RU2049138C1

RU2049138C1 - Heat-resistant alloy

Info

Publication number: RU2049138C1
Application number: RU94019640A
Authority: RU
Inventors: А.М. Байдуганов; Д.М. Гурков; Ю.С. Медведев; В.Ф. Ощепков
Original assignee: Байдуганов Александр Меркурьевич
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1995-11-27
Also published as: RU94019640A

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: heat-resistant alloy has components at the following ratio, wt. -% carbon 0.20-0.45; silicon 1.0-2.5; manganese 0.8-1.5; chrome 23-27; nickel 18-22; sulfur 0.03, not above; phosphorus 0.03, not above, and iron the rest. EFFECT: enhanced quality of alloy. 3 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к использованию в качестве сплавов для изготовления жаропрочных реакционных труб установок производства этилена, водорода, аммиака и др. с рабочими режимами при 700-1100^оС и давлением до 46 атм.The invention relates to metallurgy, in particular for use as heat resistant alloys for the manufacture of reaction tubes ethylene production plants, hydrogen, ammonia and others. With operating modes at 700-1100 ^{° C} and pressures up to 46 atm.

В качестве прототипа выбран сплав, содержащий, хром 37-40; железо 9-12; углерод не более 0,08; кремний не более 0,4; марганец не более 0,5; сера не более 0,01; фосфор не более 0,01; никель остальное. As a prototype of the selected alloy containing chromium 37-40; iron 9-12; carbon no more than 0.08; silicon not more than 0.4; manganese not more than 0.5; sulfur not more than 0.01; phosphorus no more than 0.01; nickel rest.

Срок службы центробежнолитых труб из стали прототипа в печах пиролиза составляет 8000-24000 ч и основной причиной выхода из строя является их разрушение из-за объемно-структурных напряжений, возникающих в стенке трубы в процессе насыщения металла углеродом. Таким образом, основным фактором, определяющим срок службы труб в печах пиролиза мощных установок, является сопротивляемость науглероживанию металла этих труб. The service life of centrifugally cast steel pipes of the prototype in pyrolysis furnaces is 8000-24000 h and the main reason for failure is their destruction due to volumetric-structural stresses arising in the pipe wall in the process of metal saturation with carbon. Thus, the main factor determining the service life of pipes in the pyrolysis furnaces of powerful plants is the resistance to carburization of the metal of these pipes.

Предлагаемый сплав имеет относительно низкую сопротивляемость науглероживанию. Увеличение содержания кремния в стали до 2,5% дает значительный эффект повышения стойкости стали в углеводородистой среде за счет уменьшения диффузионных процессов на стадиях адсорбции и абсорбции. The proposed alloy has a relatively low resistance to carburization. An increase in the silicon content in steel up to 2.5% gives a significant effect of increasing the stability of steel in a hydrocarbon medium due to a decrease in diffusion processes at the stages of adsorption and absorption.

Технический результат заключается в повышении долговечности труб из сплава с оптимальным содержанием в нем компонентов и за счет повышения его сопротивляемости науглероживанию. The technical result consists in increasing the durability of pipes made of alloy with an optimal content of components in it and by increasing its resistance to carbonization.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав содержит, углерод 0,20-0,45; кремний 1,00-2,50; марганец 0,8-1,5; хром 23,0-27,0; никель 18,0-22,0; сера не более 0,03; фосфор не более 0,03; железо остальное. The technical result is achieved in that the heat-resistant alloy contains carbon 0.20-0.45; silicon 1.00-2.50; manganese 0.8-1.5; chromium 23.0-27.0; nickel 18.0-22.0; sulfur not more than 0.03; phosphorus no more than 0.03; iron the rest.

Содержание в сплаве меди не должно превышать 0,20% молибдена 0,50% свинка, олова, мышьяка и цинка в сплаве не более 0,01% каждого. The content in the copper alloy should not exceed 0.20% molybdenum 0.50% mumps, tin, arsenic and zinc in the alloy not more than 0.01% each.

Исследования по науглероживанию проводились на цилиндрических образцах из данного сплава диаметром 10 мм и длиной 50 мм с чистотой поверхности R_z 80. Испытания проводились при максимальной рабочей температуре труб в печах пиролиза мощных установок получения этилена равной 1060^оС в течение 48-50 ч. После двух циклов (≈100 ч) образцы подвергали очистке от сажи, промывке и взвешиванию. Кинетику науглероживания оценивали по изменению массы образцов в зависимости от времени насыщения, а склонность стали к науглероживанию по глубине науглероженного слоя и максимальной концентрации углерода в нем после различной продолжительности насыщения.Studies by carburization conducted on cylindrical specimens of this alloy with a diameter of 10 mm and a length of 50 mm with a surface roughness R _z 80. Tests were conducted at the maximum operating temperature of the pyrolysis tubes in furnaces for producing ethylene powerful units equal to 1060 ^C for 48-50 h. two cycles (≈100 h), the samples were subjected to cleaning from soot, washing and weighing. The carburization kinetics was evaluated by the change in the mass of the samples depending on the saturation time, and the tendency to carburize by the depth of the carburized layer and the maximum carbon concentration in it after different durations of saturation.

Результаты металлографического исследования образцов после науглероживания при 1060^оС в течение 1000 ч следующие:
Увеличение массы, кг/см² +56,2
Глубина окисления, мм 0,2-0,3
Глубина обезуглеро- живания, мм 0,2-0,23
Глубина науглерожи- вания, мм 2,5-3,0
Изменение содержания углерода в слое исследуемой стали после науглероживания ее в течение 1000 ч при 1000^оС приведены в табл. 1.The results of metallographic examination of samples after carburizing at 1060 ^{° C} for 1000 hours as follows:
The increase in mass, kg / cm ² +56.2
Depth of oxidation, mm 0.2-0.3
Depth of decarburization, mm 0.2-0.23
Carburization Depth, mm 2.5-3.0
Changing carbon content in the layer examined steel after carburizing it for 1000 hours at 1000 ^{° C} are shown in Table. 1.

Результаты металлографического исследования образцов и химического анализа показали, что сталь из предлагаемого сплава имеет высокую сопротивляемость науглероживанию за счет повышения в этом сплаве содержания кремния. The results of metallographic studies of samples and chemical analysis showed that the steel of the proposed alloy has a high resistance to carburization due to an increase in the silicon content in this alloy.

Предлагаемый сплав содержит следующие элементы, Углерод 0,20-0,45 Кремний 1,00-2,50 Марганец 0,8-1,5 Хром 23-27 Никель 18-22 Сера Не более 0,03 Фосфор Не более 0,03
Механические свойства предлагаемого сплава следующие:
Предел прочности σ_в, кгс/мм² 45
Предел прочности σ_0,2, кгс/мм² 25
Относительное удлинение δ₅, 10
Относительное сужение Ψ, 10
Сравнение данных по механическим свойствам показывает, что предлагаемый сплав не уступает известному сплаву и находится на уровне импортных аналогов.The proposed alloy contains the following elements, Carbon 0.20-0.45 Silicon 1.00-2.50 Manganese 0.8-1.5 Chromium 23-27 Nickel 18-22 Sulfur Not more than 0.03 Phosphorus Not more than 0.03
The mechanical properties of the proposed alloy are as follows:
Tensile strength σ _in , kgf / mm ² 45
Tensile strength σ _0.2 , kgf / mm ² 25
Elongation δ ₅ , 10
Relative narrowing Ψ, 10
Comparison of data on mechanical properties shows that the proposed alloy is not inferior to the known alloy and is at the level of imported analogues.

В табл. 2 приведены механические свойства исследуемого металла при 20; 200-1100^оС методом кратковременного разрыва переднего конца трубы.In the table. 2 shows the mechanical properties of the studied metal at 20; 200-1100 ^о С by the method of short-term rupture of the front end of the pipe.

С повышением температуры испытаний до 1100^оС наблюдается уменьшение значений пределов текучести и увеличение пластичности исследуемой трубы, что является характерным для металла центробежных труб из жаропрочных сталей.With increasing test temperature to 1100 ^{° C} a decrease of the yield limit values and increase ductility test pipe, which is typical for metal centrifugal tubes of heat-resistant steels.

Результаты исследования влияния длительного нагрева на структуру и свойства металла труб представлены на фиг. 1-3 и в табл. 3. The results of the study of the effect of prolonged heating on the structure and properties of the pipe metal are presented in FIG. 1-3 and in table. 3.

На фиг. 1 представлена фотография микроструктуры металла в исходном состоянии; на фиг. 2 то же, после старения металла при 800^оС в течение 24 ч; на фиг. 3 то же, после старения металла при 900^оС в течение 24 ч.In FIG. 1 is a photograph of a microstructure of a metal in its initial state; in FIG. 2 the same, after aging of the metal at 800 ^about C for 24 hours; in FIG. 3 the same, after aging the metal at 900 ^about C for 24 hours

Результаты показывают, что кратковременное старение (24 ч) приводит к небольшому уменьшению относительного удлинения и возрастанию прочностных характеристик при 20^оС. С увеличением продолжительности старения до 1000 ч значения механических свойств изменяются мало.The results show that short-term aging (24 hours) leads to a small decrease in elongation and increases the strength characteristics at 20 ° ^C. With the increasing aging up to 1000 hours duration values of the mechanical properties vary little.

Испытания образцов при температуре старения 800 и 900^оС выявило понижение прочностных характеристик (σ_в, σ_0,2) и повышение пластических характеристик ( δ₅, Ψ).Test samples at aging temperature 800 and 900 ^{° C} showed a decrease in strength characteristics (σ _in, σ _0,2) and raising plastic characteristics (δ _5, Ψ).

Падение пластичности в результате длительного нагрева связано с выпадением карбидов по границам и объему зерна. The decrease in ductility as a result of prolonged heating is associated with the precipitation of carbides along the boundaries and volume of grain.

После 24 ч старения при 800^оС в металле трубы из данного сплава наблюдается небольшое выпадение карбидов вблизи участков карбидных эвтектик.After 24 hours of aging ^at 800 ° C in the metal pipe of the alloy carbides there is a slight loss of near eutectic carbide portions.

С увеличением выдержки при 900^оС имеет место некоторая коагуляция карбидов.With increasing exposure at 900 ^{° C} there is a certain coagulation of carbides.

Исходя из этого можно сказать, что металл исследуемой трубы при 900^оС старится мало, при этом механические свойства и структура изменяются незначительно.From this it can be said that the metal test pipe at 900 ^{° C} grows old enough, the mechanical properties and structure vary slightly.

Одним из основных факторов, определяющим работоспособность труб при высоких температурах является жаропрочность, которая определяется испытанием на длительный разрыв при 950^оС и различных напряжениях. В результате исследований получено, что предел длительной прочности за 10000 ч равен 2 кгс/мм² и приблизительный предел длительной прочности за 100000 ч 1,2 кгс/мм².One of the main factors determining the efficiency of the tubes at high temperatures, is the heat resistance of which is determined by a test on a long gap at 950 ^{° C} and various voltages. As a result of studies, it was found that the ultimate strength for 10,000 hours is 2 kgf / mm ² and the approximate ultimate strength for 100,000 h is 1.2 kgf / mm ² .

Таким образом, исследование металла из данного сплава показало, что по структуре и механическим свойствам отечественная труба соответствует требованиям ТУ, находится на уровне импортных аналогов. Thus, the study of metal from this alloy showed that in terms of structure and mechanical properties, the domestic pipe meets the requirements of technical specifications and is at the level of imported analogues.

Claims

HEAT-RESISTANT ALLOY containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, sulfur, phosphorus and iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.

Carbon 0.20 0.45
Silicon 1.00 2.50
Manganese 0.80 1.50
Chrome 23.0 27.0
Nickel 18.0 22.0
Sulfur Not more than 0.03
Phosphorus Not more than 0.03
Iron Else