JP3906367B2 - 耐コークス化性鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に石油化学処理において使用される反応器、炉、導管またはそれらの要素のいくつかのものを製造するための鋼に関しており、これらの鋼は、コークス化に対して改善された耐性を有する。
【0002】
本発明は、これらの鋼を用いる反応器、炉、導管またはそれらの要素のいくつかのものの製造にも関する。
【0003】
【従来技術および解決すべき課題】
炭化水素の転換の際に炉内に広がる炭素を含む堆積物は、一般にはコークスと称される。このコークスの堆積物は、工業装置においては有害である。実際、管および反応器の内壁上のコークスの形成は、特に熱交換の減少、大きな詰まり、ひいては、圧力損失の増加を引き起こす。一定の反応温度を維持するために、内壁の温度を上昇させることは必要でありうるが、このことにより、これらの内壁の構成合金の損傷を引き起こす危険性がある。設備装置の選択度の減少も認められ、その結果、収率の減少も認められる。
【0004】
従って、脱コークス化を行なうために、設備装置を周期的に停止させる必要があることが明らかになる。従って、コークスの形成を減少させうる材料またはコーティングを開発することは経済的に有利である。
【0005】
特開平3−104843号公報に、エチレンの蒸気クラッキング用炉の管についての耐コークス化耐火性鋼が記載されていることは公知である。しかしながら、この鋼は、15%以上のクロムおよびニッケルと、0.4%以下のマンガンとを含む。この鋼は、ナフサ、エタンまたはガスオイルの蒸気クラッキングのために750℃〜900℃でのコークスの形成を制限するのに開発されている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、コークス化に対して良好な耐性を得るための特定の組成を有する鋼に関する。
【0007】
これらの鋼は、下記質量組成を有する:
・炭素0.05%、
・ケイ素2.5〜5%、
・クロム10〜20%、
・ニッケル10〜15%、
・マンガン0.5〜1.5%、
・チタン0.25〜0.5%、
・アルミニウム0.06%、
・残部鉄および不可避不純物。
【0008】
本発明の一の変形例によれば、鋼は、下記質量組成を有してよい:
・炭素0.05%、
・ケイ素2.5〜3%、
・クロム17〜17.5%、
・ニッケル12%、
・マンガン1.2%、
・チタン0.35%、
・アルミニウム0.06%、
・残部鉄および不可避不純物。
この場合、該鋼は、オーステナイト系構造を示しうる。
【0009】
本発明のもう1つの鋼は、下記質量組成を有する:
・炭素0.06%、
・ケイ素3.5〜5%、
・クロム17.5%、
・ニッケル10%、
・マンガン1.2%、
・チタン0.5%、
・アルミニウム0.07%、
・残部鉄および不可避不純物。
従って、該鋼は、オーステナイト−フェライト系構造を示しうる。
【0010】
さらに本発明は、温度350〜1100℃で行なわれる石油化学処理用設備装置の要素の製造方法にも関し、該製造方法では、前記要素のコークス化に対する耐性を改善するために、上記で定義された鋼を用いて該要素の全体または一部を製造する。
【0011】
これらの鋼は、石油化学処理、例えば接触または熱クラッキングおよび脱水素化を行なう設備装置の製造に使用されうる。
【0012】
例えば、550〜700℃でイソブテンの生成を可能にするイソブタンの脱水素化反応の間に、二次反応によってコークスの形成が生じる。このコークス形成は、ニッケル、鉄およびそれらの酸化物の存在によって触媒活性化される。
【0013】
他の適用は、ナフサ、エタンまたはガスオイルのような生成物の蒸気クラッキング方法に関するものであり、該蒸気クラッキング方法によって、温度750〜1100℃で軽質不飽和炭化水素、特にエチレン等の形成が生じる。
【0014】
本発明による鋼は、炉または反応器を製造するための管または板の全体を製造するのに使用されうる。
【0015】
この場合、本発明による鋼は、従来の精練および鋳造方法によって念入りに作りあげられて、ついで金属の薄板、格子、管、形鋼等を製造するための慣用技術によって成形されうる。これらの半製品は、反応器の主要部分、あるいは付属部分もしくは補助部分のみを組立てるのに使用されてよい。
【0016】
さらに本発明による鋼を、遠心鋳造法、プラズマ法、電解被覆法、“オーバーレイ”法の少なくとも一つの技術による、炉、反応器または導管の内壁の被覆のために使用してもよい。この場合、これらの鋼は、特に設備装置の組立後に反応器、格子または管の内壁のコーティングを行なうために、粉体形態で使用されてよい。
【0017】
【実施例】
添付図面によって例証される、次の何ら限定されない実施例およびテストを解釈することによって、本発明はより良く理解されて、それらの利点は、より明瞭になる:
・図1は、イソブタンの脱水素化反応の間の種々の鋼のコークス化曲線を示す。
・図2は、同じ反応について、標準鋼と比較される本発明による鋼についてのコークス化およびこれに続く脱コークス化の累積される効果を比較する。
・図3は、ヘキサンの蒸気クラッキング反応についての種々の鋼についてのコークス化曲線を示す。
【0018】
実施例で使用される鋼は、下記に表示される組成(質量%)を有する:
【表1】
【0019】
(AS)は、反応器あるいは反応器の要素の製造に一般に使用される標準鋼である。さらに鋼(F1)、(D1)および(D2)も比較例として表示される。
【0020】
[実施例1]
様々な合金を、イソブタンの脱水素化反応器内でテストした。イソブタンの脱水素化反応によって、イソブテンを得ることができた。二次反応は、コークスの形成であった。イソブタンの脱水素化において使用される温度で、コークスの堆積物は、主に触媒により形成されたコークスによって構成された。
【0021】
鋼(F1)はフェライト系構造を示し、鋼(C1)および(C2)はオーステナイト−フェライト系構造を示し、鋼(C3)および(C4)はオーステナイト系構造を示した。Schaeffer の図表のオーステナイト系単一相の領域内に鋼(C3)および(C4)を位置づけるために、これらの鋼のクロムおよびニッケル含有量をGuiraldenqとPryce の平衡係数を用いて調整した。
【0022】
鋼(C1)、(C2)、(C3)および(C4)は、安定かつコークス化現象に対して触媒不活性である酸化物層を発現させる機能を有した。これらの鋼中のケイ素の存在によって、Cr−Ni−Feスピネル酸化物を含まない酸化クロムのみで実際には構成される、外面のかつ実質的には連続した層の形成が促進された。この酸化クロム層は、ケイ素に富む酸化物帯域によって金属基質から分離された。従って、化学反応、例えばイソブタンの脱水素化反応の雰囲気は、実際には、コークス化現象に対して触媒不活性である酸化クロム層との接触だけであった。
【0023】
テストを実施するのに用いた操作手順は、次の通りであった:
・鋼の試料を放電加工によって切断して、ついで、標準表面状態を確保し且つ切断の際に形成され得た酸化物表皮を取り除くために、SiC#180紙で磨いた。
・CCl4、アセトンついでエタノール槽中で洗浄を行なった。
・次いで、試料を熱天秤のアームにぶらさげた。
・次いで、円筒状反応器を閉じた。温度の上昇をアルゴン下で行なった。
・イソブタン、水素、アルゴンおよび約300ppmの酸素から構成される反応混合物を反応器内に注入した。
【0024】
微量天秤によって、試料上の質量増加を連続して測定することが可能になった。図1は、横軸に時間をとり、平方メートル毎のグラム(g/m2)で示された量である、反応中に試料上に形成されるコークス量を縦軸にとったグラフを示した。曲線1は鋼(AS)に関し、曲線2は鋼(F1)に関し、曲線3および曲線3bは、各々鋼(D1)および(D2)に関し、曲線4の全体は、鋼(C1)、(C2)、(C3)および(C4)に関した。
【0025】
本発明による鋼(C1)、(C2)、(C3)および(C4)については、コークス化の割合が減少されたことは明白であった。同じ条件下で、鋼(F1)、(D1)および(D2)は、コークス化に対して、あまり良好でない耐性を示した。
【0026】
図2は、複数の連続するコークス化/脱コークス化サイクルの場合におけるコークス化の曲線を示した。脱コークス化は、空気下600℃で、所要時間、実施されて、堆積したコークスを(5〜10分で)燃焼させた。曲線6は、最初のサイクルでの鋼(AS)に関するコークス化を表し、曲線5は、コークス化/脱コークス化の20サイクル後の鋼(AS)の試料についてのコークス化を表した。
【0027】
曲線7は、鋼(C3)および(C4)についての20サイクル後のコークス化/脱コークス化の曲線を表した。
【0028】
コークス化/脱コークス化の20サイクル後に、鋼(C3)および(C4)は、コークス化に対して同じ耐性を有した。それらの表面の酸化クロム層は、変化しなかった。該層は、コークス化に対して元の非常に弱い触媒活性を保持した。これに反して、実際にはケイ素を含まない標準鋼については、コークス化/脱コークス化の20サイクル後では、6時間のテスト終了時の炭素堆積物の割合は、4倍に増えていた。標準鋼の保護層は、安定ではなかった。すなわち、連続する脱コークス化の場合には、該層の触媒性金属元素、例えば鉄またはニッケルの増加が生じた。
【0029】
[実施例2]
二番目のテストを温度約850℃でヘキサンの蒸気クラッキング反応を用いて行なった。鋼の試料の調製およびテストの手順は、実施例1でのものと同じであった。
【0030】
図3は、曲線8で表される、鋼(AS)の試料のコークス化を示しており、該曲線は、鋼(C4)および(C3)の試料のコークス化を各々表す曲線9および曲線10よりも、明らかに上回った。
【0031】
この二番目のテストでは、特にケイ素を含む鋼(C3)および(C4)は、標準鋼のものよりは小さいコークス化割合を有した。
【0032】
本発明による鋼(C3)および(C4)の温度における良好な力学的特徴に留意しなければならない:
【表2】
【0033】
表2の1欄は試料の温度に対応し、2欄は弾性限界応力に対応し、3欄は破壊応力に対応し、4欄は破断伸びに対応する。5欄はクリープテスト10000時間後の破壊応力に対応し、6欄はクリープテスト100000時間後の破壊応力に対応し、7欄はクリープテスト10000時間後の1%の伸びに対する応力に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 イソブタンの脱水素化反応での、種々の鋼のコークス化曲線を示すグラフである。
【図2】 イソブタンの脱水素化反応での、標準鋼と本発明による鋼についてのコークス化/脱コークス化サイクルにおけるコークス化曲線を示すグラフである。
【図3】 ヘキサンの蒸気クラッキング反応での、種々の鋼のコークス化曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
(1) …ASに関する曲線
(2) …F1に関する曲線
(3) …D1に関する曲線
(3b)…D2に関する曲線
(4) …C1、C2、C3及びC4に関する曲線
(5) …ASに関する曲線
(6) …ASに関する曲線
(7) …C3及びC4に関する曲線
(8) …ASに関する曲線
(9) …C4に関する曲線
(10)…C3に関する曲線
Claims (11)
- 下記質量組成:
・炭素0.05%、
・ケイ素2.5〜5%、
・クロム10〜20%、
・ニッケル10〜15%、
・マンガン0.5〜1.5%、
・チタン0.25〜0.5%、
・アルミニウム0.06%、
・残部鉄および不可避不純物、
を示すことを特徴とする、耐コークス化性鋼。 - 下記質量組成:
・炭素0.05%、
・ケイ素2.5〜3%、
・クロム17〜17.5%、
・ニッケル12%、
・マンガン1.2%、
・チタン0.35%、
・アルミニウム0.06%、
・残部鉄および不可避不純物、
を示すことを特徴とする、請求項1記載の鋼。 - オーステナイト系構造を有する、請求項2記載の鋼。
- 下記質量組成:
・炭素0.06%、
・ケイ素3.5〜5%、
・クロム17.5%、
・ニッケル10%、
・マンガン1.2%、
・チタン0.5%、
・アルミニウム0.07%、
・残部鉄および不可避不純物、
を示すことを特徴とする、耐コークス化性鋼。 - オーステナイト−フェライト系構造を有する、請求項4記載の鋼。
- 温度350〜1100℃で行なわれる石油化学処理用装置の要素の製造方法において、前記要素の耐コークス化性を改善するために、請求項1〜5のいずれか1項記載の鋼で前記要素の全体または一部を製造することを特徴とする、装置要素の製造方法。
- 前記要素の全体が、請求項1〜5のいずれか1項記載の鋼で製造されることを特徴とする、請求項6記載の方法。
- 組立後に前記装置要素の内壁の被覆を、請求項1〜5のいずれか1項記載の鋼によって行なうことを特徴とする、請求項6または7記載の方法。
- 前記被覆は、遠心鋳造法、プラズマ法、電解被覆法及びオーバーレイ法から選ばれる少なくとも一つの技術によって行なわれることを特徴とする、請求項8記載の方法。
- 装置は、550〜700℃で作用するイソブタンの脱水素化装置であることを特徴とする、請求項6〜9のいずれか1項記載の方法。
- 装置は、750〜1100℃で作用する、ナフサ、エタンまたはガスオイルの蒸気クラッキング装置であることを特徴とする、請求項6〜9のいずれか1項記載の方法。
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