierig, weswegen beide
Methoden zum Verbinden der Heizofenrohre ungeeignet sind.
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Auf
diese Weise haben herkömmliche
Methoden zum Herstellen einer Verbindung Schwierigkeiten, die Anforderungen
an die Stoßstellen
von Heizofenrohren zu erfüllen,
einschließlich
der Karburierung, der Luftdichtigkeit und hohen Zuverlässigkeit,
zusätzlich
zu außerordentlicher
Hochtemperaturtestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Karburierung.
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OFFENLEGUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Heizofenrohrs entsprechend der vorliegenden
Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
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Bei
dieser Konfiguration wird zumindest ein Heizofenrohr-Element so
hergestellt, dass es ein aus einer Seltenerd-ODS-Eisenlegierung
hergestelltes Heizofenrohr mit guter Widerstandsfähigkeit
gegen Karburierung ist, weshalb das Intervall zum Ersetzen des Heizofens
länger
hinausgeschoben werden kann als bei einem herkömmlichen Heizofenrohr, wenn
es in einer Ethylen-Fabrik verwendet wird, und infolgedessen kann
ein Leistungsausfall verhindert werden.
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Ein
weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist, dass das Einlagemetall
durch Plattieren geformt wird.
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Bei
dieser Konfiguration kann das Einlagemetall einfach und sicher zwischen
Seitenstoßkanten
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite und des Heizofenrohr-Elementes auf der
anderen Seite und dem Kupplungsansatzrohr eingelegt werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Tabelle über
das Ergebnis nach der Prüfung
der Verkokungswiderstandsfähigkeit,
Widerstandsfähigkeit
gegen Oxidation bei hoher Temperatur und mechanischer Charakteristika
verschiedener Legierungszusammensetzungen, einschließlich Seltenerd-ODS-Eisenlegierung,
des Heizofenrohrs;
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2 ist
eine Graphik, die den Vergleich der Verkokungswiderstandsfähigkeit
zwischen der Fe/20Cr/5Al/Y2O3-Legierung,
die eines der Materialien des Heizofenrohrs ist, der austenitischen
hitzebeständigen
Legierung, die ein herkömmliches
Material ist, und der Fe/20Cr/5Al-Legierung darstellt;
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3 ist
eine Tabelle über
das Ergebnis nach der Prüfung
des Einflusses von S auf die Verkokungswiderstandsfähigkeit
der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung des Heizofenrohrs und der austenitischen
hitzebeständigen
Legierung eines herkömmlichen
Heizofenrohrs;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des Hauptteils des Heizofenrohrs;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, die Einzelteile und den Spanner des
Heizofenrohrs darstellt;
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6 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Hauptteils, die die Herstellungsweise
des Heizofenrohrs entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht des Hauptteils des Heizofenrohrs;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht, die Einzelteile und den Spanner des
Heizofen rohrs darstellt;
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9 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die die Herstellungsweise des Heizofenrohrs
entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
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10 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Hauptteils, die ein weiteres
Ausführungsbeispiel
des Heizofenrohrs darstellt;
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11 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Hauptteils, die ein weiteres
Ausführungsbeispiel
des Heizofenrohrs darstellt; und
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12 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Hauptteils, die ein weiteres
Ausführungsbeispiel
des Heizofenrohrs darstellt.
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Die
Ausführungsbeispiele,
die in den 1–4, 7 und 11–12 offenbart
werden, sowie die entsprechenden Teile der Beschreibung stellen
keinen Teil der Erfindung dar, repräsentieren aber den Stand der
Technik und sind nützlich
zum Verständnis
der Erfindung.
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DIE BESTE
ART ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf die Abbildungen wird nun die beste Art zur Ausführung der
Erfindung hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung des Heizofenrohrs
beschrieben.
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In
den Abbildungen werden dieselben Ziffern und Zeichen für dieselben
Einzelteile verwendet, um überflüssige Erläuterungen
wegzulassen.
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Ein
Heizofenrohr ist ein Heizofenrohr, das verwendet wird, um Flüssigkeiten
durchzuleiten, die Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonoxid enthalten,
wie etwa ein Crackrohr einer Ethylen-Fabrik, und unter Verwendung einer ferritischen
Eisenlegierung mit hohem Chromanteil und mit Al-Zusatz als Basis,
speziell einer Yttrium-ODS-Eisenlegierung, die 19–26 Gew.-%
Cr und 3–6
Gew.-% Al enthält,
aus Seltenerd-ODS-Eisenlegierung hergestellt wird.
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1 zeigt
das Ergebnis nach Prüfung
der Verkokungswiderstandsfähigkeit,
der Oxidationswiderstandsfähigkeit
bei höherer
Temperatur sowie der mechanischen Eigenschaft (Hochtemperaturfestigkeit,
Verformbarkeit) verschiedener Zusammensetzungen von Legierungen,
einschließlich
einer Yttrium-ODS-Eisenlegierung, die für das Heizofenrohr der vorliegenden
Erfindung (Anspruch 1) verwendet wird.
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Die
Verkokungswiderstandsfähigkeit
wurde hier auf der Basis eines bekannten Kohlenstoffablagerungstests
beurteilt.
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Mit
anderen Worten, es wird ein Probestück (4 × 10 × 45 mm) für jede Legierung hergestellt,
dessen Oberfläche
mit Schleifpaper (Körnung
600) bearbeitet und unter Dampf bei 950°C oxidiert wurde, jedes Probestück wird
in einen Festkörper-Karburierer
versenkt und bei 1.100°C
karburiert, in einer Atmosphäre
von 1.100°C
oxidiert, und anschließend
werden Verkoken und Entkoken zehnmal wiederholt, danach werden Gewichtsveränderungen
an jedem Probestück
vor und nach dem Verkoken geprüft,
und die Verkokungswiderstandsfähigkeit
wird abhängig
vom Umfang der Gewichtsveränderung
beurteilt.
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Der
Verkokungstest ist unter folgenden Bedingungen durchgeführt worden:
Quellengas: Benzol (0,5 g/h), Trägergas:
Argon (16 Nml/min), Menge an hinzugefügtem S: 1 ppm oder weniger,
Temperatur: 800°C
und Zeit: 8 Stunden.
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Widerstandsfähigkeit
gegen Oxidation bei hoher Temperatur, Hochtemperaturfestigkeit und
Verformbarkeit sind Kriterien zur Beurteilung, ob jedes Legierungsmaterial
in der Praxis für
ein Heizofenrohr verwendet werden kann, unter Berücksichtigung
des Umstandes, unter welchem das Heizofenrohr eingesetzt wird, d.
h., die Außenfläche wird
mittels eines Brenners erwärmt,
eine Flüssigkeit
von hoher Temperatur wird durchgeleitet, und eine mechanische Festigkeit
wird benötigt,
die zur Verwendung als Teil in einer Anlage ausreicht.
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In 1 bezeichnet ⌾ in der
Praxis ausreichend, O heißt:
möglich, Δ: in der
Praxis nicht ausreichend, und ✶ heißt unmöglich, und
in der Tabelle der 1 sind die Probestücke Nr.
8–Nr.
15, nämlich
Yttrium-ODS-Eisenlegierung mit 19–26 Gew.-% Cr und 3–6 Gew.-%
Al geeignet als Heizofenrohr hinsichtlich der Verkokungswiderstandsfähigkeit
und anderer Eigenschaften.
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Andererseits
zeigt 2 das Ergebnis des Vergleichs der austenitischen
hitzebeständigen
Legierung (Stahl mit hohem Nickel- und Chromanteil), der Fe/20Cr/5Al-Legierung,
und der Fe/20Cr/5Al/Y2O3-Legierung, die
eines der Materialien des Heizofenrohrs der vorliegenden Erfindung
ist, für
die Verkokungswiderstandsfähigkeit
und insbesondere die Gewichtsveränderung
vor und nach dem Verkoken.
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Während sowohl
der Stahl mit hohem Nickel- und Chromanteil als auch die Fe/20Cr/5Al-Legierung mittels
eines Schmelzvorganges hergestellt werden, ist die Fe/20Cr/5Al/Y2O3-Legierung des Heizofenrohrs eine
dispersionsverstärkte
Legierung, die mittels Pulvermetallurgie hergestellt wird.
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Es
wird ein Probestück
(4 × 10 × 45 mm)
für jede
Legierung hergestellt, dessen Oberfläche mit Schleifpaper (Körnung 600)
bearbeitet und unter Dampf bei 950°C oxidiert wurde, jedes Probestück wird
in einen Festkörper-Karburierer
versenkt, bei 1.100°C
karburiert, in einer Atmosphäre
bei 1.100°C
oxidiert, und anschließend
werden Verkoken und Entkoken zehnmal wiederholt, danach werden Gewichtsveränderungen
an jedem Probestück
vor und nach dem Verkoken geprüft.
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Der
Verkokungstest ist unter folgenden Bedingungen durchgeführt worden.
Quellengas: Benzol (0,5 g/h), Trägergas:
Argon (16 Nml/min), Menge an hinzugefügtem S: 1 ppm oder weniger,
Temperatur: 800°C
und Zeit: 8 Stunden.
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Wie
in 2 dargestellt, ist die Gewichtsveränderung
vor und nach dem Verkoken der Fe/20Cr/5Al/Y2O3-Legierung des Heizofenrohrs immer noch
geringer als bei der Fe/20Cr/5Al-Legierung
mit exzellenter Verkokungswiderstandsfähigkeit, wodurch offensichtlich
wird, dass die Zugabe des Yttriumoxids zur Fe/C/Al-Legierung zu
einer Hauptverbesserung der Verkokungswiderstandsfähigkeit
beiträgt.
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Ein
Vergleichsergebnis zwischen den Probestücken Nr. 5 und Nr. 8 in 1 zeigt
auch, dass die Zugabe von Yttriumoxid zur Fe/Cr/Al-Legierung zu
einer Hauptverbesserung der Verkokungswiderstandsfähigkeit
beiträgt.
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Die
Tabelle in 1 zeigt klar, dass eine ferritische
Eisenlegierung mit hohem Chromanteil, die 19–26 Gew.-% Cr und 3–6 Gew.-%
Al enthält,
eine verhältnismäßig gute
Verkokungswiderstandsfähigkeit
aufweist, und insbesondere die Yttrium-ODS-Eisenlegierung der Probestücke Nr.
8–Nr.
15 außerordentlich
geringe Gewichtsveränderungen
vor und nach dem Verkoken verursacht, ungefähr 1 mg/cm2,
was eine gute Verkokungswiderstandsfähigkeit aussagt, wie bei der
Fe/20Cr/5Al/Y2O3-Legierung
in 2 ersichtlich, verglichen mit dem Stahl mit hohem
Nickel- und Chromanteil und der Fe/20Cr/5Al-Legierung.
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Material,
das 28 Gew.-% Cr oder mehr und 8 Gew.-% Al oder mehr enthält, weist
eine geringe Verformbarkeit auf, insbesondere bei Bruchdehnung,
und Material, das 14 Gew.-% Cr oder weniger enthält, weist eine geringe Widerstandsfähigkeit
gegen Oxidation auf, wenn es einer Umgebung mit hoher Temperatur
ausgesetzt ist, daher weisen diese beiden Materialien Probleme in
der praktischen Verwendung als Material für Heizofenrohre auf, und Material,
dem kein Yttriumoxid beigemischt wurde, weist eine niedrige Hochtemperaturfestigkeit
auf, weswegen es schwierig ist, dieses Material für heutige
Heizofenrohre zu verwenden.
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Yttrium-ODS-Eisenlegierungen
der Probestücke
Nr. 8–Nr.
15, denen Yttriumoxid beigemischt wurde, weisen andererseits bessere
Verkokungswiderstandsfähigkeit
und Hochtemperaturfestigkeit auf, und folglich wurde offenbar, dass
eine Seltenerd-ODS-Eisenlegierung,
die 19–26
Gew.-% Cr und 3–6
Gew.-% Al enthält, als
Material für
Heizofenrohre geeignet ist.
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Das
Heizofenrohr wird aus einer Seltenerd-ODS-Eisenlegierung hergestellt,
die 19–26
Gew.-% Cr und 3–6
Gew.-% Al enthält.
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Und
da eine Seltenerd-ODS-Eisenlegierung, die 19–26 Gew.-% Cr und 3–6 Gew.-%
Al enthält,
eine außerordentlich
gute Verkokungswiderstandsfähigkeit
aufweist, wie oben erwähnt,
kann das Heizofenrohr das Verkoken, das durch den Betrieb der Anlage
verursacht wird, minimieren, und das Entkokungsintervall kann viel
länger
hinausgezögert
werden als bei herkömmlichen
Typen.
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Das
auf diese Weise hinausgezögerte
Entkokungsintervall verbessert die Produktivität der Anlage beträchtlich,
und der wirtschaftliche Effekt wird enorm, einschließlich einer
Kostenverminderung für
das Entkoken, einer Verminderung der thermischen Ermüdung infolge
Betriebsstopps und -neustarts der Anlage beim Entkoken sowie einer
Verlängerung
der Lebensdauer.
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Im
Falle von Crackrohren einer Ethylen-Fabrik, wo die Temperatur der
Röhrenwand
1.000°C übersteigt
und an manchen Stellen sogar 1.100°C erreicht, ist eine genaue
Kontrolle für
den Betrieb der Anlage mit heutiger austenitischer, hitzebeständiger Legierung
notwendig, da der Schmelzpunkt lediglich ungefähr 150–200°C höher als 1.100°C liegt,
wenn jedoch die Seltenerd-ODS-Eisenlegierung, die einen Schmelzpunkt von
1.480°C
hat, für
Heizofenrohre verwendet wird, verbessert sich die Sicherheit weiter,
und der Betrieb der Anlage wird sogar einfacher.
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Da
das Heizofenrohr einer Ethylen-Fabrik extrem lang ist, ist es von
einem wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus gesehen ratsam, das Heizofenrohr
nur für
Stellen zu verwenden, an denen Verkokungsprobleme auftreten, während an
anderen Stellen das Heizofenrohr aus herkömmlichen Materialien verwendet
wird und diese Rohre verbunden werden, um ein komplettes Heizofenrohr
zu konstruieren.
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Es
ist allgemein bekannt, dass die Zugabe eines S(Schwefel)-Gemischs
zu Fluid, das durch das Heizofenrohr strömt, zur Steuerung des Verkokens
wirkungsvoll ist.
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3 zeigt
das Ergebnis der Prüfung
des Einflusses von S auf die Verkokungswiderstandsfähigkeit einer
Seltenerd-ODS-Eisenlegierung des Heizofenrohrs, d. h. einer Seltenerd-ODS-Eisenlegierung,
die 19–26 Gew.-%
Cr und 3–6
Gew.-% Al enthält,
und einer austenitischen hitzebeständigen Legierung (25Cr/35Ni-Stahl) eines
herkömmlichen
Heizofenrohrs.
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Ein
Verkokungstest wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Quellengas:
10% Methan + Wasserstoff, Additiv: DMS (Dimethylsulfid), 0 ppm,
200 ppm (S = 100 ppm Atomgewichtseinheiten), Temperatur: 900°C, 1.000°C, 1.100°C und Zeit:
5 Stunden.
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3 zeigt
einen Vergleich der Verkokungswiderstandsfähigkeit, abhängig von
Material, der Menge des beigefügten
S-Gemischs und der Temperatur, unter Zugabe eines S-Gemischs und
mit dem Ausmaß der durch
Verkoken der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung verursachten Gewichtsveränderung,
wenn ein S-Gemisch beigefügt
wird.
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Unter
Temperaturbedingungen von 900°C
und 1.000°C
nimmt die durch das Verkoken verursachte Gewichtsveränderung
unter Zugabe eines S-Gemischs sowohl bezüglich der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung als
auch der austenitischen hitzebeständigen Legierung ab, die das
Vergleichsmaterial (herkömmliches
Material) darstellt, wie die Tabelle in 3 zeigt.
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Unter
Temperaturbedingungen von 1.100°C
wird andererseits die durch Verkoken verursachte Gewichtsveränderung
durch die Zugabe eines S-Gemischs im Falle der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung
vermindert; jedoch neigt die durch Verkoken verursachte Gewichtsveränderung
im Falle der austenitischen hitzebeständigen Legierung, die das Vergleichsmaterial
(herkömmliches
Material) ist, durch Zugabe eines S-Gemischs zur Erhöhung.
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Somit
ist offensichtlich, dass die Zugabe von 100 ppm S in Atomgewichtseinheiten
die Verkokungswiderstandsfähigkeit
sowohl der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung als auch der austenitischen
hitzebeständigen Legierung
unter einer Temperaturbedingung von 1.000°C oder niedriger verbessert.
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Somit
wird eine gute Verkokungswiderstandsfähigkeit in einem Heizofenrohr
erzielt, das durch Verbinden des Heizofenrohrs aus einer Seltenerd-ODS-Eisenlegierung
und des Heizofenrohrs aus austenitischer hitzebeständiger Legierung
hergestellt wird, wenn 100 ppm oder weniger S-Atomgewichtseinheiten
dem durch das Rohr fließenden
Fluid beigemischt werden und das Rohr unter einer Temperaturbedingung
von 1.000°C oder
niedriger sowie 550°C
oder höher
verwendet wird, bei der die Seltenerd-ODS-Eisenlegierung (bei 475°C) keine
Sprödbrüche verursacht,
und folglich kann das Heizofenrohr als gut geeignet in einer Kohlenwasserstoff-Umgebung
verwendet werden, in der Verkoken leicht auftritt.
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Die
Zugabe des Additivs S in einer Menge, die 100 ppm (in Atomgewichtseinheiten) überschreitet,
ist für
industrielle Zwecke nicht geeignet, da Schwierigkeiten hinsichtlich
Korrosion und der Entfernung von S im nachgeschalteten Verfahren
auftreten.
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Um
S-(Schwefel-)Fluid, das durch das Heizofenrohr strömt, hinzuzufügen, können DMS
(Dimethylsulfid) und DMDS (Dimethyldisulfid) als gut geeignet verwendet
werden, und eine ausreichende Wirkung kann ebenfalls durch Zugabe
von Hydrogensulfid-Gas erwartet werden.
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Wie
oben beschrieben, können
die Kosten der Anlage beträchtlich
vermindert werden, falls das ganze Heizofenrohr einer Ethylen-Fabrik
hergestellt wird, indem das Heizofenrohr aus Seltenerd-ODS-Eisenlegierung
und das Heizofenrohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung
verbunden werden, mit anderen Worten, indem das Heizofenrohr aus
austenitischer hitzebeständiger
Legierung für
einen Teil des gesamten Heizofenrohrs verwendet wird.
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Falls
Fluid, das 100 ppm oder weniger S in Atomgewichtseinheiten enthält, durch
das Heizofenrohr strömt,
das hergestellt wird, indem das Heizofenrohr aus Seltenerd-ODS-Eisenlegierung und
ein Heizofenrohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung verbunden
werden, und das Heizofenrohr in einem Temperaturbereich von 550°C bis 1.000°C verwendet
wird, kann das Verkoken auf der Seltenerd-ODS-Eisenlegierung und
der austenitischen hitzebeständigen
Legierung minimiert werden, und daher kann das Entkokungsintervall viel
weiter hinausgeschoben werden als bei herkömmlichen Typen.
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Diese
Weise des Hinausschiebens des Entkokungsintervalls verbessert die
Produktivität
der Anlage beträchtlich,
und der wirtschaftliche Effekt wird enorm, einschließlich einer
Kostenreduktion für
das Entkoken, einer Verminderung der thermischen Ermüdung infolge
Betriebsstopps und -neustarts der Anlage beim Entkoken, wie auch
einer Erhöhung
der Lebensdauer.
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4 bis 6 zeigen
das Heizofenrohr, das hergestellt wird, indem das Heizofenrohr aus
Seltenerd-ODS-Eisenlegierung und das Heizofenrohr aus herkömmlichem
Material verbunden werden, und das Verfahren zur Herstellung des
Heizofenrohrs entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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Das
Heizofenrohr 1, dargestellt in 4, wird
hergestellt durch Verbinden eines Heizofenrohr-Elementes 10 auf
der einen Seite, das aus einem Heizofenrohr aus Seltenerd-ODS-Eisenlegierung
besteht, die 19–26 Gew.-%
Cr und 3–6
Gew.-% Al enthält,
mit dem Heizofenrohr-Element 20 auf der anderen Seite aus
einer austenitischen hitzebeständigen
Legierung, die mittels Diffusionsbindung über ein Einlagemetall verbunden
werden.
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Das
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 10 und das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20 des Heizofenrohrs 1 werden über das
Kupplungsansatzrohr 30 verbunden, das aus einer austenitischen hitzebeständigen Legierung
besteht, die aus dem gleichen Material besteht wie das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20.
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Für das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20 kann nicht nur eine austenitische
hitzebeständige
Legierung verwendet werden, sondern auch eine Seltenerd-ODS-Eisenlegierung, die
aus dem gleichen Material besteht wie das Heizofenrohr-Element auf
der einen Seite 10.
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Auch
für das
Kupplungsansatzrohr 30 kann nicht nur die oben genannte
austenitische hitzebeständige Legierung
verwendet werden, sondern auch eine Seltenerd-ODS-Eisenlegierung, die
aus dem gleichen Material besteht wie das Heizofenrohr-Element auf
der einen Seite 10.
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Das
oben beschriebene Heizofenrohr 1 wird gemäß den folgenden
Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Zunächst werden
die Außenfläche der
Seitenstoßkanten
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 (Außendurchmesser:
70 mm, Wandstärke:
5 mm) und des Heizofenrohr-Elementes
auf der anderen Seite 20, dessen Abmessungen denen des
Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 10 entsprechen (Außendurchmesser: 70 mm, Wandstärke: 5 mm),
in einem Bereich von 30 mm von der Kante des entsprechenden Rohrteils
auf eine Oberflächenrauheit
von 25 S geschliffen.
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Anschließend wird
der Legierungsfilm M aus Ni und 4% B, der als Einlagemetall verwendet
wird, durch Elektroplattieren auf 50 μm Dicke auf der Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 und ebenso
auf der Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20 gebildet,
die wie oben beschrieben bearbeitet sind.
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Für das Einlagemetall
kann ein übliches
amorphes Metallprodukt, wie etwa B/Ni-Metall, zum Hartlöten verwendet
werden.
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Dann
werden sowohl die Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 als auch die
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20 in
jede Kante des Kupplungsansatzrohrs 30 um 30 mm eingeschoben.
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Hier
hat das Kupplungsansatzrohr 30 einen Innendurchmesser von
70 mm, eine Wandstärke
von 8 mm und eine Länge
von 60 mm, und die Innenfläche 30a ist
auf eine Oberflächenrauheit
von 25 S bearbeitet worden.
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Beide
Enden der Außenfläche des
Kupplungsansatzrohrs 30 weisen Schrägflächen 30t und 30t von ungefähr 10° auf, wo
der Durchmesser sich zur Kante hin verringert.
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Es
ist möglich,
den Film des Einlagemetalls nicht nur an den Seitenstoßkanten
der oben genannten Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 zu
formen, sondern auch auf der Innenfläche 30a des oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30,
und es ist ferner möglich,
den Film des Einlagemetalls nur auf der Innenfläche des oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30 zu
formen.
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Nach
dem Ansetzen der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 bzw.
der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20 an
das Kupplungsansatzrohr 30 wird das Kupplungsansatzrohr 30 in
Radiusrichtung durch die Spanner 40 und 41 an
jede Schrägfläche 30t und 30t des
Kupplungsansatzrohrs 30 angesetzt, so dass die Seitenstoßkanten
der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 und die Innenfläche 30a des
Kupplungsansatzrohrs 30 gepresst werden und dabei die Plattierungsschichten M
und M des Einlagemetalls beidseitig bedecken und zum Verbinden druckkontaktiert
werden.
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Die
Spanner 40 und 41 haben hier beide eine Ringform,
deren Innenflächen
Schrägflächen 40t und 41t aufweisen, ähnlich den
Schrägflächen 30t und 30t des
oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30, und das Kupplungsansatzrohr 30 wird
in Radiusrichtung in Kontakt gebracht, indem die an jeder Schrägfläche 30t und 30t des
Kupplungsansatzrohrs 30 angebrachten Spanner zueinander
bewegt werden.
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Das
Druckbelüftungsmittel
P zum Druckkontaktieren des Kupplungsansatzrohrs 30 mit
dem Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 10 und dem
Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 20 besteht aus
den Schrägflächen 30t und 30t des
oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30 und den oben genannten
Spannern 40 und 41.
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Nach
dem Verbinden des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 und
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20 mit
dem Kupplungsansatzrohr 30 wird das Innere jedes Heizofenrohr-Elementes 10 und 20 evakuiert,
bis die Güte
des Vakuums 0,001 Torr oder weniger wird.
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10A und 20A der 6 sind
Absperrplatten, die angebracht werden, um die Öffnungen der Kanten der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 zu
versiegeln, wenn das Innere jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 evakuiert
wird.
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Das
Evakuieren des Inneren jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 beugt
einer Oxidation des Films M des Einlagemetalls vor und ermöglicht die Überprüfung des
Verbindungszustandes zwischen jedem einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 und
dem Kupplungsansatzrohr 30.
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Das
Verbinden jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 über das
Kupplungsansatzrohr 30 erleichtert das Zentrieren (Ausrichten
der Mittelachse) des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10 und
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20 und
bewirkt Luftdichtigkeit innerhalb und außerhalb jedes der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20.
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Es
ist akzeptabel, nach dem Evakuieren Inertgas in jedes einzelne der
Heizofenrohr- Elemente 10 und 20 zu
füllen,
um einer Oxidation des Films M des Einlagemetalls vorzubeugen, und
es ist ebenfalls akzeptabel, ohne Evakuieren Inertgas in jedes einzelne
der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 zu füllen.
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Nach
dem Evakuieren des Innern jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 erhöht eine in
die oben genannten Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 eingeschobene
Heizeinrichtung die Temperatur mittels Induktionsheizung bis zu
der Temperatur, bei der der Film M des Einlagemetalls schmilzt,
und diese Temperatur wird für
die Dauer einer Stunde gehalten, um die Diffusionsbindung (Flüssigphasen-Diffusionsbindung) voranzubringen.
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Es
ist ebenfalls möglich,
den Film M des Einlagemetalls zu schmelzen und die Diffusionsbindung
durch Infrarotheizung voranzubringen, anstatt eine Induktionsheizung
zu verwenden.
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Wenn
jedes einzelne der Heizofenrohr-Elemente 10 und 20 von
innen erwärmt
wird, dehnt sich jedes Heizofenrohr-Element 10 und 20 thermisch
in Radiusrichtung, was einen Abfall des Verbindungsdrucks zwischen
jedem Heizofenrohr-Element 10 und 20 und dem Kupplungsansatzrohr 30 während der
Erwärmung
zusammen mit der Verbindungskraft mittels des oben genannten Druckbelüftungsmittels
P verhindert.
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Nach
Vollendung der Diffusionsbindung durch das Halten hoher Temperatur
für die
Dauer einer Stunde wird das Heizofenrohr 1 auf Zimmertemperatur
abgekühlt,
anschließend
werden die Spanner 40 und 41 vom Kupplungsansatzrohr 30 entfernt,
und der Herstellungsvorgang des Heizofenrohrs 1 endet.
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Wie 4 zeigt,
erscheint das fertiggestellte Heizofenrohr 1 so, dass das
Kupplungsansatzrohr 30 am Verbindungsteil zwischen dem
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 10 und dem Heizofenrohr-Element auf
der anderen Seite 20 angebracht ist.
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Beim
Heizofenrohr 1, das die oben genannte Gestaltung aufweist,
können
die Kosten der Anlage beträchtlich
vermindert werden, indem das Heizofenrohr-Element auf der anderen
Seite 20 verwendet wird, das teilweise aus austenitischer,
dem Erwärmen
standhaltender Legierung gefertigt ist.
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Falls
das Heizofenrohr 1, das die oben genannte Gestaltung aufweist,
zulässt,
dass Flüssigkeit,
die 100 ppm oder weniger Atomgewichtseinheiten S enthält, durchfließt und in
einem Temperaturbereich von 550°C
bis 1.000°C
verwendet wird, kann das Verkoken am Heizofenrohr-Element auf der
einen Seite 10, das aus Seltenerd-ODS-Eisenlegierung hergestellt
ist, und am anderen Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 20,
das aus austenitischer, hitzebeständiger Legierung hergestellt
ist, minimiert werden, und folglich kann das Entkokungsintervall
viel weiter hinausgezögert
werden als bei einem herkömmlichen
Heizofenrohr, was eine enorm hohe ökonomische Wirkung erzeugt.
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Selbstverständlich können das
Heizofenrohr und seine Verwendung nicht nur als Crackrohre in einer Ehtylen-Fabrik
wirkungsvoll eingesetzt werden, sondern auch als verschiedene Heizofenrohre,
die Verkokungsproblemen ausgesetzt sind, wie etwa als CCR-Anlage
in einer Erdölraffinerie.
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Das
Heizofenrohr, dessen eine Aufgabe es ist, das Problem der Karburierung
zu lösen,
wird ebenfalls auf genau die gleiche Weise wie das Heizofenrohr 1,
dargestellt in 4 bis 6, gefertigt.
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Wie 7 bis 9 zeigen,
wird das Heizofenrohr 1' hergestellt,
indem das Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 10' aus
Yttrium-ODS-Eisenlegierung, die 20 Gew.-% Cr und 4,5 Gew.-% Al enthält, mit
dem Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 20' aus austenitischer
hitzebeständiger
Legierung (25Cr/35Ni/Fe) durch Diffusionsbindung über ein
Einlagemetall verbunden wird.
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Das
oben genannte Heizofenrohr 1' hat
ein Kupplungsansatzrohr (Zwischenelement) 30' aus einer austenitischen hitzebeständigen Legierung
(25Cr/35Ni/Fe), die dasselbe Material ist wie das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20',
und das Heizofenrohr-Element 10' auf der einen Seite und das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20' sind über das
oben genannte Kupplungsansatzrohr 30' verbunden.
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Für das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20' kann
nicht nur ein Rohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung verwendet
werden, wie etwa das Schleudergussrohr Hpmod, Sumitomo Metal HPM
und Inco-Legierung 803, sondern auch ein Rohr aus ODS-Eisenlegierung
aus dem gleichen Material wie das Heizofenrohr-Element auf der einen
Seite 10'.
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Für das Kupplungsansatzrohr 30' kann nicht
nur das oben genannte Rohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung
verwendet werden, sondern auch ein Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung aus
dem gleichen Material wie das Heizofenrohr-Element auf der einen
Seite 10',
und ebenso kann ein Rohr aus einer ferritischen hitzebeständigen Legierung
verwendet werden.
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Das
oben genannte Heizofenrohr 1' wird
mittels des folgenden Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung
hergestellt.
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Zunächst werden
die Außenfläche der
Seitenstoßkanten
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' (Außendurchmesser:
70 mm, Wandstärke:
5 mm) und des Heizofenrohr-Elementes
auf der anderen Seite 20',
dessen Abmessungen denen des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' entsprechen
(Außendurchmesser:
70 mm, Wandstärke:
5 mm), in einem Bereich von 30 mm von der Kante des entsprechenden
Rohrteils auf eine Oberflächenrauheit
von 25 S geschliffen.
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Anschließend wird
der Legierungsfilm M aus Ni und 4% B, der als Einlagemetall verwendet
wird, durch Elektroplattieren auf 5 μm Dicke auf der Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' und ebenso
auf der Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20' gebildet, die
wie oben beschrieben bearbeitet sind.
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Für das Einlagemetall
kann ein übliches
amorphes Metallprodukt, wie etwa BNi-Metall, zum Hartlöten verwendet
werden.
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Dann
werden sowohl die Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' als auch die
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20' in jede Kante
des Kupplungsansatzrohrs 30' um
30 mm eingeschoben.
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Hier
hat das Kupplungsansatzrohr 30' einen Innendurchmesser von 70
mm, eine Wandstärke
von 8 mm und eine Länge
von 60 mm, und die Innenfläche 30a' ist auf eine
Oberflächenrauheit
von 25 S bearbeitet worden.
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Beide
Enden der Außenfläche des
Kupplungsansatzrohrs 30' weisen
Schrägflächen 30t' und 30t' von ungefähr 10° auf, wo
der Durchmesser sich zur Kante hin verringert.
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Es
ist möglich,
den Film des Einlagemetalls nicht nur an den Seitenstoßkanten
der oben genannten Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' zu formen, sondern auch auf der
Innenfläche 30a' des oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30', und es ist
ferner möglich,
den Film des Einlagemetalls nur auf der Innenfläche des oben genannten Kupplungsansatzrohrs 30' zu formen.
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Nach
dem Ansetzen der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' bzw. der Seitenstoßkante des
Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20' an das Kupplungsansatzrohr 30' wird das Kupplungsansatzrohr 30' in Radiusrichtung
durch die Spanner 40' und 41' an jede Schrägfläche 30t' und 30t' des Kupplungsansatzrohrs 30' angesetzt,
so dass die Seitenstoßkanten
der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' und die Innenfläche 30a' des Kupplungsansatzrohrs 30' gepresst werden
und dabei die Plattierungsschichten M und M des Einlagemetalls beidseitig
bedecken und zum Verbinden druckkontaktiert werden.
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Die
Spanner 40' und 41' haben hier
beide eine Ringform, deren Innenflächen Schrägflächen 40t' und 41t' aufweisen, ähnlich den
Schrägflächen 30t' und 30t' des oben genannten
Kupplungsansatzrohrs 30',
und das Kupplungsansatzrohr 30' wird in Radiusrichtung in Kontakt
gebracht, indem die an jeder Schrägfläche 30t' und 30t' des Kupplungsansatzrohrs 30' angebrachten
Spanner zueinander bewegt werden.
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Das
Druckbelüftungsmittel
P zum Druckkontaktieren des Kupplungsansatzrohrs 30' mit dem Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 10' und
dem Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 20' besteht aus
den Schrägflächen 30t' und 30t' des oben genannten
Kupplungsansatzrohrs 30' und
den oben genannten Spannern 40' und 41'.
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Nach
dem Verbinden des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 10' und des Heizofenrohr-Elementes
auf der anderen Seite 20' mit
dem Kupplungsansatzrohr 30' wird
das Innere jedes Heizofenrohr-Elementes 10' und 20' evakuiert, bis die Güte des Vakuums
0,001 Torr oder weniger wird.
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10A' und 20A' der 9 sind
Absperrplatten, die angebracht werden, um die Öffnungen der Kanten der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' zu versiegeln,
wenn das Innere jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' evakuiert wird.
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Das
Evakuieren des Inneren jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' beugt einer
Oxidation des Films M des Einlagemetalls vor und ermöglicht die Überprüfung des
Verbindungszustandes zwischen jedem einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' und dem Kupplungsansatzrohr 30'.
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Das
Verbinden jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' über das
Kupplungsansatzrohr 30' erleichtert
das Zentrieren (Ausrichten der Mittelachse) des Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 10' und
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 20' und bewirkt
Luftdichtigkeit innerhalb und außerhalb jedes der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20'.
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Es
ist akzeptabel, nach dem Evakuieren Inertgas in jedes einzelne der
Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' zu füllen, um
einer Oxidation des Films M des Einlagemetalls vorzubeugen, und
es ist ebenfalls akzeptabel, ohne Evakuieren Inertgas in jedes einzelne
der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' zu füllen.
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Nach
dem Evakuieren des Innern jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' erhöht eine in
die oben genannten Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' eingeschobene Heizeinrichtung
H die Temperatur mittels Induktionsheizung bis zu der Temperatur,
bei der der Film M des Einlagemetalls schmilzt, und diese Temperatur
wird für
die Dauer einer Stunde gehalten, um die Diffusionsbindung (Flüssigphasen-Diffusionsbindung)
voranzubringen.
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Es
ist ebenfalls möglich,
den Film M des Einlagemetalls zu schmelzen und die Diffusionsbindung
durch Infrarotheizung voranzubringen, anstatt eine Induktionsheizung
zu verwenden.
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Wenn
jedes einzelne der Heizofenrohr-Elemente 10' und 20' von innen erwärmt wird, dehnt sich jedes Heizofenrohr-Element 10' und 20' thermisch in
Radiusrichtung, was einen Abfall des Verbindungsdrucks zwischen
jedem Heizofenrohr-Element 10' und 20' und dem Kupplungsansatzrohr 30' während der
Erwärmung zusammen
mit der Verbindungskraft mittels des oben genannten Druckbelüftungsmittels
P verhindert.
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Nach
Vollendung der Diffusionsbindung durch das Halten hoher Temperatur
für die
Dauer einer Stunde wird das Heizofenrohr 1' auf Zimmertemperatur abgekühlt, anschließend werden
die Spanner 40' und 41' vom Kupplungsansatzrohr 30' entfernt, und
der Herstellungsvorgang des Heizofenrohrs 1' endet.
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Wie 7 zeigt,
erscheint das fertiggestellte Heizofenrohr 1' so, dass das Kupplungsansatzrohr 30' am Verbindungsteil
zwischen dem Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 10' und dem Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 20' angebracht
ist.
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Es
hat sich bestätigt,
dass das auf diese Weise gefertigte Heizofenrohr 1' eine in der
Praxis ausreichende Funktion aufweist, wo der Verbindungsbereich
während
Hydraulik-Tests einem Barometer-Druck von 100 standhalten
kann.
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Im
mittels der oben genannten Verfahren hergestellten Heizofenrohr 1' wird zumindest
das Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 10' aus einer Yttrium-ODS-Eisenlegierung
hergestellt, die eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Karburierung
aufweist, weswegen das Intervall für das Austauschen des Heizofenrohrs weiter
verlängert
werden kann als bei einem herkömmlichen
Heizofenrohr.
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Dies
hat eine beträchtliche ökonomische
Auswirkung, da die Ausgaben für
das Austauschen der Heizofenrohre vermindert werden können, und
eine Verlängerung
des Intervalls von Fertigungsstopps der Anlage wegen der Messungen
der Karburierungstiefe verhindert einen Leistungsausfall, und eine
Verlängerung
des Intervalls von Fertigungsstopps der Anlage wegen der Messungen
der Karburierungstiefe vermindert ebenfalls die thermische Ermüdung, die
durch das Ausschalten des Ofens und seine Wiederinbetriebnahme verursacht wird,
was die Betriebsdauer der Anlage verlängert.
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Die
Festigkeit des Verbindungsbereiches jedes Heizofenrohr-Elementes 10' und 20' des Heizofenrohrs 1' ist geringer
als ein Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung und ein Rohr aus einer
austenitischen hitzebeständigen
Legierung, die Basismaterialien sind.
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Die
Hochtemperaturfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Karburierung
eines Rohrs aus einer austenitischen hitzebeständigen Legierung, die für einen
Teil des Heizofenrohrs 1' verwendet
wird, sind geringer als jene eines Rohrs aus einer ODS-Eisenlegierung,
und es ist bekannt, dass ein Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung abhängig vom
Bereich der Betriebstemperatur auch ein Versprödungs-Phänomen zeigt.
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Daher
wurden Versuche hinsichtlich Strukturänderung und Karburierungswiderstand
durchgeführt,
um den optimalen Bereich der Betriebstemperatur des Heizofenrohrs 1' zu bestätigen, und
die folgenden Ergebnisse wurden gewonnen:
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Zur
Auswertung der Widerstandsfähigkeit
gegen Karburierung wurde ein Probestück in ein Quartz-Rohr gesetzt
und in einem elektrischen Ofen erwärmt, durch welchen Wasserstoff
und Methangas durchgeleitet wurden, anschließend wurde die Gewichtsveränderung
des Probestücks
gemessen. Wie das obige Ergebnis zeigt, sollte die Betriebstemperatur
des Heizofenrohrs 1' auf
den Bereich von 550°C
oder mehr festgesetzt werden, in dem die 475°C-Versprödung nicht auftritt, und den
Bereich von 1.200°C
oder niedriger, in dem die Widerstandsfähigkeit gegen Karburierung
ausreicht.
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Mit
anderen Worten, die Verwendung des Heizofenrohrs 1' in einem Temperaturbereich
von 550°C
bis 1.200°C
beugt Sprödbrüchen vor,
die von der 475°C-Versprödung verursacht
werden und erfüllt
eine ausreichende Widerstandsfähigkeit
gegen Karburierung.
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Im
Falle eines herkömmlichen
Heizofenrohrs aus austenitischer hitzebeständiger Legierung findet andererseits
in einem Temperaturbereich, der 1.100°C übersteigt, beträchtliche
Karburierung statt.
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Dieses
Karburierungsproblem kann gelöst
werden, indem ODS-Eisenlegierungsrohre für sämtliche Heizofenrohr-Elemente,
die sich nahe einer Temperaturumgebung von 1.100°C befinden, verwendet werden, und
indem Rohre aus austenitischer hitzebeständiger Legierung für Heizofenrohr-Elemente
verwendet werden, die sich nahe einer 1.000°C-Temperaturumgebung befinden, wie etwa
der Ausgang des Ofens.
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Auf
diese Weise erlaubt das Verfahren zur Herstellung des Heizofenrohrs
der vorliegenden Erfindung die Verwendung unterschiedlicher Materialien
für Heizofenrohr-Elemente,
abhängig
von den Betriebstemperaturbedingungen, und speziell die Verwendung
eines Rohrs aus einer austenitischen hitzebeständigen Legierung für einen
Teil des Heizofenrohrs kann die Kosten der Anlage vermindern.
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Das
Heizofenrohr 100 in 10 ist
gefertigt aus dem Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 110 aus
einem Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung, und das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 120 aus einer austenitischen hitzebeständigen Legierung,
die mittels Diffusionsbindung über
ein Einlagemetall verbunden sind.
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Für das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 120 kann nicht nur ein Rohr aus einer
austenitischen hitzebeständigen
Legierung verwendet werden, sondern auch ein Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung, die
aus demselben Material besteht wie das Heizofenrohr-Element auf der einen
Seite 110.
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Der
Film M des Einlagemetalls wird auf der Außenfläche der Seitenstoßkante des
Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 110 geformt
und die Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 120 so
gedehnt, dass sie mit der Seitenstoßkante des Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 110 in Eingriff geht.
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Zur
Herstellung des Heizofenrohrs 100 wird zunächst die
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 110 mit der Seitenstoßkante des
Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 120 in Eingriff
gebracht, dann wird der Spanner 140, dessen Innenfläche eine
Schrägfläche 140t aufweist,
an die Schrägfläche 120t des
Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 120 angesetzt,
und ein Halteblock 141 wird am Bereich 120f des
Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 120 angebracht,
wo der Durchmesser größer wird.
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Anschließend wird
die Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 120 unter Druck
mit der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 110 verbunden,
indem die Plattierungsschicht M des Einlagemetalls zwischengelegt
wird, dann wird die Diffusionsbindung durch Evakuieren, Erhöhen der
Temperatur sowie durch Halten der hohen Temperatur auf die gleiche
Weise wie der Herstellungsvorgang des oben genannten Heizofenrohrs 1' vorangebracht,
und das Rohr wird nach Fertigstellung der Diffusionsbindung auf
Zimmertemperatur abgekühlt,
schließlich
werden der Spanner 140 und der Halteblock 141 entfernt,
und der Herstellungsvorgang des Heizofenrohrs 100 endet.
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Der
Film M des Einlagemetalls kann nicht nur am Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 110 geformt werden, sondern auch auf
der Innenfläche
des Heizofenrohres-Elementes auf der anderen Seite 120, und
er kann auch lediglich am Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 120 geformt
werden.
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Selbstverständlich erzeugt
das Heizofenrohr 100 mit der oben genannten Konfiguration
auch eine Wirkung, die der des oben genannten Heizofenrohrs 1' entspricht.
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Im
Falle des oben genannten Heizofenrohrs 100, bei dem das
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 110 und das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 120 mittels Diffusionsbindung über das
Einlagemetall direkt miteinander verbunden werden, ist das für das oben
genannte Heizofenrohr 1' verwendete
Kupplungsansatzrohr als Zwischenelement nicht notwendig.
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Die
Heizofenrohre und ihre Herstellung, die in den 11–12 offenbart
werden, fallen nicht unter den Schutzumfang des Anspruchs 1.
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Das
Heizofenrohr 200 in 11 wird
hergestellt aus dem Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 210,
das aus einem Rohr aus ODS-Eisenlegierung gefertigt ist, sowie dem
Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 220, das aus
einem Rohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung gefertigt
ist, die mittels Diffusionsbindung über ein Einlagemetall miteinander
verbunden werden.
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Für das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 220 kann nicht nur ein Rohr aus einer
austenitischen hitzebeständigen
Legierung, sondern auch ein Rohr aus einer ODS-Eisenlegierung, das aus dem gleichen
Material wie das Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 210 ist,
verwendet werden.
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Eine
Schrauben-Pressspindel 210S befindet sich auf der Seitenstoßkante des
Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 210, und eine Mutterschraube 220S befindet
sich am Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 220,
und der Film M des Einlagemetalls wird mittels Elektroplattieren
auf der Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes
auf der einen Seite 210 für die gesamte Verbindungsfläche mit
dem Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 220 geformt.
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Zur
Herstellung des Heizofenrohrs 200 werden die Schrauben-Pressspindel 210S am
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 210 und die Mutterschraube 220S am
Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 220 miteinander
verschraubt, um jedes Heizofenrohr-Element 210 und 220 mechanisch
zu verbinden, und die Seitenstoßkanten
der Heizofenrohr-Elemente 210 und 220 werden mit
Druck in Kontakt gebracht, wobei die Plattierungsschicht M des Einlagemetalls
zwischengelegt wird, anschließend
wird die Diffusionsbindung durch Evakuieren, Temperaturerhöhung und
Halten der hohen Temperatur auf die gleiche Weise wie beim Herstellungsverfahren
des oben genannten Heizofenrohrs 1' vorangebracht, nach der Fertigstellung
der Diffusionsbindung wird das Rohr dann auf Zimmertemperatur abgekühlt, und
der Herstellungsvorgang des Heizofenrohrs 200 endet.
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Der
Film M des Einlagemetalls M kann nicht nur am Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 210, sondern auch am Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 220 geformt werden, und er kann lediglich
am Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 220 geformt
werden.
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Die
Mutterschraube kann sich am Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 210 und
die Schrauben-Pressspindel am Heizofenrohr-Element auf der anderen
Seite 220 befinden.
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Ein
runder Einlegering aus Einlagemetall kann an den Verbindungsbereichen
a und b an jedem einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 210 und 220 eingelegt
werden.
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Selbstverständlich erzeugt
das Heizofenrohr 200 mit der oben genannten Konfiguration
auch eine Wirkung, die der des oben genannten Heizofenrohrs 1' entspricht.
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Im
Falle des oben genannten Heizofenrohrs 200, wo das Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 210 und das Heizofenrohr-Element auf
der anderen Seite 220 mittels Diffusionsbindung über das
Einlagemetall direkt verbunden sind, ist das Kupplungsansatzrohr
als Zwischenelement, wie es für
das oben genannte Heizofenrohr 1' verwendet wird, nicht notwendig.
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Auch
im oben genannten Heizofenrohr 200 können mechanische Festigkeit
und Luftdichtigkeit in einer Umgebung hoher Temperatur durch die
Kombination von mechanischer Verbindung durch Zusammenschrauben
und Diffusionsbindung verwirklicht werden.
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Das
Heizofenrohr 300 in 12 wird
hergestellt aus dem Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 310 aus
einem aus ODS-Eisenlegierung gefertigten Rohr und dem Heizofenrohr-Element auf der anderen
Seite 320 aus einem aus austenitischer hitzebeständiger Legierung
gefertigten Rohr, die mittels Diffusionsbindung über ein Einlagemetall verbunden
werden.
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Für das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 320 kann nicht nur ein Rohr aus austenitischer hitzebeständiger Legierung,
sondern auch ein Rohr aus ODS-Eisenlegierung, das das gleiche Material
wie das Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 310 ist,
verwendet werden.
-
Ein
schräg
geformter konvexer Eingriffsbereich 310T befindet sich
auf der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 310, und
ein schräg
geformter konkaver Eingriffsbereich 320T befindet sich
auf der Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der anderen Seite 320, und
der Film M des Einlagemetalls wird durch Elektroplattieren auf der
Außenfläche der
Seitenstoßkante
des Heizofenrohr-Elementes auf der einen Seite 310 für die gesamte
Verbindungsfläche
mit dem Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 320 geformt.
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Zur
Herstellung des Heizofenrohrs 300 werden der konvexe Eingriffsbereich 310T am
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 310 und der konkave
Eingriffsbereich 320T am Heizofenrohr-Element auf der anderen
Seite 320 in Eingriff gebracht, damit sie jedes einzelne
der Heizofenrohr-Elemente 310 und 320 mechanisch
verbinden, und die Seitenstoßkanten
der Heizofenrohr-Elemente 310 und 320 werden mit
Druck verbunden, wobei die Plattierungsschicht M des Einlagemetalls
zwischengelegt wird, indem ein Kompressionsdruck von 0,1 kg/mm2 oder mehr in Rohrachsenrichtung jedes Heizofenrohr-Elementes 310 und 320 angelegt wird.
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Dann
wird die Diffusionsbindung durch Evakuieren, Erhöhen der Temperatur und Halten
der Temperatur auf die gleiche Weise wie beim Herstellungsvorgang
des oben genannten Heizofenrohrs 1' vorangebracht, anschließend wird
das Rohr auf Zimmertemperatur abgekühlt, nachdem die Diffusionsbindung
vollendet ist, und der Herstellungsvorgang des Heizofenrohrs 300 endet.
-
Der
Film M des Einlagemetalls kann nicht nur am Heizofenrohr-Element
auf der einen Seite 310, sondern auch am Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 320 geformt werden, und er kann auch
nur auf dem Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 320 geformt
werden.
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Der
konkave Eingriffsbereich kann sich am Heizofenrohr-Element auf der
einen Seite 310, und der konvexe Eingriffsbereich kann
sich am Heizofenrohr-Element auf der anderen Seite 320 befinden.
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Ein
runder Einlegering aus Einlagemetall kann an den Verbindungsbereichen
a und b jedes einzelnen der Heizofenrohr-Elemente 310 und 320 angebracht
werden.
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Selbstverständlich erzeugt
das Heizofenrohr 300 mit der oben genannten Konfiguration
auch eine Wirkung, die der des oben genannten Heizofenrohrs 1' entspricht.
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Im
Falle des oben genannten Heizofenrohrs 300, bei dem das
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite 310 und das Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite 320 mittels Diffusionsbindung über ein
Einlagemetall direkt verbunden sind, ist das Kupplungsansatzrohr
als Zwischenelement, das für
das oben genannte Heizofenrohr 1' verwendet wird, nicht notwendig.
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Auch
in dem oben genannten Heizofenrohr 300 können mechanische
Festigkeit und Luftdichtigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur
verwirklicht werden, indem die mechanische Verbindung mittels Schrägverbindung
und die Diffusionsbindung kombiniert werden.
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Der
Film M des Einlagemetalls, der in jedem der oben genannten Ausführungsbeispiele
verwendet wird, wird durch Elektroplattieren geformt, jedoch können Nassplattieren,
Trockenplattieren, fremdstromlose Metallabscheidung, physikalische
Beschichtung (z. B. Vakuumbedampfung, Sputtern, Ionenplattieren)
und Dampfplattieren, einschließlich
chemischer Abscheidung (z. B. Hochtemperatur-CVD-Verfahren, Plasma-CVD-Verfahren),
Aufsprühen
und Metallpastenüberzug
und andere Methoden angewandt werden, um den Film M des Einlagemetalls
zu formen.
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Es
ist auch möglich,
Metall, speziell rohrförmiges
oder rundes Einlagematerial, das aus einer dünnen Einlagemetallplatte oder
einem Einlagemetallfilm hergestellt ist, in den Raum zwischen dem
Heizofenrohr-Element auf der einen Seite und dem Heizofenrohr-Element
auf der anderen Seite einzulegen.
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Selbstverständlich kann
das Verfahren zur Herstellung des Heizofenrohrs gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht nur auf die Crackrohre einer Ethylen-Fabrik, sondern
auch auf verschiedene Heizofenrohre wirkungsvoll angewandt werden,
die zu Karburierungsproblemen neigen, wie etwa eine CCR-Anlage in
einer Erdölraffinerie.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Ein
auf die vorliegende Erfindung bezogenes Verfahren zur Herstellung
eines Heizofenrohrs kann wirkungsvoll auf Heizofenrohre angewandt
werden, die zu Verkokungs- und Karburierungsproblemen neigen.