一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼的制作方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001] 本發(fā)明屬于乙烯裂解爐管材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種乙烯裂解爐管用微合金化 35Cr45NiNb 合金鋼。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002] 乙烯裂解爐管廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金、燃氣等國民經(jīng)濟的支柱領(lǐng)域，一旦發(fā) 生失效將嚴重影響整套裝置的長周期安全運行。近年來，乙烯裂解爐逐漸向高參數(shù)和大型 化方向發(fā)展，乙烯裂解爐管服役工況越加復(fù)雜和苛刻，對乙烯裂解爐管的高溫性能提出更 高的要求。目前市場上投用的國產(chǎn)乙烯裂解爐管的實際服役壽命良莠不齊，大量爐管的實 際服役壽命甚至只有原來設(shè)計壽命的三分之一，失效事故時有發(fā)生，給石化行業(yè)制氫裝置 的長周期安全運行帶來了極大隱患。因此，如何提高乙烯裂解爐管的高溫性能成為目前亟 待解決的現(xiàn)實問題。

　　[0003] HG/T2601-2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》中規(guī)定對35Cr45NiNb+微合金材 料的高溫持久性能要求為ll〇〇°C、17MPa條件下，高溫持久斷裂時間大于100小時。然而， 目前國內(nèi)爐管的高溫持久斷裂時間尚不能完全滿足以上要求，導致爐管質(zhì)量穩(wěn)定性較差， 頻繁發(fā)生早期失效，嚴重影響裝置長周期安全運行。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0004] 本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種有效提升乙烯裂解爐管的 高溫持久性能、進而保障乙烯裂解爐裝置長周期安全運行的乙烯裂解爐管用微合金化 35Cr45NiNb 合金鋼。

　　[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

　　[0006] -種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，以質(zhì)量百分比計，含有C: 0? 40 ~0? 50，Si :1. 20 ~1. 80，Mn :0? 60 ~1. 20，P :0? 001 ~0? 020，S :0? 001 ~0? 010，Cr : 35 ~36, Ni :45 ~46, Nb :0? 80 ~1. 50, W :0? 005 ~0? 20, Mo :0? 005 ~0? 20, Cu :0? 005 ~ 0? 30，A1 :0? 005 ~0? 20，Ti :0? 05 ~0? 10，Zr :0? 05 ~0? 10，B :0? 0010 ~0? 0050，As :0 ~ 0? 0020, Sn :0 ~0? 0020, Pb :0 ~0? 0020, Bi :0 ~0? 0001，余量為 Fe。

　　[0007] 優(yōu)選的，柱狀晶占壁厚百分比大于70%，晶粒度等級為5~6級。

　　[0008] 上述各元素對乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼耐高溫持久性能的影 響如下：

　　[0009] 1. C(0. 40 ~0? 50 質(zhì)量％ )

　　[0010] C與Cr、Mo、Ti、V、Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC等，提高材料高溫強度。在高 溫時效過程中，基體中的過飽和固溶碳以細小彌散的M 23C6析出，會降低合金的韌性，惡化焊 接性，因此，該材料中的含碳量為0. 4~0. 5質(zhì)量％。

　　[0011] 2. Si (1.20 ~1.80 質(zhì)量％ )

　　[0012] Si是冶煉時必要的脫氧劑，可以提高鋼液在鑄造時的流動性。Si溶于奧氏體中提 高材料的硬度和強度，同時，在高溫氧化氣氛中，Si與0結(jié)合形成Si02薄膜，提高爐管的高 溫抗氧化性能。Si在Ni含量較高的環(huán)境中易于產(chǎn)生偏析，在晶界上形成低熔點共晶物，容 易導致焊接熱裂紋傾向，惡化材料的焊接性能。Si是促進〇相析出元素在，加入量過多將 降低持久強度。因此，該材料中的含Si量為1. 2~1. 8質(zhì)量％。

　　[0013] 3. Mn (0.60 ~1.20 質(zhì)量％ )

　　[0014] Mn是擴大奧氏體相區(qū)元素，與S生成球化的MnS，可消除S的危害，也能改善焊接 性能。但Mn元素促進〇相析出，加入量過多會降低合金的抗氧化性能。因此，該材料中的 含Mn量為0? 6~1. 2質(zhì)量％。

　　[0015] 4. P(0. 001 ~0? 020 質(zhì)量％ )

　　[0016] P元素對高溫持久強度有顯著影響，隨著P元素含量增加，高溫持久強度降低，由 于P元素在熱處理過程中會產(chǎn)生偏聚，促進空洞的形核。因此，綜合考慮高溫持久斷裂時間 要求和經(jīng)濟成本因素，該材料中的含P量為0. 001~0. 020質(zhì)量％。

　　[0017] 5. S(0. 001 ~0? 010 質(zhì)量％ )

　　[0018] S元素含量對高溫持久壽命有顯著影響，隨著S元素的增加，高溫持久強度降低。 這是由于在熱處理過程中硫偏聚到晶界形成硫化物，由于硫化物和基體的結(jié)合力較差，空 洞很容易形核，在高溫狀態(tài)下由于局部應(yīng)力集中導致空洞連接從而產(chǎn)生微裂紋，導致爐管 快速失效。因此，綜合考慮高溫持久斷裂時間要求和經(jīng)濟成本因素，該材料中的含S量為 0? 001 ~0? 010 質(zhì)量％。

　　[0019] 6. Cr (35 ~36 質(zhì)量％ )

　　[0020] Cr元素是合金中主要的固溶強化元素和碳化物形成元素。Cr元素在材料表面形 成致密的Cr 203保護膜，對合金的抗氧化、強度、抗?jié)B碳性能起決定性作用。但Cr含量過高 會導致〇相析出，從而降低合金的強度和韌性。因此，該材料中的含Cr量為35~36質(zhì) 量％。

　　[0021] 7. Ni (45 ~46 質(zhì)量％ )

　　[0022] Ni元素是形成和穩(wěn)定奧氏體，提高抗?jié)B碳、抗氧化、高溫強度和韌性的主要元素， 可提高材料的強度而不顯著降低其韌性，改善材料的加工性和可焊性。Ni原子將會降低C 原子在合金中的溶解度，過量加入會導致超量的碳化物會析出。因此，該材料中的含Ni量 為45~46質(zhì)量％。

　　[0023] 8. Nb(0. 80 ~1. 50 質(zhì)量％ )

　　[0024] Nb兀素形成晶界析出的NbC，有效提尚材料的強度，同時使晶界碳化絡(luò)均勾彌散 分布，延遲碳化物粗化過程，從而提高合金的高溫強度。因此，該材料中的含Nb量為0. 8~ 1. 5質(zhì)量％。

　　[0025] 9. W(0. 005 ~0.20 質(zhì)量％ )

　　[0026] W元素是固溶強化元素，能提高合金的高溫強度，抑制碳的擴散速度，但是加入過 量則會影響合金的抗氧化性能，并促進〇相析出，降低合金的強度和韌性。因此，該材料中 的含W量為〇? 005~0? 20質(zhì)量％。

　　[0027] 10. Mo (0.005 ~0.20 質(zhì)量％ )

　　[0028] Mo元素是固溶強化元素，能提高合金的高溫強度，抑制碳的擴散速度，但是加入過 量則會影響合金的抗氧化性能，并促進〇相析出，降低合金的強度和韌性。因此，該材料中 的含Mo量為0. 005~0. 20質(zhì)量％。

　　[0029] 11. Cu(0. 005~0? 30質(zhì)量％)

　　[0030] Cu元素是擴大奧氏體相區(qū)的元素，提高材料強度和屈強比，但是Cu元素含量過 高在熱加工過程中易產(chǎn)生銅脆，導致開裂。因此，該材料中的含Cu量為0. 005~0. 30質(zhì) 量％。

　　[0031] 12. A1 (0.005 ~0.20 質(zhì)量％ )

　　[0032] A1元素在鑄造過程中用來脫氧，同時可與Ni形成化合物，提高熱強性。但是A1元 素含量過高會促進長期蠕變時〇相形成和粗化，降低蠕變壽命。因此，該材料中的含A1量 為0? 005~0? 20質(zhì)量％。

　　[0033] 13.11(0.05~0.10質(zhì)量％)

　　[0034] Ti元素含量超過0. 10質(zhì)量％時，可在晶界形成碳化鈦，提高材料強度。因此，該材 料中的含Ti量為0.05~0. 10質(zhì)量％。

　　[0035] 14. Zr(0. 05~0? 10質(zhì)量％)

　　[0036] Co元素能提高材料的抗氧化性能，同時顯著提高材料的熱強性和高溫硬度。因此， 該材料中的含Zr量為0. 05~0. 10質(zhì)量％。

　　[0037] 15. B (0? 0010 ~0? 0050 質(zhì)量％ )

　　[0038] B元素具有細化晶粒，改善晶粒形貌，凈化雜質(zhì)等作用。同時能提高材料的淬透性 和高溫強度。B的添加不僅可以起到抑制S元素向空位等自由表面偏聚形成硫化物，而且 還可以改變滲碳區(qū)碳化物的種類及形態(tài)。因此，該材料中的含B量為0. 0010~0. 0050質(zhì) 量％。

　　[0039] 16. As (0 ~0.0020 質(zhì)量％ )

　　[0040] As元素在材料中常以Fe2As，F(xiàn)e3As2, FeAs及固溶體形式存在，易發(fā)生偏析現(xiàn)象，使 材料的脆性增加，延伸率，斷面收縮率及沖擊韌性降低，并影響焊接。因此，綜合考慮高溫持 久斷裂時間要求和經(jīng)濟成本因素，該材料中的含As量為0~0. 0020質(zhì)量％。

　　[0041] 17. Sn(0 ~0? 0020 質(zhì)量％ )

　　[0042] Sn元素可大大降低合金的高溫機械性能，對合金的加工性能也十分有害。因此，綜 合考慮高溫持久斷裂時間要求和經(jīng)濟成本因素，該材料中的含Sn量為0~0. 0020質(zhì)量％。

　　[00

　　43] 18. Pb(0 ~0? 0020 質(zhì)量％ )

　　[0044] Pb元素在高溫拉伸應(yīng)力情況下，向晶界偏聚，降低了表面能，促進了蠕變空洞的 萌生，最終導致高溫持久性能的降低。因此，綜合考慮高溫持久斷裂時間要求和經(jīng)濟成本因 素，該材料中的含Pb量為0~0.0020質(zhì)量％。

　　[0045] 19.Bi(0 ~0.0001 質(zhì)量％ )

　　[0046] Bi元素與Pb元素類似，Bi元素向晶界偏聚，降低晶界表面能，增加空洞形核率。 因此，綜合考慮高溫持久斷裂時間要求和經(jīng)濟成本因素，該材料中的含Bi量為0~0. 0001 質(zhì)量％。

　　[0047] 20.柱狀晶占壁厚百分比大于70%

　　[0048] 本發(fā)明中的爐管材料的柱狀晶占壁厚百分比要求大于70%，可提升合金鋼的高溫 性能。當柱狀晶占壁厚百分比較高時，一次碳化物析出形態(tài)較好（即骨架狀形態(tài)），在高溫 服役的情況下對位錯運動起到有效釘扎作用，提高材料的高溫性能。

　　[0049] 21.晶粒度等級為5~6級

　　[0050] 本發(fā)明中的爐管材料的晶粒度等級范圍要求為5~6級，可有效地提升合金鋼的 高溫性能。晶粒度等級的影響主要是由于晶粒大小不同，單位面積的晶界數(shù)量不同，晶界一 方面阻礙位錯的滑移起到強化作用，另一方面晶界上由于擴散迅速進行給位錯攀移提供通 道，促進位錯在其臨近區(qū)域的攀移而起到軟化作用。晶粒度過粗或過細均不利于材料高溫 性能。

　　[0051] 本發(fā)明的有益效果在于：

　　[0052] 本發(fā)明提出了一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，通過對各種有 益元素進行一定質(zhì)量的混合比，有效地提高了乙烯裂解爐管的高溫持久斷裂時間，保障了 裝置的長周期安全運行。

　　【具體實施方式】

　　[0053] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附表，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

　　[0054] 需要說明的是，本發(fā)明中的爐管材料采用常規(guī)制備方法即可。

　　[0055] 實施例1

　　[0056] -種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，其化學成分見表1。

　　[0057] 表1乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼化學成分

　　[0058]

　　[0059] 注：以質(zhì)量百分比為單位。

　　[0060] 經(jīng)測試，本實施例中的微合金化25Cr35NiNb爐管經(jīng)王水浸蝕后柱狀晶占壁厚百 分比為100%，經(jīng)體積分數(shù)為10%的草酸水溶液電解浸蝕后評定其晶粒度等級為級5. 8級。

　　[0061] 對以表1中配比制作的35Cr45NiNb+微合金爐管試樣分別進行3次1100°C、17MPa 試驗條件下的耐高溫持久強度試驗，所得測試結(jié)果如表2所示。

　　[0062] 表2微合金化35Cr45NiNb爐管高溫持久試驗結(jié)果

　　[0063]

　　[0064] 由高溫持久試驗結(jié)果可見，滿足本發(fā)明成分范圍、柱狀晶占壁厚百分比和晶粒度 等級要求的材料高溫持久強度滿足高溫持久斷裂時間大于i〇〇h。

　　[0065] 實施例2

　　[0066] -種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼化學成分見表3。

　　[0067] 表3乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼化學成分

　　[0068]

　　[0069] 注：以質(zhì)量百分比為單位。

　　[0070] 經(jīng)測試，本實施例中的微合金化25Cr35NiNb爐管經(jīng)王水浸蝕后柱狀晶占壁厚百 分比為100%，經(jīng)體積分數(shù)為10%的草酸水溶液電解浸蝕后評定其晶粒度等級為5. 0級。

　　[0071] 對以表3中配比制作的35Cr45NiNb+微合金爐管試樣分別進行3次1100°C、17MPa 試驗條件下的耐高溫持久強度試驗，所得測試結(jié)果如表4所示。

　　[0072] 表4 35Cr45NiNb+微合金爐管高溫持久試驗結(jié)果

　　[0073]

　　[0074] 由高溫持久試驗結(jié)果可見，滿足本發(fā)明成分范圍、柱狀晶占壁厚百分比和晶粒度 等級要求的材料高溫持久強度滿足高溫持久斷裂時間大于i〇〇h。

　　[0075] 對比例1

　　[0076] -種乙烯裂解爐管用35Cr45NiNb+微合金材料，其化學成分見表5。

　　[0077] 表5乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼化學成分

　　[0078]

　　[0079] 注：以質(zhì)量百分比為單位。

　　[0080] 經(jīng)測試，本實施例中的微合金化25Cr35NiNb爐管經(jīng)王水浸蝕后柱狀晶占壁厚百 分比為60%，經(jīng)體積分數(shù)為10%的草酸水溶液電解浸蝕后評定其晶粒度等級為5. 5級。

　　[0081] 對以表5中配比制作的35Cr45NiNb+微合金爐管試樣分別進行3次1100°C、17MPa 試驗條件下的耐高溫持久強度試驗，所得測試結(jié)果如表6所示。

　　[0082] 表6 35Cr45NiNb+微合金爐管高溫持久試驗結(jié)果

　　[0083]

　　[0084]

　　[0085] 由化學成分結(jié)果可見，該爐管成分中Al、Ti、Zr元素成分均不在本發(fā)明提供材料 的成分范圍內(nèi)，且其柱狀晶占壁厚百分比不滿足大于70%的要求，其高溫持久斷裂時間小 于 100h。

　　[0086] 對比例2

　　[0087] -種乙烯裂解爐管用35Cr45NiNb+微合金材料，其化學成分見表7。

　　[0088] 表7乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼化學成分

　　[0089]

　　[0090] 注：以質(zhì)量百分比為單位。

　　[0091] 經(jīng)測試，本實施例中的微合金化25Cr35NiNb爐管經(jīng)王水浸蝕后柱狀晶占壁厚百 分比為100%，經(jīng)體積分數(shù)為10%的草酸水溶液電解浸蝕后評定其晶粒度等級為5. 0級。

　　[0092] 對以表7中配比制作的35Cr45NiNb+微合金爐管試樣分別進行3次1100°C、17MPa 試驗條件下的耐高溫持久強度試驗，所得測試結(jié)果如表8所示。

　　[0093] 表8 35Cr45NiNb+微合金爐管高溫持久試驗結(jié)果

　　[0094]

　　[0095] 由化學成分結(jié)果可見，該爐管成分中？、0、附31、!1、2廠？13、81元素成分均不在 本發(fā)明提供材料的成分范圍內(nèi)，其高溫持久斷裂時間小于l〇〇h。

　　【主權(quán)項】

　　1. 一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量百分比計， 含有 C :0? 40 ~0? 50, Si :1. 20 ~L 80, Mn :0? 60 ~L 20, P :0? OOl ~0? 020, S :0? OOl ~ 0? 010，Cr :35 ~36，Ni :45 ~46，Nb :0? 80 ~I. 50，W :0? 005 ~0? 20，M〇 :0? 005 ~0? 20，Cu : 0? 005 ~0? 30，A1 :0? 005 ~0? 20，Ti :0? 05 ~0? 10，Zr :0? 05 ~0? 10，B :0? 0010 ~0? 0050， As :0 ~0? 0020, Sn :0 ~0? 0020, Pb :0 ~0? 0020, Bi :0 ~0? 0001，余量為 Fe。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，其特征在 于，柱狀晶占壁厚百分比大于70%，晶粒度等級為5~6級。

　　【專利摘要】本發(fā)明公開一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，以質(zhì)量百分比為單位，含有C：0.40～0.50，Si：1.20～1.80，Mn：0.60～1.20，P：0.001～0.020，S：0.001～0.010，Cr：35～36，Ni：45～46，Nb：0.80～1.50，W：0.005～0.20，Mo：0.005～0.20，Cu：0.005～0.30，Al：0.005～0.20，Ti：0.05～0.10，Zr：0.05～0.10，B：0.0010～0.0050，As：0～0.0020，Sn：0～0.0020，Pb：0～0.0020，Bi：0～0.0001，余量為Fe。該合金鋼要求柱狀晶占壁厚百分比大于70％，晶粒度等級為5～6級。本發(fā)明能有效提升乙烯裂解爐管的高溫持久性能，使其滿足在1100℃、17MPa條件下，高溫持久斷裂時間大于100小時的要求，從而達到保障乙烯裂解爐裝置長周期安全運行的目的。

　　【IPC分類】C22C30/04

　　【公開號】CN105039827

　　【申請?zhí)枴緾N201510482318

　　【發(fā)明人】陳學東, 劉春嬌, 陳濤, 連曉明, 葉娟, 范志超

　　【申請人】合肥通用機械研究院, 合肥通用機械研究院特種設(shè)備檢驗站

　　【公開日】2015年11月11日

　　【申請日】2015年8月3日