WO2019088075A1 - 耐熱合金及び反応管 - Google Patents

耐熱合金及び反応管 Download PDF

Info

Publication number
WO2019088075A1
WO2019088075A1 PCT/JP2018/040264 JP2018040264W WO2019088075A1 WO 2019088075 A1 WO2019088075 A1 WO 2019088075A1 JP 2018040264 W JP2018040264 W JP 2018040264W WO 2019088075 A1 WO2019088075 A1 WO 2019088075A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
resistant alloy
reaction tube
rem
test
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/040264
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
国秀 橋本
暢平 遠城
Original Assignee
株式会社クボタ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2018082803A external-priority patent/JP6422608B1/ja
Application filed by 株式会社クボタ filed Critical 株式会社クボタ
Priority to CN202311671344.0A priority Critical patent/CN117626130A/zh
Priority to KR1020197015536A priority patent/KR102303628B1/ko
Priority to MYPI2019003119A priority patent/MY185571A/en
Priority to EP18873730.8A priority patent/EP3683325A4/en
Priority to CA3049514A priority patent/CA3049514C/en
Priority to CN201880004729.2A priority patent/CN110023526A/zh
Priority to US16/464,807 priority patent/US11136655B2/en
Publication of WO2019088075A1 publication Critical patent/WO2019088075A1/ja

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C30/00Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese

Definitions

  • the present invention relates to a heat-resistant alloy used for a reaction tube or the like that generates hydrocarbon gas, and more specifically to a heat-resistant alloy that can preferably form an Al oxide layer on the surface.
  • Olefins such as ethylene and propylene, and styrenic hydrocarbons such as styrene monomer, in a thermal decomposition apparatus, hydrocarbon raw material gas and steam fluid are caused to flow through a reaction tube heated from the outside, so that the raw material fluid is in the reaction temperature range It is produced by heating and pyrolysis.
  • reaction tube Since the reaction tube is exposed to a high temperature atmosphere and is susceptible to the effects of oxidation, carburization, nitriding and the like due to the flowing source gas, etc., excellent resistance to these is required. For this reason, an austenitic heat-resistant alloy excellent in high temperature strength is used for the reaction tube.
  • a metal oxide layer is formed on the surface during use in a high temperature atmosphere, and this oxide layer serves as a barrier to protect the base material in the high temperature atmosphere.
  • Cr in the matrix is oxidized as these metal oxides to form Cr oxides (mainly composed of Cr 2 O 3 )
  • the Cr oxides have low density, so oxygen or carbon
  • the penetration prevention function is not sufficient, and internal oxidation may occur in a high temperature atmosphere, and the oxide layer may be enlarged.
  • Cr oxide is easily peeled off in repeated cycles of heating and cooling, and even if it does not reach peeling, the function of preventing the infiltration of oxygen and carbon from the external atmosphere is insufficient, so it passes through the oxide layer.
  • the reaction tube when the Al content in the reaction tube is increased, the ductility of the material is deteriorated to cause a decrease in high temperature strength.
  • the reaction tube sometimes takes a long length by welding a plurality of tube bodies, but when the content of Al increases, the weldability of the tube bodies decreases, which may cause weld cracking. is there.
  • the object of the present invention is to provide a heat-resistant alloy and a reaction tube which are excellent in oxidation resistance, mechanical properties such as tensile ductility, and weldability.
  • REM Rare earth element
  • the heat-resistant alloy of the present invention is further At mass%, It contains at least one selected from the group of more than W: 0% and not more than 1.0%, and Mo: more than 0% and not more than 0.5%.
  • the heat-resistant alloy of the present invention is It is desirable that an Al oxide layer be formed on the surface.
  • the heat-resistant alloy of the present invention is It can be a centrifugal force cast body.
  • the heat-resistant alloy of the present invention is Use in a high temperature atmosphere of 500 ° C. to 1150 ° C. is preferred.
  • the reaction tube of the present invention is It has a tube main body which consists of a heat-resistant alloy of the above-mentioned composition.
  • reaction tube of the present invention is The pipe bodies are connected by welding.
  • the heat-resistant alloy according to the present invention can form Al oxide in preference to Cr, thereby suppressing formation of Cr oxide. Therefore, problems such as peeling of the Cr oxide can be suppressed.
  • the amount of Al added is as low as 1.5% to 4.5%, the decrease in mechanical properties can be suppressed.
  • the heat-resistant alloy of the present invention is excellent in weldability because the amount of addition of Al is low, the occurrence of weld cracking and the like can be suppressed even when welding heat-resistant alloys.
  • the tube body produced by the heat-resistant alloy of the present invention is excellent in oxidation resistance and weldability, so that the reaction tube produced by welding the tube bodies has a high temperature of 500 ° C. to 1100 ° C. It is extremely suitable as a reaction tube for producing olefinic and styrenic hydrocarbons under environmental conditions.
  • FIG. 1 is a graph showing the results of regression analysis of a test piece based on weldability, with the Pa value as the vertical axis and the Al content as the horizontal axis.
  • FIG. 2 is explanatory drawing which shows the criterion of a crack and a point-like defect used for determination of a bead crack test.
  • the heat-resistant alloy of the present invention is formed into a tubular shape to form a tube body, and the tube bodies can be welded to be used as a reaction tube.
  • a hydrocarbon gas raw material or the like flows through the inside of the reaction tube, and the reaction tube is heated from the outside, and can be used for the production of olefins such as ethylene and hydrocarbons such as styrene.
  • C 0.35% to 0.7%
  • C has the effect of improving the castability and enhancing the high temperature creep rupture strength.
  • it combines with Ti, Nb, Cr and the like to form carbides, and has an effect of enhancing high-temperature strength. For this reason, at least 0.35% is contained.
  • the content is too large, primary carbides of Cr 7 C 3 are likely to be formed widely, transformation of Al to the inner surface of the reaction tube is inhibited, and supply shortage of Al occurs, resulting in Al 2 O 3 Such formation of Al oxides is suppressed.
  • excessive precipitation of secondary carbides leads to a decrease in ductility and toughness. Therefore, the upper limit is 0.7%.
  • the C content is more preferably 0.35% to 0.5%.
  • Si more than 0% and 1.5% or less Si is contained as a deoxidizer for a molten metal alloy and to improve the fluidity of the molten metal alloy and improve the oxidation resistance.
  • the upper limit of the content of Si is 1.5%.
  • the content of Si is more preferably 1.0% or less.
  • Mn more than 0% and 2.0% or less Mn serves as a deoxidizer for the molten alloy, and fixes S in the molten metal to improve weldability and to improve ductility.
  • the content of Mn is more preferably 1.0% or less.
  • Cr 22.0% to 40.0% Cr contributes to the improvement of the high temperature strength and the repeated oxidation resistance. Further, Cr, together with Ni and Fe, exhibits excellent heat resistance in a high temperature range exceeding 1000 ° C., and also forms a primary carbide with C and N to improve high temperature creep rupture strength. And an oxide layer is formed with Al, and the characteristics excellent in oxidation resistance and corrosion resistance are brought about to a heat-resistant alloy. Therefore, it is contained at least 22.0% or more. On the other hand, the excessive formation of Cr carbides and Cr nitrides causes a decrease in ductility, so the upper limit of the content is 40.0%. The content of Cr is more preferably 22.0% to 36.0%.
  • Ni 25.0% to 48.3%
  • Ni is an element necessary for securing repeated oxidation resistance and stability of metal structure, securing high temperature creep strength, and stabilizing austenitization of a heat-resistant alloy. Moreover, it contributes to the improvement of high temperature strength and oxidation resistance together with Cr. Furthermore, when the content of Ni is low, the content of Fe is relatively large, which inhibits the formation of Al oxide. For this reason, at least 25.0% or more is contained. On the other hand, even if Ni is added excessively, its effect is saturated, and also it is economically disadvantageous, so the upper limit is made 52.0%. The content of Ni is more preferably 29.0% to 50.0%. The upper limit of the content of Ni is preferably 48.3%, and more preferably 46.0%.
  • Al 1.5% to 4.5%
  • Al is an essential element for forming an Al oxide in a heat-resistant alloy.
  • the formation of the Al oxide improves the carburization resistance and coking resistance of the heat-resistant alloy together with the Cr oxide.
  • Al forms a ⁇ ′ phase with Ni to strengthen the austenite phase of the heat-resistant alloy. For this reason, Al is contained 1.5% or more.
  • excessive addition of Al causes a decrease in ductility, and the ⁇ 'phase becomes unstable, leading to the formation of an embrittled phase.
  • excessive addition of Al causes deterioration of castability and reduces the cleanliness of the heat-resistant alloy. Therefore, the upper limit is set to 4.5%.
  • the content of Al is more preferably 2.0% to 4.0%.
  • Ti 0.01% to 0.6%
  • Ti is an element that easily forms a carbide, and is an essential element to contribute to the improvement of creep rupture strength and the improvement of high temperature tensile strength. Therefore, Ti: 0.01% or more is contained.
  • the upper limit is Ti: 0.6%.
  • the content of Ti is more preferably 0.05% to 0.30%.
  • Ya -13.75 ⁇ Al + 63.75
  • the element displayed above is not contained as Pa, the value of the said element is handled as zero.
  • the weldability and oxidation resistance (formation of an Al oxide layer) of the heat-resistant alloy can be secured by satisfying the above formulas for Pa and Ya.
  • the above Pa is a formula relating to the content of each element of C, Si, Ni and Ti.
  • test pieces with various contents of these elements and Al contents are prepared, data on weldability of the test piece is acquired based on the bead placement test, and weldability is obtained from the obtained data.
  • Weldability is obtained from the obtained data.
  • Pa refers to its influence coefficient
  • positive C and Si are elements that adversely affect weldability, and the larger the numerical value (absolute value), the higher the degree of adverse effect.
  • Ni and Ti whose influence coefficients are negative, are elements for improving weldability, and the larger the numerical value (same), the better the influence.
  • FIG. 1 is a plot of the test piece with the vertical axis representing Pa and the horizontal axis representing the content of Al, and those with good weldability are rhombic and those with poor weldability are square It is plotting.
  • the target Al: 1.5% to 4.5%) of the above-mentioned range of the content of Al is used as a target .
  • Ya -13.75 ⁇ Al + 63.75
  • Ya -13.75 ⁇ Al + 63.75
  • the following elements can be contained in the heat-resistant alloy as required.
  • Rare earth element 0.01% to 0.2%
  • REM means 18 kinds of elements in which Y, Hf and Sc are added to 15 kinds of lanthanum series from La to Lu in the periodic table.
  • the REM to be contained in the heat-resistant alloy can be mainly composed of Ce, La, Nd, and these three elements preferably account for about 80% or more of the total rare earth elements in total, more preferably about 90% or more. is there.
  • REM contributes to the stabilization of the Al oxide layer, and since it is an active metal, the adhesion of the Al oxide layer can be enhanced. Further, REM is desirably contained because it prevents spoke ring breakage of the oxide layer due to temperature change and further contributes to improvement in oxidation resistance by forming a solid solution in the base material.
  • REM is contained 0.01% or more.
  • REM preferentially forms an oxide and causes a decrease in the cleanliness and ductility of the base material, so the upper limit is made 0.2%.
  • the content of REM is more preferably 0.01% to 0.18%.
  • W more than 1.0% and less than 1.0%
  • Mo more than 0% and less than 0.5%
  • Nb 0.01% to 2.0%
  • Nb is an element that easily forms carbides, and contributes to the improvement of creep rupture strength and the improvement of high temperature tensile strength. Nb also contributes to the improvement of the age ductility. Therefore, Nb: 0.01% or more, desirably 0.1% or more.
  • the upper limit of Nb is 2.0%, preferably 1.6%.
  • REM rare earth element
  • Pa ⁇ 11.1 + 28. 1 ⁇ C + 29.2 ⁇ Si ⁇ 0.25 ⁇ Ni-45.6 ⁇ Ti + 18.0 ⁇ REM-16.6 ⁇ Nb.
  • Nb is an element that has a negative influence coefficient at Pa and improves weldability, and has a favorable effect on weldability.
  • the heat-resistant alloy can be, for example, a tube main body made of a centrifugal force cast body formed cylindrically by centrifugal force casting.
  • the tube body can be configured in a straight tubular shape, a U-shape, or the like, and a reaction tube can be produced by welding these. Since the pipe body made of the heat-resistant alloy of the present invention is excellent in weldability, the welding of the pipe bodies can be well performed while suppressing the occurrence of weld cracking and the like, and the reaction tube obtained has sufficient joint strength , Mechanical characteristics can be secured.
  • an Al oxide layer be formed on the inner surface in order to suppress carburization and coking of hydrocarbon gas.
  • the Al oxide layer can be formed by performing an Al oxide layer forming process. This Al oxide layer forming treatment can be carried out by heat treating the tube main body or the reaction tube in an oxidizing atmosphere as an independent step, or can be carried out in a high temperature atmosphere when used in a thermal decomposition apparatus. it can.
  • Al oxide layer forming process an oxidizing gas containing oxygen less than 1% by volume, in the steam and the oxidizing atmosphere which CO 2 has been mixed, 900 ° C.
  • the heat-resistant alloy preferably 1000 ° C., more preferably above 1050 ° C. Heat treatment at temperature is preferred. In this case, one hour or more is preferable.
  • the inner surface of the tube main body is in contact with oxygen, and Al, Cr, Ni, Si, Fe, etc. diffused to the surface of the base material are oxidized to form an oxide layer.
  • Al forms an oxide in preference to Cr, Ni, Si, and Fe.
  • a part of Al in the base material is also transferred to the surface to form an oxide, and an Al oxide layer mainly composed of Al 2 O 3 is formed.
  • the reaction tube can exhibit excellent oxidation resistance when used in a high temperature atmosphere by forming an Al oxide layer on the inner surface. Therefore, the reaction tube is suitable for use in producing olefin-based or styrene-based hydrocarbons by flowing hydrocarbon gases at 500 ° C. to 1100 ° C. and thermally decomposing them.
  • Test pieces (thickness 25 mm or less and thickness 25 mm or more) of alloy composition (unit: mass%, balance Fe and unavoidable impurities) listed in Table 1 are respectively prepared by centrifugal force casting, and bead placement test is performed in the following manner It implemented and judged the crack nature by welding.
  • the invention example is the test No. Test No. 11-23 and a comparative example. 31-38.
  • REM indicates the total amount of Ce, La, and Y.
  • "*" is attached to elements which are out of the component composition of the present invention in the comparative example. That is, test No. 31 is excessive W, no. 32, No. No. 33 does not contain Ti, and no.
  • No. 33 is excessive in REM
  • no. No. 34 to 36 indicate excessive Si
  • no. No. 37 is excessive Al
  • No. No. 38 is a comparative example which satisfies the alloy composition of the present invention but does not satisfy Pa ⁇ Ya as shown below.
  • Pa and Ya were calculated about each test piece of Table 1, and the magnitude correlation of these was compared.
  • Table 1 for the test pieces satisfying Pa ⁇ Ya, a check mark is written in the “Pa ⁇ Ya” column. Referring to Table 1, test No. It is understood that none of 33 to 36 and 38 satisfy Pa ⁇ Ya. No. Although the component range of each element is included in the scope of the present invention, the comparative example of Pa> Ya is 38.
  • test surface of the test piece was machined with a grinder to smooth the surface.
  • the test surface is a portion to be a weld groove and a portion that is thermally affected by welding.
  • the condition bead placement test shown in Table 2 was performed by TIG welding on the test pieces for which the test surface was confirmed to be sound.
  • the bead is a straight bead and the bead length is 50 to 100 mm.
  • Test No. 1 which is an invention example. 11 to 23 all had evaluations of cracking property of "A" or "B", but test No. 1 which is a comparative example. All of the samples 31 to 38 were evaluated as "C" for the evaluation of cracking.
  • test No. 1 in which the component range of each element is included in the present invention. It is to be noted that in No. 38, the evaluation of crackability is “C”, because Pa is larger than Ya and does not satisfy Pa ⁇ Ya.
  • both Pa of the invention example is a negative value
  • Ya is a positive value. From this, it can be confirmed that preferably Pa ⁇ 0, Ya> 0, and more preferably Ya> 15.
  • the heat-resistant alloy of the present invention can be applied not only to the reaction tube according to the above embodiment, but also to products required for heat resistance, oxidation resistance, etc. such as kilns, retorts, burner tubes and radiant tubes. .

Abstract

本発明は、耐酸化性にすぐれ、引張延性などの機械的特性、溶接性にすぐれる耐熱合金及び反応管を提供する。 本発明の耐熱合金は、質量%にて、C:0.35%~0.7%、Si:0%を超えて1.5%以下、Mn:0%を超えて2.0%以下、Cr:22.0%~40.0%、Ni:25.0%~48.3%、Al:1.5%~4.5%、Ti:0.01%~0.6%、及び、残部Fe及び不可避的不純物からなり、Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti、Ya=-13.75×Al+63.75としたときに、Pa<Yaである。

Description

耐熱合金及び反応管
 本発明は、炭化水素ガスを生成する反応管などに用いられる耐熱合金に関するものであり、より具体的には、表面にAl酸化物層を好適に形成することのできる耐熱合金に関するものである。
 エチレンやプロピレン等のオレフィン系、スチレンモノマー等のスチレン系の炭化水素は、熱分解装置において、外部から加熱された反応管に炭化水素系原料ガスと水蒸気流体を流通させ、原料流体を反応温度域まで加熱して熱分解することにより生成される。
 反応管は、高温雰囲気に曝され、また、流通する原料ガス等による酸化、浸炭、窒化等の影響を受けやすいため、これらに対するすぐれた耐性が求められている。このため、反応管には、高温強度にすぐれるオーステナイト系の耐熱合金が用いられている。
 オーステナイト系耐熱合金は、高温雰囲気での使用中に表面に金属酸化物層が形成され、この酸化物層がバリアとなって、高温雰囲気下で母材を保護する。一方、これら金属酸化物として母材中のCrが酸化され、Cr酸化物(主にCrからなる)が形成されてしまうと、Cr酸化物は緻密性が低いため、酸素や炭素の侵入防止機能が十分ではなく、高温雰囲気下で内部酸化を起こし、酸化物層が肥大化してしまうことがある。また、Cr酸化物は、加熱と冷却の繰り返しサイクルにおいて剥離し易く、剥離に到らない場合であっても、外部雰囲気からの酸素や炭素の侵入防止機能が十分でないから、酸化物層を通過して母材に内部酸化や浸炭を生じる不都合がある。
 これに対し、一般的なオーステナイト系耐熱合金よりもAlの含有量を増やすことで、緻密性が高く、酸素や炭素を透過し難いアルミナ(Al)を主体とする酸化物層を母材の表面に形成することが提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
特開昭51-78612号公報 特開昭57-39159号公報
 しかしながら、反応管中のAl含有量が多くなると材料の延性が劣化して高温強度の低下を招く。また、反応管は、複数の管本体を溶接することで全長を長く採ることがあるが、Alの含有量が多くなると、管本体どうしの溶接性が低下し、溶接割れが生じてしまうこともある。
 本発明の目的は、耐酸化性にすぐれ、引張延性などの機械的特性、溶接性にすぐれる耐熱合金及び反応管を提供することである。
 本発明の耐熱合金は、
 質量%にて、
 C:0.35%~0.7%、
 Si:0%を超えて1.5%以下、
 Mn:0%を超えて2.0%以下、
 Cr:22.0%~40.0%、
 Ni:25.0%~48.3%、
 Al:1.5%~4.5%、
 Ti:0.01%~0.6%、及び、
 残部Fe及び不可避的不純物からなり、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti、
 Ya=-13.75×Al+63.75
 としたときに、
 Pa<Ya
 である。
 本発明の耐熱合金は、さらに、
 質量%にて、
 希土類元素(REM):0.01%~0.2%を含有し、
 前記Paは、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM
 である。
 本発明の耐熱合金は、さらに、
 質量%にて、
 Nb:0.01%~2.0%を含有し、
 前記Paは、
 前記希土類元素(REM)を含有しない場合、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti-16.6×Nb、
 前記希土類元素(REM)を含有する場合、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM-16.6×Nbである。
 本発明の耐熱合金は、さらに、
 質量%にて、
 W:0%を超えて1.0%以下、及び、Mo:0%を超えて0.5%以下の群より選ばれる少なくとも一種を含有する。
 本発明の耐熱合金は、
 表面にAl酸化物層が形成されていることが望ましい。
 本発明の耐熱合金は、
 遠心力鋳造体とすることができる。
 本発明の耐熱合金は、
 500℃~1150℃の高温雰囲気での使用が好適である。
 本発明の反応管は、
 上記構成の耐熱合金からなる管本体を有する。
 また、本発明の反応管は、
 前記管本体どうしを溶接により接続してなる。
 本発明に係る耐熱合金は、Alを含有することで、CrよりもAlが優先してAl酸化物を形成し、Cr酸化物の形成を抑制することができる。従って、Cr酸化物の剥離等の問題を抑制できる。また、Alの添加量は1.5%~4.5%と低いため、機械的性質の低下を抑えることができる。
 また、本発明の耐熱合金は、Alの添加量が低いため、溶接性にすぐれるから、耐熱合金どうしを溶接する場合であっても溶接割れ等の発生を抑制することができる。
 本発明の耐熱合金により作製される管本体は、耐酸化性にすぐれ、また、溶接性にもすぐれるから、管本体どうしを溶接して作製される反応管は、500℃~1100℃の高温環境下におけるオレフィン系、スチレン系の炭化水素製造用の反応管として極めて好適である。
図1は、Pa値を縦軸、Alの含有量を横軸とし、溶接性に基づいて供試片を回帰分析した結果を示すグラフである。 図2は、ビード割れ試験の判定に用いられる割れ、点状欠陥の判断基準を示す説明図である。
 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、特に明記しない限り、「%」は質量%を意味する。
 本発明の耐熱合金は、管状に形成されて管本体を構成し、管本体どうしを溶接して反応管として使用することができる。反応管は、内部を炭化水素ガス原料等が流通し、外部から加熱されて、エチレン等のオレフィン系、スチレン系などの炭化水素の製造に用いることができる。
 耐熱合金は、
 質量%にて、
 C:0.35%~0.7%、
 Si:0%を超えて1.5%以下、
 Mn:0%を超えて2.0%以下、
 Cr:22.0%~40.0%、
 Ni:25.0%~48.3%、
 Al:1.5%~4.5%、
 Ti:0.01%~0.6%、及び、
 残部Fe及び不可避的不純物からなり、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti、
 Ya=-13.75×Al+63.75
 としたときに、
 Pa<Ya
 である。
 以下、成分限定理由について説明する。
C:0.35%~0.7%
 Cは、鋳造性を良好にし、高温クリープ破断強度を高める作用がある。また、Ti、Nb、Cr等と結合して炭化物を形成し、高温強度を高める効果がある。このため、少なくとも0.35%を含有させる。しかし、含有量があまり多くなると、Crの一次炭化物が幅広く形成され易くなり、反応管の内表面へのAlの転移が阻害され、Alの供給不足が生じて、Alの如きAl酸化物の形成が抑えられる。また、二次炭化物が過剰に析出するため、延性、靱性の低下を招く。このため、上限は0.7%とする。なお、Cの含有量は0.35%~0.5%がより望ましい。
Si:0%を超えて1.5%以下
 Siは、溶湯合金の脱酸剤として、また溶湯合金の流動性を高め、耐酸化性を向上させるために含有させる。しかしながら、過度のSiの添加は、延性の低下、高温クリープ破断強度の低下、鋳造後の表面品質の悪化、溶接性の低下を招く。このため、Siの含有量は、上限を1.5%とする。なお、Siの含有量は1.0%以下がより望ましい。
 Mn:0%を超えて2.0%以下
 Mnは、溶湯合金の脱酸剤となり、また、溶湯中のSを固定させて、溶接性を向上させると共に、延性を向上させるために含有させる。しかしながら、過度のMnの添加は、高温クリープ破断強度の低下を招き、耐酸化性を低下させるため、上限を2.0%とする。なお、Mnの含有量は1.0%以下がより望ましい。
Cr:22.0%~40.0%
 Crは、高温強度及び繰返し耐酸化性の向上に寄与する。また、Crは、Ni、Feと共に1000℃を超えるような高温域ですぐれた耐熱性を発揮すると共に、C、Nと一次炭化物を生成し、高温クリープ破断強度を向上させる。そして、Alと共に酸化物層を形成し、耐酸化性、耐食性にすぐれた特性を耐熱合金にもたらす。従って、少なくとも22.0%以上含有させる。一方で、Cr炭化物やCr窒化物の過剰な生成は延性低下を招くため、含有量の上限は40.0%とする。なお、Crの含有量は22.0%~36.0%がより望ましい。
Ni:25.0%~48.3%
 Niは、繰返し耐酸化性及び金属組織の安定性の確保、高温クリープ強度の確保、及び、耐熱合金のオーステナイト化の安定化に必要な元素である。また、Crと共に、高温強度、耐酸化性の向上に寄与する。さらに、Niの含有量が少ないと、Feの含有量が相対的に多くなり、Al酸化物の生成を阻害する。このため、少なくとも25.0%以上含有させる。一方、過度にNiを添加しても、その効果は飽和し、また、経済的にも不利であるため、その上限を52.0%とする。なお、Niの含有量は29.0%~50.0%がより望ましい。Niの含有量の上限は48.3%が好適であり、46.0%がさらに望ましい。
Al:1.5%~4.5%
 Alは、耐熱合金にAl酸化物を形成するために必要不可欠な元素である。Al酸化物の形成により、Cr酸化物と共に、耐熱合金の耐浸炭性、耐コーキング性を向上させる。また、AlはNiと共にγ’相を形成し、耐熱合金のオーステナイト相を強化する。このため、Alは1.5%以上含有させる。しかし、Alの過度の添加は、延性の低下を招き、また、γ’相が不安定となり、脆化相の生成を招く。さらに、Alの過度の添加は、鋳造性の悪化を招き、耐熱合金の清浄度を低下させる。従って、その上限を4.5%とする。なお、Alの含有量は2.0%~4.0%がより望ましい。
Ti:0.01%~0.6%
 Tiは、炭化物を形成し易い元素であり、クリープ破断強度の向上、高温引張強度の向上に寄与するために必要不可欠な元素である。従って、Ti:0.01%以上を含有させる。一方で、Tiの過度の添加は、延性の低下を招き、また、Ti酸化物の生成を促し、耐熱合金の清浄度を低下させる。従って、その上限は、Ti:0.6%とする。なお、Tiの含有量は、0.05%~0.30%がより望ましい。
 また、耐熱合金の各含有元素は、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM、
 Ya=-13.75×Al+63.75としたときに、
 Pa<Yaである。なお、Paとして、上記に表示した元素が含まれない場合には、当該元素の値はゼロとして取り扱う。
 PaとYaが上記式を満足することにより、耐熱合金の溶接性と耐酸化性(Al酸化物層の形成)を確保できる。
 上記Paは、C、Si、Ni、Tiの各元素の含有量に関する式である。Paは、これら各元素の含有量とAlの含有量を種々変えた供試片を作製し、ビード置き試験に基づいて供試片の溶接性に関するデータを取得し、得られたデータから溶接性に影響を与える元素の影響係数を回帰分析により求めることで導きだされたものである。
 Paは、その影響係数を参照すると、プラスであるC、Siはそれぞれ溶接性に悪影響を与える元素であり、数値(絶対値)が大きいほど、その悪影響度合いが大きいことを意味する。また、影響係数がマイナスであるNi、Tiは、溶接性を向上させる元素であり、数値(同)が大きいほど、好影響を与えることを意味する。
 図1は、供試片のPaを縦軸、Alの含有量を横軸としてプロットしたものであり、溶接性が良好であったものを菱形、溶接性が不十分であったものを四角でプロットしている。なお、供試片にAl酸化物層が良好に形成されて耐酸化性を具備するために、上記したAlの含有量の範囲(Al:1.5%~4.5%)をターゲットとしている。
 図1を参照すると、PaとAl酸化物層が良好に形成されるAlの含有量について、溶接性にすぐれる集団と、溶接性が不十分である集団が明確に領域分けされていることがわかる。このグラフから、溶接性に基づいて、Alの含有量を含むYaを相関関係が明瞭に分析できたことがわかる。
 そして、これら集団を分断するAlの含有量に基づくYa直線:Ya=-13.75×Al+63.75を決定することができる。すなわち、Al:1.5%~4.5%の範囲において、Pa<Yaを満足することで、溶接性だけでなく、耐酸化性にもすぐれる耐熱合金を得られることがわかる。
 その他、耐熱合金には、必要に応じて下記元素を含有することができる。
希土類元素(REM):0.01%~0.2%
 REMは、周期律表のLaからLuに至る15種類のランタン系列に、Y、Hf及びScを加えた18種類の元素を意味する。耐熱合金に含有させるREMは、Ce、La、Ndが主体とすることができ、これら3元素が合計量で希土類元素全体の約80%以上を占めることが好ましく、より好ましくは約90%以上である。REMは、Al酸化物層の安定化に寄与し、活性金属であるためAl酸化物層の密着性を高めることができる。また、REMは、温度変化に伴う酸化物層のスポークリング破壊を防止し、さらには、母材に固溶して耐酸化性の向上に寄与するため含有することが望ましい。これら効果を発揮するために、REMは0.01%以上含有させる。一方で、REMは、優先的に酸化物を形成し、母材の清浄度、延性の低下を招くため、上限を0.2%とする。なお、REMの含有量は0.01%~0.18%がより望ましい。
 耐熱合金にREMを含有する場合、上記したPaは、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REMとする。
W:0%を超えて1.0%以下、及び、Mo:0%を超えて0.5%以下からなる群より選択される少なくとも一種
 W、Moは、母材に固溶し、母材のオーステナイト相を強化しクリープ破断強度を向上させる同等の特性を有する元素であり、何れか一方又は両方を含有することが望ましい。しかしながら、W、Moの過度の含有は延性や耐浸炭性の低下を招き、また、とくに1050℃以下の温度でAl酸化物の生成する場合に、その形成を阻害する。また、W、Moの過度の含有は、母材の耐酸化性の低下を招き、Moは、当量的にWに比して2倍の作用を発揮する。従って、Wの上限は1.0%、Moの上限は0.5%とする。
Nb:0.01%~2.0%
 Nbは、炭化物を形成し易い元素であり、クリープ破断強度の向上、高温引張強度の向上に寄与する。また、Nbは、時効延性の向上にも寄与する。従って、Nb:0.01%以上、望ましくは0.1%以上を含有させる。一方で、Nbの過度の添加は、延性を招き、また、Al酸化物層の耐剥離性の低下を招くと共に、耐酸化性を低下させる。従って、Nbの上限は2.0%、望ましくは1.6%とする。
 この場合、上記したPaは、希土類元素(REM)を含有しない場合、
 Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti-16.6×Nb、希土類元素(REM)を含有する場合、Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM-16.6×Nbである。
 Nbは、Paにおける影響係数がマイナスであり、溶接性を向上させる元素であって、溶接性に好影響を与える。
 耐熱合金は、たとえば遠心力鋳造により筒状に形成された遠心力鋳造体からなる管本体とすることができる。管本体は、直管状、U字状等の形状に構成することができ、これらを溶接することで、反応管を作製することができる。本発明の耐熱合金からなる管本体は、溶接性にすぐれるから、管本体どうしの溶接も溶接割れ等の発生を抑えて良好に行なうことができ、得られた反応管は、十分な接合強度、機械的特性を確保できる。
 反応管は、炭化水素ガスの浸炭やコーキングを抑えるために、内表面にAl酸化物層が形成されることが望ましい。Al酸化物層は、Al酸化物層形成処理を行なうことで形成することができる。このAl酸化物層形成処理は、独立した工程として管本体又は反応管を酸化雰囲気において熱処理することで実施することができるし、熱分解装置中で使用される際の高温雰囲気により実施することもできる。
 Al酸化物層形成処理は、酸素を1体積%以上含む酸化性ガス、スチームやCOが混合された酸化性雰囲気において、耐熱合金を900℃、望ましくは1000℃、より望ましくは1050℃以上の温度で熱処理することが好適である。この場合は、1時間以上が好適である。
 Al酸化物層形成処理が施されることで、管本体の内表面が酸素と接触し、母材表面に拡散したAl、Cr、Ni、Si、Fe等が酸化して酸化物層を形成する。このとき、上記温度範囲で熱処理を実施することにより、Cr、Ni、Si、Feよりも優先してAlが酸化物を形成する。また、母材中のAlも一部が表面に転移して酸化物を構成し、Alを主体とするAl酸化物層が形成される。
 反応管は、内表面にAl酸化物層が形成されることで、高温雰囲気下での使用において、すぐれた耐酸化性を発揮できる。従って、反応管は、500℃~1100℃の炭化水素ガスを流通させて熱分解することにより、オレフィン系やスチレン系の炭化水素を製造する用途に好適である。
 遠心力鋳造により表1に掲げる合金組成(単位:質量%、残部Fe及び不可避的不純物)の供試片(厚さ25mm以下と厚さ25mm以上)をそれぞれ作製し、下記要領でビード置き試験を実施し、溶接による割れ性を判定した。発明例は供試No.11~23、比較例は供試No.31~38である。表1中、REMは、Ce、La、Yの合計量を示している。なお、発明例は、何れも本発明の成分組成の範囲に入っているが、比較例については、本発明の成分組成から外れる元素に「*」を付している。すなわち、供試No.31はW過多、No.32、No.33はTiを含まず、また、No.33はREM過多、No.34~36はSi過多、No.37はAl過多、No.38は本発明の合金組成は満たすが以下に示すとおりPa<Yaを満足しない比較例である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 また、表1の各供試片について、PaとYaを算出し、これらの大小関係を比較した。表1中、Pa<Yaを満足する供試片について、「Pa<Ya」の欄にチェックマークを記入している。表1を参照すると、供試No.33~36、38は、何れもPa<Yaを満たしていないことがわかる。No.38は、各元素の成分範囲は本発明の範囲に含まれるが、Pa>Yaの比較例である。
 ビード置き試験に先立ち、供試片の試験面にグラインダーにより機械加工を施し、表面を滑らかにした。試験面は、溶接開先となる部分及び溶接による熱影響を受ける部分である。
 また、液体浸透探傷試験を各供試片の試験面に実施し、試験面に割れがないことを確認した。
 試験面が健全であることが確認された供試片に対し、TIG溶接により表2に示す条件ビード置き試験を行なった。ビードはストレートビード、ビード長は50~100mmである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 なお、本試験の施工順序は、A法による試験の後、液体浸透探傷試験にて欠陥が見つかった場合に、B法の試験を実施した。
 図2及び表3にA法(フィラーメタル(溶接棒):無)及びB法(フィラーメタル:有)によるビードの判定基準を示す。なお、B法では、微小な割れでも判定は「OUT」としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 上記試験の結果、A法により厚さ25mm以下、厚さ25mm以上の何れの供試片についても欠陥が見つからなかった供試片は、割れ性の評価「A」、A法により欠陥が見つかったが、B法により欠陥が見つからなかった供試片は、割れ性の評価「B」、B法でも欠陥が見つかった供試片は、割れ性の評価「C」として評価した。結果を表1中「割れ性」に示している。
 表1を参照すると、発明例である供試No.11~23は何れも割れ性の評価が「A」又は「B」であったが、比較例である供試No.31~38は何れも割れ性の評価は「C」であった。
 比較例は、No.31、32及び37に示すように、Pa<Yaを満たすが、割れ性の評価は「C」となっている。これは、本発明の成分範囲から外れていることで、たとえPa<Yaを満足したとしても、割れ性の評価が向上しないことがわかる。
 とくに、各元素の成分範囲が本発明に含まれる供試No.38は、割れ性の評価が「C」であるが、これは、PaがYaよりも大きく、Pa<Yaを満たさなかったためであることは着目すべきである。
 供試片の割れ性について、評価「A」又は「B」のものを総合的な評価「A」、評価「C」のものを総合的な評価「B」として判定した。結果を表1中「判定」に示している。表1を参照すると、発明例の供試片は何れも判定「A」、比較例の供試片は何れも判定「B」であった。
 また、発明例と比較例のPaとYaの値を比較すると、発明例のPaは何れもマイナスの値であり、Yaはプラスの値となっている。ここから、望ましくは、Pa<0、Ya>0、さらに望ましくは、Ya>15であることが確認できる。
 上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
 たとえば、本発明の耐熱合金は、上記実施形態に係る反応管に限らず、キルン、レトルト、バーナーチューブ、ラジアントチューブなどの耐熱性、耐酸化性等の要求される製品にも適用することができる。
10 ビード
12 クレーター
14 割れ
16 点状欠陥

Claims (9)

  1.  質量%にて、
     C:0.35%~0.7%、
     Si:0%を超えて1.5%以下、
     Mn:0%を超えて2.0%以下、
     Cr:22.0%~40.0%、
     Ni:25.0%~48.3%、
     Al:1.5%~4.5%、
     Ti:0.01%~0.6%、及び、
     残部Fe及び不可避的不純物からなり、
     Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti、
     Ya=-13.75×Al+63.75
     としたときに、
     Pa<Ya
     である、耐熱合金。
  2.  質量%にて、
     希土類元素(REM):0.01%~0.2%を含有し、
     前記Paは、
     Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM
     である、
     請求項1に記載の耐熱合金。
  3.  質量%にて、
     Nb:0.01%~2.0%を含有し、
     前記Paは、
     前記希土類元素(REM)を含有しない場合、
     Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti-16.6×Nb、
     前記希土類元素(REM)を含有する場合、
     Pa=-11.1+28.1×C+29.2×Si-0.25×Ni-45.6×Ti+18.0×REM-16.6×Nb、
     である、請求項1又は請求項2に記載の耐熱合金。
  4.  質量%にて、
     W:0%を超えて1.0%以下、及び、Mo:0%を超えて0.5%以下の群より選ばれる少なくとも一種を含有する、
     請求項1乃至請求項3の何れかに記載の耐熱合金。
  5.  表面にAl酸化物層が形成されている、
     請求項1乃至請求項4の何れかに記載の耐熱合金。
  6.  遠心力鋳造体である、
     請求項1乃至請求項5の何れかに記載の耐熱合金。
  7.  500℃~1150℃の高温雰囲気で使用される、
     請求項1乃至請求項6の何れかに記載の耐熱合金。
  8.  請求項1乃至請求項7の何れかに記載の耐熱合金からなる管本体を有する、
     反応管。
  9.  前記管本体どうしを溶接により接続してなる、
     請求項8に記載の反応管。
PCT/JP2018/040264 2017-11-06 2018-10-30 耐熱合金及び反応管 WO2019088075A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311671344.0A CN117626130A (zh) 2017-11-06 2018-10-30 耐热合金和反应管
KR1020197015536A KR102303628B1 (ko) 2017-11-06 2018-10-30 내열합금 및 반응관
MYPI2019003119A MY185571A (en) 2017-11-06 2018-10-30 Heat-resistant alloy, and reaction tube
EP18873730.8A EP3683325A4 (en) 2017-11-06 2018-10-30 HEAT RESISTANT ALLOY AND REACTION TUBE
CA3049514A CA3049514C (en) 2017-11-06 2018-10-30 Heat-resistant alloy, and reaction tube
CN201880004729.2A CN110023526A (zh) 2017-11-06 2018-10-30 耐热合金和反应管
US16/464,807 US11136655B2 (en) 2017-11-06 2018-10-30 Heat-resistant alloy, and reaction tube

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017213608 2017-11-06
JP2017-213608 2017-11-06
JP2018082803A JP6422608B1 (ja) 2017-11-06 2018-04-24 耐熱合金及び反応管
JP2018-082803 2018-04-24
JP2018-194816 2018-10-16
JP2018194816A JP6934462B2 (ja) 2017-11-06 2018-10-16 耐熱合金及び反応管

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019088075A1 true WO2019088075A1 (ja) 2019-05-09

Family

ID=66331859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/040264 WO2019088075A1 (ja) 2017-11-06 2018-10-30 耐熱合金及び反応管

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN117626130A (ja)
MY (1) MY185571A (ja)
SA (1) SA519402053B1 (ja)
WO (1) WO2019088075A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3708688A4 (en) * 2017-11-06 2021-07-21 Kubota Corporation STEEL PRODUCT USED IN CONTACT WITH STEEL MATERIAL

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5093817A (ja) * 1973-12-25 1975-07-26
JPS5178612A (ja) 1974-12-29 1976-07-08 Fujitsu Ltd Denwakokanshisutemu
JPS5739159A (en) 1980-08-19 1982-03-04 Nippon Steel Corp Austenite type heat resistant and oxidation resistant cast alloy forming a 2 o3film on surface thereof
JPH09243284A (ja) * 1996-03-12 1997-09-19 Kubota Corp 内面突起付き熱交換用管
JP2013227655A (ja) * 2012-03-30 2013-11-07 Kubota Corp アルミナバリア層を有する鋳造製品
JP2016132019A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 株式会社クボタ 耐熱管の溶接構造

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5093817A (ja) * 1973-12-25 1975-07-26
JPS5178612A (ja) 1974-12-29 1976-07-08 Fujitsu Ltd Denwakokanshisutemu
JPS5739159A (en) 1980-08-19 1982-03-04 Nippon Steel Corp Austenite type heat resistant and oxidation resistant cast alloy forming a 2 o3film on surface thereof
JPH09243284A (ja) * 1996-03-12 1997-09-19 Kubota Corp 内面突起付き熱交換用管
JP2013227655A (ja) * 2012-03-30 2013-11-07 Kubota Corp アルミナバリア層を有する鋳造製品
JP2016132019A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 株式会社クボタ 耐熱管の溶接構造

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3708688A4 (en) * 2017-11-06 2021-07-21 Kubota Corporation STEEL PRODUCT USED IN CONTACT WITH STEEL MATERIAL

Also Published As

Publication number Publication date
SA519402053B1 (ar) 2022-06-22
CN117626130A (zh) 2024-03-01
MY185571A (en) 2021-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6422608B1 (ja) 耐熱合金及び反応管
RU2553136C1 (ru) Металлический материал, устойчивый к карбюризации
US20100034690A1 (en) Carburization resistant metal material
KR101840914B1 (ko) 고강도 2.25Cr-1Mo-V강용 서브머지드 아크 용접 와이어 및 용접 금속
JP6309576B2 (ja) アルミナバリア層を有するエチレン製造用反応管
WO2019131954A1 (ja) オーステナイト系耐熱合金
KR20190084208A (ko) 육성 용접용 합금, 용접용 분말 및 반응관
WO2019088075A1 (ja) 耐熱合金及び反応管
JP6795038B2 (ja) オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手
JP3895089B2 (ja) 耐浸炭性及び耐メタルダスティング性にすぐれる耐熱合金
JP5977054B2 (ja) アルミナバリア層を有する鋳造製品の製造方法
JP7360032B2 (ja) オーステナイト系耐熱鋼溶接継手
JP4023288B2 (ja) 耐浸炭性に優れた金属複合管
JP2009256738A (ja) 真空浸炭熱処理用耐熱鋳鋼ジグ材
JP6335247B2 (ja) 内面突起付反応管
JPH05195138A (ja) すぐれた耐浸炭性と高温低応力条件下における高いクリープ破断強度を備える耐熱合金
JPH0593240A (ja) 炭化水素類の熱分解・改質反応用管
JPH07258783A (ja) 耐浸炭性に優れた耐熱合金
TW201318756A (zh) 耐熱鋼埋弧材料
JPH07258782A (ja) 耐浸炭性に優れた耐熱合金
JP2019136756A (ja) 9Cr−1Mo鋼溶接用TIGワイヤ
JPH03232948A (ja) 耐浸炭性にすぐれた耐熱鋼

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18873730

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3049514

Country of ref document: CA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018873730

Country of ref document: EP

Effective date: 20200415

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE