MX2014008621A - Aleacion austenitica. - Google Patents

Abstract

Una aleación austenítica que comprende (en % en peso): C: 0.01 - 0.05, Si: 0.05 - 0.80, Mn: 1.5 - 2, Cr: 26 - 34.5, Ni: 30 - 35, Mo: 3 - 4, Cu: 0.5 - 1.5, N: 0.05 - 0.15, V: = 0.15, el equilibrio Fe e impurezas inevitables, caracterizado porque 40=%Ni + 100*%N=50.

Description

ALEACION AUSTENITICA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una aleación austenitica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. La invención también se refiere a un componente para una planta de combustión que comprende la aleación austenitica inventiva .

ANTECEDENTES DE LA INVENCION La generación de energía con base en la combustión de biomasa es vista tanto como sustentable como neutral al carbono y se está convirtiendo en una fuente de energía cada vez más importante.

Un problema de la combustión de biomasa es que los productos de combustión del amplio rango de los combustibles de biomasa son utilizados es que son corrosivos y pueden causar deposiciones sobre los componentes en la planta de energía de biomasa. Especialmente expuestos a los supercalentadores , recalentadores y evaporadores en plantas de energía de biomasa es que los materiales en los componentes comienzan la fluencia debido a las altas temperaturas y las altas presiones en la planta de energía. Hoy en día, las plantas de biomasa operan a una presión de 15-20 MPa (150-200 bar) y a una temperatura de 500 - 550°C.

En el futuro, se espera que las temperaturas de las plantas de energía de biomasa sean incluso superiores a lo de hoy en día, 600 - 650 °C. Esto impondrá demandas aún mayores sobre la resistencia a la corrosión por calor y la resistencia a la fluencia de las partes estructurales de la planta de energía .

Se han hecho intentos por incrementar la resistencia a la corrosión en aceros. Por ejemplo, US4876065 y O0190432 describen aceros que están diseñados para uso en ambientes corrosivos en la industria del gas y el petróleo.

Estudios han mostrado además que el acero inoxidable austenítico con alto contenido de o muestra buena resistencia a la corrosión a las altas temperaturas: James R. Keisler, Oak ridge National Laboratory, NACE Corrosión 2010, No 10081.

Sin embargo, estos aceros no muestran la resistencia a la fluencia necesaria para que sean convenientes en plantas de energía de biomasa.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es lograr una aleación austenítica que muestre alta resistencia a la corrosión y alta resistencia a la fluencia. Un objetivo de la presente invención también es lograr un componente para una planta de caldera de vapor que comprenda la aleación inventiva.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la invención, este objetivo se logra a través de una aleación austenitica que comprende (en % de peso) : C: 0.01 - 0.05 Si: 0.05 - 0.80 Mn: 1.5 - 2 Cr: 26 - 34.5 Ni: 30 - 35 Mo: 3 - 4 Cu: 0.5 - 1.5 N: 0.05 - 0.15 V: < 0.15 el equilibrio Fe e impurezas inevitables, caracterizado porque 40<%Ni + 100*%N<50.

La aleación austenitica inventiva tiene buena resistencia a la corrosión por alta temperatura, en particular buena corrosión por el fuego. Al equilibrar las adiciones de níquel y nitrógeno en la aleación de manera que se cumple con la condición de 40 < %Ni + 100*%N < 50, una alta resistencia a la fluencia y a la maleabilidad se logran adicionalmente en la aleación. La buena resistencia a la corrosión por alta temperatura en combinación con la alta resistencia a la fluencia hace que la aleación austenitica inventiva sea muy conveniente como un material para partes estructurales en las calderas de vapor. La aleación inventiva es particularmente útil en plantas de energía de biomasa que operan bajo condiciones corrosivas a altas temperaturas y presiones.

De preferencia, dicha aleación austenítica cumple con el requerimiento: 40 < %Ni + 100*%N < 45. La aleación entonces muestra muy buena resistencia a la fluencia y alta maleabilidad. Esto es conveniente cuando el material es utilizado en calderas de vapor debido a que permite una alta expansión y contracción termoplástica del material durante el inicio y apagado de la caldera. Por lo tanto, el material puede estar sujeto a calentamiento y enfriamiento cíclico sin resquebrajarse.

De preferencia, el contenido de sílice (Si) en la aleación austenítica es 0.3 - 0.55% en peso. De esta manera se logra una muy alta resistencia a la fluencia en la aleación debido a la formación mínima de fase sigma quebradiza y la formación mínima de inclusiones que contienen oxígeno.

De preferencia, el contenido de carbono (C) en dicha aleación austenítica es 0.01 - 0.018% en peso a fin de optimizar la resistencia a la corrosión.

La invención se refiere a un componente para una planta de combustión, de preferencia una planta de energía de biomasa o una caldera de vapor de biomasa que comprende la aleación austenítica inventiva.

Dicho componente puede ser, por ejemplo, un supercalentador o un recalentador o un evaporador, de preferencia una tubería de dicho supercalentador, recalentador o evaporador, y en donde el componente está sujeto a gases de escape y calor elevado cuando está en su posición operativa. Por lo tanto, como una alternativa, la invención puede ser definida como una planta de combustión, de preferencia una planta de energía de biomasa, que comprende una caldera, de preferencia una caldera de vapor de biomasa, que comprende un componente, de preferencia una tubería de supercalentador, una tubería de recalentador, o una tubería de evaporador, acomodada en la caldera y sujeto a gases de escape y calor generado por dicha caldera durante la operación de la misma, en donde dicho componente comprende la aleación de acuerdo con la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La aleación austenítica inventiva comprende los siguientes elementos de aleación: Carbono (C) El carbono es un elemento de estabilización de austenita y por lo tanto debiera ser incluido en la aleación inventiva en una cantidad de al menos 0.01% en peso. El carbono además es importante para incrementar la resistencia a la fluencia del material a través de la formación de carbonitruros. Sin embargo, en la presencia de carbono cromo, el carbono forma carburos de cromo lo cual incrementa el riesgo de corrosión intergranular. Los altos contenidos de carbono además reduce la capacidad de soldadura. Para reducir al mínimo la formación de carburos de cromo y para asegurar una buena capacidad de soldadura, el contenido de carbono no debiera exceder 0.05% en peso. Para inhibir la formación de carburos de cromo aún más, el contenido de carbono de preferencia debiera estar en el rango de 0.01 - 0.018% en peso.

Sílice (Si) El sílice se utiliza como un elemento de desoxidación en la producción de acero. Sin embargo, un alto contenido de sílice es perjudicial para la capacidad de soldadura. A fin de asegurar el bajo contenido de oxígeno en el acero y por lo tanto pocas inclusiones, el contenido de sílice debiera ser al menos 0.05% en peso. Sin embargo el contenido de sílice no debiera exceder 0.08% en peso para asegurar la capacidad de soldadura del acero. Se ha encontrado que cuando el contenido de sílice está en el rango de 0.30 -0.55 % en peso se logra una muy alta resistencia a la fluencia en la aleación inventiva. Se cree que la formación de la fase sigma aumenta cuando el nivel de sílice excede 0.55% en peso. La fase sigma reduce la maleabilidad de la aleación inventiva y, por lo tanto, también la resistencia a la fluencia. Por debajo de 0.30% en peso, la resistencia a la fluencia se reduce debido a la formación incrementada de inclusiones que contiene oxigeno.

Manganeso (Mn) El manganeso, al igual que el Si, es un elemento de desoxidación, y también es efectivo para mejorar la capacidad de trabajo en caliente. El contenido máximo de manganeso necesita ser limitado para controlar la maleabilidad y tenacidad de la aleación inventiva a temperatura ambiente. Por lo tanto, el contenido de manganeso debiera estar en el rango de 1.50 - 2.0% en peso.

Cromo (Cr) El cromo es un elemento efectivo para mejorar la resistencia a la corrosión del lado del fuego y la resistencia a la oxidación por vapor. A fin de lograr una resistencia a la corrosión en caliente suficiente para uso como, por ejemplo, tuberías de caldera en plantas de energía de combustión de biomasa, se necesita un contenido de cromo de al menos 26%. Sin embargo, si el cromo es superior que 34.5%, el contenido de níquel debe ser incrementado aún más debido a que un contenido de Cr superior puede incrementar el riesgo de formación de fases intermetálicas tal como la fase de sigma.

Por lo tanto, el contenido de cromo debiera estar en el intervalo de 26.0% en peso - 34.5% en peso. En el caso de la presente invención, se han obtenido muy buenas propiedades de material con contenido de cromo en el rango de 26.0-29.0% en peso, lo cual entonces será visto como un rango preferido o al menos un rango aún más limitado dentro del cual se logra el efecto técnico de la invención.

Níquel (Ni) El níquel es un elemento esencial para el propósito de asegurar una estructura austenítica estable en la aleación inventiva de manera que se suprime la formación de fases intermetálicas tal como la fase sigma. La fase sigma es una fase intermetálica dura y quebradiza con cromo y molibdeno y es formada a temperaturas elevadas. La fase sigma tiene un impacto negativo de la maleabilidad y elongación del acero. Al estabilizar la fase austenítica en la aleación, se reduce al mínimo la formación de fase sigma. Por lo tanto, el níquel es importante para asegurar una suficiente maleabilidad y elongación del acero. El níquel también tiene un efecto positivo en la resistencia a la corrosión de la aleación inventiva debido a que promueve la formación de una película de óxido de Cr pasiva que suprime aún más el crecimiento de óxido, es decir incrustación. El contenido de níquel debiera ser al menos 30% en peso en la aleación inventiva a fin de asegurar la estabilidad de la estructura, la resistencia a la corrosión y la maleabilidad. Sin embargo, el níquel es un elemento de aleación relativamente costoso y, a fin de mantener costos de producción bajos se debería limitar el contenido del níquel. El níquel disminuye aún más la solubilidad del nitrógeno en la aleación y, por lo tanto, el contenido de níquel no debería exceder el 35% en peso.

Molibdeno (Mo) El molibdeno se incluye en la aleación inventiva para mejorar la resistencia a la corrosión en caliente en el lado del fuego de las tuberías de la caldera. La adición de Mo mejora aún más la resistencia a la corrosión general de la aleación inventiva. Sin embargo, el Mo es un elemento costoso y promueve la precipitación de la fase sigma y, por lo tanto, invita al deterioro de la tenacidad del acero. A fin de asegurar una buena resistencia a la corrosión en caliente en el acero, el contenido de molibdeno debiera ser al menos 3% en peso. El límite superior de molibdeno es 4% en peso para evitar la precipitación de la fase sigma.

Cobre (Cu) La adición de cobre puede mejorar la resistencia a la fluencia por la precipitación de fase rica en cobre, precipitada de manera fina y uniforme en la matriz. Sin embargo, una cantidad excesiva de cobre tiene como resultado una capacidad de trabajo disminuida. Una alta cantidad de cobre también puede conducir a una disminución de la maleabilidad y la tenacidad. Por lo tanto, el contenido de cobre en la aleación inventiva debiera estar en el intervalo de 0.5 - 1.5% en peso. En el caso de la presente invención, se han obtenido resultados particularmente buenos con un contenido de cobre en el rango de 0.8 - 1.2% en peso el cual entonces, al menos por ese motivo, es visto como un rango preferido o al menos un rango más limitado dentro del cual se logra el efecto técnico de la invención.

Nitrógeno (N) El nitrógeno tiene un fuerte efecto de estabilización en la estructura austenitica y, por lo tanto, reduce la formación de la fase sigma. Esto tiene un efecto positivo sobre la maleabilidad del acero. En la aleación inventiva, el efecto principal del nitrógeno es que, junto con el carbono, forma precipitaciones en la forma de carbonitruros . Las pequeñas partículas de carbonitruro generalmente son precipitadas en los límites del grano del acero y detienen las dislocaciones para que no se propaguen dentro de los granos de cristal del acero. Esto incrementa en gran medida la resistencia a la fluencia del acero. El contenido de nitrógeno debiera ser al menos 0.05% en peso en la aleación inventiva para asegurar una estructura austenitica estable y que se forme una cantidad suficiente de carbonitruros . Sin embargo, si hay nitrógeno presente en altas cantidades, podrían aparecer grandes precipitaciones primarias de nitruros lo cual reduce la maleabilidad y tenacidad de la aleación inventiva. Por lo tanto, el contenido de nitrógeno en la aleación inventiva debiera quedar limitado a 0.15% en peso.

Vanadio (V) La adición de vanadio, titanio o niobio contribuye a mejorar la resistencia a la ruptura por fluencia a través de la precipitación de fase MX. Sin embargo, la cantidad excesiva de vanadio puede disminuir la capacidad de soldadura y la capacidad de trabajo en caliente. Por lo tanto, el vanadio podría ser permitido en la aleación inventiva en una cantidad de < 0.15% en peso.

Fósforo (P) y Azufre (S) El fósforo y azufre típicamente están incluidos como impurezas en las materias primas para la aleación inventiva y podría provocar un resquebrajamiento de la soldadura en altas cantidades. Por lo tanto, el azufre no debiera exceder 0.035%. El azufre no debiera exceder 0.005%.

Requerimiento: 40 < %Ni + 100*%N < 50 En la aleación inventiva, el contenido de níquel y el contenido de nitrógeno debieran estar equilibrados para cumplir con el requerimiento: 40 < %Ni + 100*%N < 50. Se ha mostrado que dentro de este intervalo se logra una muy buena resistencia a la fluencia y maleabilidad. Se cree que la buena resistencia a la fluencia es el resultado de un efecto sinergístico del níquel y el nitrógeno. De preferencia, el contenido de níquel y el contenido de nitrógeno debieran estar equilibrados para cumplir con el requerimiento: 40 < %Ni + 100*%N < 45.

Tal como se indicó antes, el nitrógeno forma carbonitruros que promueven la resistencia a la fluencia incrementando la deformación por fluencia en la aleación. Sin embargo, la resistencia a la fluencia es afectada negativamente por cualesquiera fases quebradizas, tal como la fase sigma. La adición de níquel y nitrógeno suprime la formación de la fase sigma en el acero y aumenta así la elongación de la ruptura o la maleabilidad de la aleación. Esto reducirá la concentración de tensión y el posible inicio y propagación de grietas. En consecuencia, esto conduce a un incremento de la resistencia a la fluencia.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra la composición química de las aleaciones .

La figura 2 es un diagrama gue muestra los resultados de las pruebas de fluencia a 600°C de aleaciones inventivas y aleaciones comparativas.

La figura 3 es un diagrama gue muestra los resultados de las pruebas de fluencia a 650°C de aleaciones inventivas y aleaciones comparativas.

EJEMPLO A continuación se describirá la aleación inventiva con referencia a un ejemplo concreto.

Se prepararon diez caldos de acero a través de métodos convencionales de elaboración de acero. La composición del caldo de acero respectivo se muestra en la figura 1. El proceso metalúrgico convencional, de acuerdo con el cual se prepararon los caldos, es de la siguiente forma: Fundido a través del método AOD - laminado en caliente - extrusión - laminado en frío (deformación en frió) -recocido de solución - temple en agua. El material en barra hueco después de la extrusión en caliente entonces fue laminado en frió con una deformación en frió entre 40 a 80%, seguido por un recocido de solución a una temperatura entre 1050 a 1180°C dependiendo de la dimensión. La siguiente tabla 1 muestra los detalles.

Tabla 1 Las aleaciones 1, 7-9 son muestras comparativas y contienen concentraciones relativamente bajas de nitrógeno. Las aleaciones 2, 3 y 10 son muestras comparativas y contienen concentraciones de nitrógeno relativamente altas. Las aleaciones 4-6 son muestras inventivas que cumplen con el requerimiento 40 < %Ni + 100*%N < 50. Las aleaciones 1 y 10 son de bajo contenido de sílice.

Se prepararon las muestras de prueba de cada caldo de acero. Las muestras estuvieron sujetas a prueba de fluencia a fin de determinar sus propiedades de fluencia. La prueba de fluencia fue realizada a dos temperaturas diferentes: 600°C y 650°C, aplicando una tensión constante en cada muestra y determinando el momento de la ruptura y elongación de ruptura de cada muestra. La elongación de ruptura es el incremento de la longitud hasta que la ruptura es expresada como porcentaje de longitud nominal para cada muestra. La tensión aplicada iguala la resistencia a la ruptura por fluencia de la aleación. La resistencia a la ruptura por fluencia es definida como la tensión que, a una temperatura determinada, ocasionará que un material se rompa en un tiempo determinado.

Se realizaron las pruebas de fluencia de acuerdo con métodos de prueba convencionales y se utilizaron modelos matemáticos convencionales para extrapolar los resultados.

La figura 2 muestra la resistencia a la fluencia a 600°C para las aleaciones inventivas 4-6 en comparación con las resistencias a la fluencia de las aleaciones comparativas 1, 7 y 9. La figura 3 muestra la resistencia a la fluencia a 650°C para las aleaciones inventivas 4-6 en comparación con las aleaciones comparativas 1, 8, 9. A partir de las figuras 1 y 2, resulta claro que las aleaciones inventivas, para una tensión de fluencia determinada, muestran un tiempo más prolongado a la ruptura que las aleaciones comparativas.

Algunos otros resultados de la prueba de fluencia se muestran en las tablas 2 y 3.

TABLA 2 Prueba de fluencia a 600°C La tabla 2 muestra el tiempo para la ruptura y la resistencia a la fluencia o tensión aplicada de cada aleación a 600°C. La tabla 2 además muestra la elongación de la ruptura, es decir, el incremento de la longitud hasta que la ruptura es expresada como porcentaje de longitud nominal para cada muestra.

A partir de los resultados de la prueba, se puede concluir que las aleaciones inventivas 4-6 muestran el tiempo más elevado para la ruptura cuando se toma en consideración la magnitud de la resistencia a la fluencia, es decir, tensión aplicada. La aleación 4 muestra un valor pico de 117561 horas a una tensión aplicada de 160 MPa . Las aleaciones 4-6 además muestran una elongación de ruptura muy elevada .

Los altos resultados en el tiempo para la ruptura en las aleaciones 4-6 se cree que dependen de un efecto sinergístico de adición de nitrógeno y níquel. La adición de nitrógeno incrementa el tiempo para la ruptura mediante el fortalecimiento de la solución intersticial y también mediante el fortalecimiento de la precipitación por la formación de carbonitruros . Los carbonitruros pequeños densos que son precipitados en el material de manera efectiva bloquean el movimiento de dislocación a través de los granos del material de aleación y, por lo tanto, aumentan la resistencia a la deformación. La adición de níquel, y también de nitrógeno, suprime la formación de la fase intermetálica, tal como la fase sigma, que afecta la maleabilidad de manera negativa y por lo tanto mejora la maleabilidad del material. La maleabilidad mejorada reduce la concentración de tensión, el inicio de las grietas y la propagación de las grietas. El efecto sinergístico de estas propiedades tiene como resultado una resistencia a la fluencia muy alta.

La alta maleabilidad que es expresada como elongación de ruptura en las tablas 2 y 3, además es conveniente cuando el material es utilizado en calderas de vapor debido a que permite una alta expansión y contracción termoplásticos del material durante el inicio y apagado de la caldera. Por lo tanto, el material puede ser sometido a calentamiento y enfriamiento cíclico sin agrietamiento.

Las aleaciones comparativas 1-3, 9 y 10 tienen una elongación de ruptura comparativamente alta, ver por ejemplo, las aleaciones comparativas 2 y 3 que muestran una elongación de ruptura de 71% y 72% respectivamente. Sin embargo, estas aleaciones muestran un tiempo a la ruptura más corto, que las aleaciones inventivas. Se cree que el tiempo a la ruptura más corto en las aleaciones 1-3, 9 y 10 se debe al hecho de que estas aleaciones contienen cantidades relativamente pequeñas de nitrógeno. El bajo contenido de nitrógeno tiene como resultado que se precipiten menos carbonitruros en estos materiales que en las aleaciones inventivas. Debido a que las aleaciones 1-3, 9 y 10 comprenden pocos carbonitruros, las dislocaciones se pueden mover más fácilmente a través de estos materiales. Esto a su vez ocasiona una velocidad de deformación superior en el material, es decir, el material se deforma más rápido.

Las aleaciones comparativas 7 y 8 muestran una resistencia a la fluencia más bien alta, expresada como un tiempo más largo a la ruptura a una tensión aplicada determinada. Sin embargo, se debiera observar que el tiempo más largo a la ruptura para estas aleaciones fue determinado a una tensión inferior, es decir, 150 MPa, que las aleaciones inventivas que fueron evaluadas a una tensión de 160 MPa. Por lo tanto, el tiempo a la ruptura de las aleaciones comparativas 7 y 8 es menor que el tiempo a la ruptura de las aleaciones inventivas 4 y 6. El bajo tiempo a la ruptura de las aleaciones 7 y 8 se cree que es causado por la fragilidad inducida por los precipitados de fase intermetálica. Tal como se muestra en la tabla 2 , las aleaciones 7 y 8 tienen una elongación de ruptura de simplemente el 38% y 46% respectivamente.

La tabla 3 muestra el resultado de la prueba a la fluencia a algunas cargas aplicadas a una temperatura de 650°C.

TABLA 3 Prueba de fluencia a 650°C La tabla 3 muestra que las aleaciones inventivas 4-6 tienen mejores propiedades de fluencia expresadas como tiempo a la ruptura, resistencia a la fluencia y elongación de la ruptura que las aleaciones comparativas. La maleabilidad para todas las aleaciones, es decir, la elongación de la ruptura es inferior a 650°C en comparación a la maleabilidad a 600 °C. La reducción en la maleabilidad es causada por el hecho de que más precipitaciones son formadas a temperaturas superiores y por el crecimiento del grano más rápido a temperatura superior.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Una aleación austenitica que comprende (en % en peso) : C: 0.01 - 0.05 Si: 0.05 - 0.80 Mn: 1.5 - 2 Cr: 26 - 34.5 Ni: 30 - 35 Mo: 3 - 4 Cu: 0.5 - 1.5 N: 0.05 - 0.15 V: < 0.15 el equilibrio Fe e impurezas inevitables, caracterizada porque 40<%Ni + 100*%N<50.

2. La aleación austenitica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque 40<%Ni + 100*%N<45.

3. La aleación austenitica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones, caracterizada porque Si: 0.3 - 0.55.

4. La aleación austenitica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones, caracterizada porque C: 0.01 - 0.018.

5. Un componente para una planta de combustión caracterizado porque dicho componente comprende una aleación austenitica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

6. El componente para una planta de combustión de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho componente es un supercalentador o un recalentador o un evaporador.