SE508595C2 - Användning av en ferritisk Fe-Cr-Al-legering vid framställning av kompoundrör, samt kompoundrör och användning av röret - Google Patents

Description

508 595 10 15 20 25 30 2 nickelbaslegeringar eller rostfria stål. Dessa material har dock begränsad beständighet mot metal dusting, vilket medför förkortad livslängd eller gör att för utbytet ej optimala processparametrar måste användas vid ångreformeringen. Nickelbaslegeringarna är vidare pga högt legeringsinnehåll och krävande tillverkningsprocesser mycket dyra.

Ett första syfte med föreliggande uppfinning är således att få fram en mer beständig produkt till lägre kostnad än nuvarande lösning.Detta syfte har ernåtts genom att använda legeringar enligt krav l vid tillverkning av kompoundrör.

Tillverkning av kompoundröret görs så att de två olika komponenterna tillverkas på konventionellt sätt till stång. Stängerna borras och svarvas med nogrannan toleranskrav och sätts ihop till ett strängsprutningsämne. Vanligtvis utgör det korrosionsskyddande ferritiska järn-krom-aluminium-legerade materialet mellan 20-50% av den totala väggtjockleken. Ämnet uppvärms till en temperatur mellan 900 och l200°C och strängsprutas till rör. De strängsprutade rören svalnar i luft för nu minimera krokighet pga termiska spänningar som uppkommer vid svalningen. Om nödvändigt följer kallbearbetningsoperationer (kallvalsning) till färdig dimension. Under strängsprutningsoperationen uppstår den metallurgiska bindningen. Denna. liksom de båda komponenternas skikttjocklek, vidimeras genom en kontroll av den färdiga produkten i leveranstillstånd.

Föreliggande uppfinning baserar sig på upptäckten att det är möjligt, att medelst optimering av processparametrar vid strängsprutningen utnyttja ett ferritiskt järn-krom-aluminium-legerat material med mycket god beständighet mot metal dusting, genom att använda det som ut eller invändig komponent i ett sk kompoundrör, vilka uppfyller de krav som ställs på konstruktionsmaterial avsedda att användas som bajonettuber samt överhettar- och reformerrör i 10 508 595 3 ângreformeringsanläggningar. De krav som måste tillgodoses är bra motstånd mot metal dusting, oxidationsbeständighet, tillräckliga mekaniska egenskaper (hållfasthet) och strukturstabilitet. Det ferritiska järn-krom-aluminium-legerade stålet är i sig förut känt genom exempelvis Stahl och Thomsen: Survey of Worldwide Experience with Metal Dusting, presenterat vid AIChE:s symposium om säkerhet vid ammoniak, Tucson, Arizona, 18-20 september 1995.

Vid provningar i laboratorieskala samt i produktionsanläggningar har den ferritiska järn-krom-aluminium-legeringen visat sig överlägsen de material som idag normalt används i ångreformerings-anläggningar.

Uppfinningen omfattar användningen av en järn-krom-aluminium- legering med ferritisk struktur och innehållande, i vikt-%: NIVÅ' 1 2 3 kol <0.05 <0.l0 <0.3 krom 15-25 5-30 nickel <2 <5 mangan <2 <5 molybden <2 <5 aluminium 3-7 3-12 3-20 kisel <2 <5 kväve <0.05 <0.l0 <0.3 Ce + La 0.00-0.5 0.00-l.0 + Hf + Y 2 titan 0.005-0.3 0,005-l,0 0.000-l.0 zirkonium 0.005-0.5 0,005-1.0 0.000-l.0 vanadin 0.005l-0.5 0,005-l,0 0.000-l.0 niob 0.005]-0.5 0.005-l,O 0.000-l.0 järn rest (förutom sedvanliga föroreningar) 508 595 10 15 20 30 ' Nivå s: lämplig han Nivå 2: föredragen halt Nivå l: särskilt föredragen halt 2 Tillsatsen är valfri och kan göras i form av ett eller flera av elementen. Halten avser total halt av dessa element.

Legeringen ovan skall utgöra den för korrosion genom metal dusting (samt uppkolning) utsatta komponenten i ett genom samsträngsprutning tillverkat kompoundrör, där den andra, lastbärande. komponenten består av ett lägre legerat kolstål, s.k. 942% kromstål, ett konventionellt rostfritt stål eller en nickelbaslegering. Vilken av komponenterna som är ytter- respektive innerkomponent beror på om processgasen strömmar på in- eller utsidan av röret.

De miljöer där metal dusting och uppkolning uppkommer karakteriseras av en hög kolaktivitet och relativt lågt syrepartialtryck i processgasen, samt en temperatur på normalt 450-900°C. För att ett metalliskt material skall vara beständigt mot denna typ av korrosionsangrepp krävs att det har en god förmåga att bilda en skyddande oxid på ytan. Avgörande för denna förmåga är i huvudsak materialets halt av det oxidbildande ämnet samt materialets mikrostruktur. På grund av den relativt låga syrehalten i gasen. kan i praktiken endast tre typer av skyddande oxider bildas i den aktuella miljön: aluminiumoxid, kromoxid och kiseloxid. Legering av stål eller nickelbaslegeringar med aluminium eller kisel för att gynna bildning av dessa typer av oxider medför försämrad duktilitet hos legeringen. vilket gör att tillverkningen blir mycket svår. Diffusionen av det oxidbildande ämnet till ytan är kritisk, varför det i det aktuella temperaturområdet är en förutsättning att legeringen har en mikrostruktur med ferritisk grundmassa. l0 15 20 25 30 508 595 5 Det ferritiska järn-krom-aluminium-legerade material som uppfinningen avser har å andra sidan mycket låg hållfasthet vid höga temperaturer och kan dessutom försprödas under drift genom s.k. 475- gradersförsprödning. Detta gör att det ej lämpar sig för användning i tillämpningar som arbetar under mekanisk påkänning. Den låga hållfastheten gör vidare att det lätt deformeras genom krypning, vilket är negativt bl.a. för skyddet mot metal dusting eftersom den skyddande oxiden då lätt bryts upp. Dvs, det feirritiska järn-krom-aluminium- legerade materialet kan som sådant inte användas som bajonettuber, överhettar- och reformerrör i ångreformeringsanläggningar.

Genom att i form av ett kompoundrör sammanfoga det korrosionsbeständiga ferritiska järn-krom-aluminium-legerade materialet , som vanligtvis utgör 20-50 % av den totala väggtjockleken, med en legering med hög hållfasthet, så att det jârn-krom-aluminium- legerade materialet exponeras mot den korrosiva processgasen, erhålls en produkt som klarar både kravet på beständighet mot metal dusting och mekanisk (varm-)hållfasthet. Rören kan ha en ytterdiameter på 15- 200 mm och en total väggtjocklek på 2-20 mm, Valet av lastbärande komponent, dvs den komponent på vilken det ferritiska järn-krom-aluminium-legerade korrosionsskyddsstålet skall anbringas, beror på arbetstemperatur och mekanisk påkänning för komponenten. Förutom krav på hållfasthet ställs krav på den lastbärande komponentens beständighet mot oxidation i förbränningsgaser eller vattenånga. Generellt kan sägas att oxidationsegenskaperna blir mer avgörande ju högre arbetstemperatur komponenten skall användas vid. Vanligen uppnås oxidationsbeständighet genom legering med krom. Lämpliga legeringar för lastbäraren är därför vid högre (T 2 550°C) temperatur, austenitiska rostfria stål eller Ni-Cr-legeringar. Vid lägre temperatur (T S 550°C) kan lägre legerade stål, s.k. 9-l2% kromstål, vara lämpliga som lastbärare. 508 595 10 15 IQ ut 30 6 Exempel på lämplig lastbärare för denna typ av kompoundrör, som skall användas vid temperaturer över 600°C, är Alloy SOOH (Fe-BÛNi-20Cr-0.4Al-0.4Ti). Den karakteriseras av god kryphållfasthet och strukturstabilitet, vilket gör den lämplig för användning i trycksatta applikationer. Vidare har den en god oxidationsbeständighet som gör att den motstår angrepp från exempelvis förbränningsgaser.

Exempel på lämplig lastbärare för den typ av kompoundrör, som skall användas vid temperaturer under 600°C, är legeringen 58142203 (Fe-0,l5C-9Cr-lMo). Den karakteriseras av god varmhållfasthet och är godkänd för användning i trycksatta applikationer. Vidare har den en god oxidationsbeständighet som gör att den motstår angrepp från exempelvis förbränningsgaser vid den aktuella temperaturen.

Nedan följer en kort redogörelse för varje ingående grundämnes inverkan på den slutliga stållegeringen. Grundämnenas inverkan avgör naturligtvis önskade min.- och max.-halter enligt nivåöversikten ovan.

C : alltför hög kolhalt har negativ inverkan på den lastbärarande komponenten. Under drift diffunderar kolet in i denna och ger en försämrad duktilitet (sprödhet) N: alltför hög kvävehalt har negativ inverkan på den lastbärarande komponenten. Under drift diffunderar kvävet in i denna och ger en försämrad duktilitet (sprödhet). Vidare bildare kväve nitrider tillsammans med aluminium, vilket ger mindre mängd aluminium tillgängligt för oxidbildning.

Cr: Kromhalten bör vara >lO% för att kunna bidra till s.k. selektiv oxidation av aluminium. Alltför höga kromhalter medför stora bearbetningsproblem. 10 15 20 30 508 595 7 Al: Mer än 3% aluminium krävs för att en heltäckande aluminiumoxid skall kunna bildas på materialet. Alltför höga aluminiumhalter medför bearbetningsproblem (sprödhet).

Ni: nickel är austenitstabiliserande, dvs vid för höga halter blir inte grundmassan längre ferritisk, vilket är en förutsättning för att ett skyddande oxidskikt skall bildas. Vidare är Ni ett dyrt ett legeringsämne och bör därför hållas lågt.

Mo: höga halter av Mo kan ge upphov till bildning av en smält oxid vid höga temperaturer, vilket nedsätter materialets metal dusting-beständighet. Mo är dessutom dyrt.

Mn: är liksom: nickel austenitstabiliserande, dvs vid för höga halter blir inte grundmassan längre ferritisk, vilket är en förutsättning för att ett skyddande oxidskikt skall bildas.

Si: . Alltför höga kiselhalter verkar försprödande och medför stora bearbetningsproblem.

Ce, La, Hf, Y: Dessa s.k. sällsynta jordartsmetaller bidrar till att förbättra det bildade oxidskiktets vidhäftning till metallytan och till att sänka oxidens tillväxthastighet, vilket eftersträvas. I höga halter är de skadliga eftersom de försämrar varmduktiliteten (varmbearbetningsegenskaperna).

Ti, Zr, Nb, V: Förbättrar duktiliteten genom att skilja ut stabila karbider och nitrider, vilket ger en finkornigare struktur och därmed bättre duktilitet. I höga halter verkar de försprödande och försämrar också materialets oxidationsegenskaper.

Exempel 1 En stålsmälta med sammansättning A enligt tabell 1 tillverkades på konventionellt vis genom smältning av skrot i ljusbågsugn, raffinering och färskning i AOD-konverter och stränggjutning till formatet 265x365 mm. Det stränggjutna ämnet varmvalsades sedan till rundstång av format ø87 mm. Ur denna stång 508 595 10 l5 20 25 30 8 kapades ett 250 mm långt ämne, i vilket ett ø60 mm genomgående hål borrades.

En stålsmälta med sammansättning B, vilken är avsedd för den lastbärande komponenten, enligt tabell 1, tillverkades på samma sätt som smälta A, men varmvalsades i stället till rundstång av format 960 mm. Ur denna stång kapades en 250 mm långt ämne i vilken ett ø20mm genomgående hål borrades.

De två kutsarna sammanfogades genom att ämnet från smälta B placerades inuti ämnet från smälta A, varefter de två komponenterna samsträngsprutades vid l100°C till ett rör med ytterdiameter ø30mm och väggtjocklek 5 mm. Det på detta vis erhållna röret har en inner- och ytterkomponent med vardera tjocklek på 2.5 mm Att metallurgisk bindning erhållits undersöktes med metallmikroskop Genom bockning kontrollerades att hållfastheten i bindzonen var gud vilket bekräftar att metallurgisk bindning erhållits.

T lll Charge: A B C 0,01 l 0,067 Si 0,14 0,59 Mn 0,37 0,55 Cr 20,55 20,70 Ni 0,24 30,77 Mo 0,02 0,03 Al 5,4 0,49 Ti 0,006 0,49 Zr 0,005 - N 0,010 0,016 V 0,03 0,05 Nb 0,01 0,01 Ce 0,013 - La 0,005 - 508 595 De enligt uppfinningen producerade kompoundrören har en hittills oupnådd beständighet mot metal dusting, med lång funktionsduglig livslängd.

Claims (3)

10 15 20 30 508 595 10

1. PATENTKRAV l. Användning av en jäm-krom-aluminiurn-legering med ferritisk struktur vid framställning av kompoundrör innefattande dels ett skikt av nämnda järn-krom- aluminium-legering, dels ett skikt av en lastbärande komponent, samt eventuellt flera skikt, varvid nämnda järn-krom-aluminium-legering innefattar i vikt-%: < 0,3 kol, 5-30 krom, < 10 nickel, < 5 mangan, < 5 molybden, 3-20 aluminium, <5hæL < 0,3 kväve, < 1,0 cerium + lantan + hafnium + yttrium, 0,000-1 ,0 titan, 0,000-l,O zirkonium, 0,000-1,0 vanadin, 0,000-1,0 niob, samt resten järn, förutom naturligt förekommande föroreningar.

2. Användning enligt krav 1, varvid kromhalten är 15-25 vikt-%. 3. Användning enligt krav l eller 2, varvid nickelhalten är < 5 vikt-%. 4. Användning enligt krav l-3, varvid aluminiumhalten är 3-7 vikt-%. 5. Användning enligt något av föregående krav, varvid kiselhalten är < 2 vikt-%. 6. Användning enligt något av Föregående krav, varvid Ce + La + Hf + Y är < 0,5 vikt-%. 10 15 20 25 30 508 595 11 7. Användning enligt något av föregående krav, varvid Ce + La + Hf + Y är mellan 0,01 och 0,5 vikt-%. 8. Kompoundrör innefattande åtminstone ett skikt av en järn-krom-aluminium-legering, åtminstone ett skikt av en lastbärande komponent, samt eventuellt något eller några ytterligare skikt, kännetecknar därav, att järn-krom-aluminium-legeringen har följande sanimansättning i vikt-%: < 0,3 kol, 5-30 krom, < 10 nickel, < 5 mangan, < 5 molybden,

3. -20 aluminium, < 5 kisel, < 0,3 kväve, < 1,0 cerium + lantan + hafnium + yttrium, 0,000-1,0 titan, 0,000-1,0 zirkonium, 0,000-1,0 vanadin, 0,000-1,0 niob, samt resten jäm, förutom naturligt förekommande föroreningar. 9. Kompoundrör enligt krav 8, vari rörets ytterdiameter är mellan 15 och 200 mm och har en sammanlagd väggtjocklek på mellan 2 och 20 mm. 10. Kompoundrör enligt krav 8 eller 9, vari nämnda skikt av jäm-krom-aluminium- legeringen utgör 20-50% av den totala väggtjockleken. 1 1. Användning av kompoundrör enligt krav 8-10 såsom bajonettuber samt överhettar- och reforrnerrör vid ångreforrnering.