一種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于乙烯裂解爐管材料技術領域，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】
[0002] 乙烯裂解爐管廣泛應用于石化、電力、冶金、燃氣等國民經濟的支柱領域，一旦發 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和大型 化方向發展，乙烯裂解爐管服役工況越加復雜和苛刻，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計壽命的三分之一，失效事故時有發生，給石化行業制氫裝置 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 待解決的現實問題。
[0003] HG/T2601-2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》中規定對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，導致爐管質量穩定性較差， 頻繁發生早期失效，嚴重影響裝置長周期安全運行。

【發明內容】

[0004] 本發明為了克服上述現有技術的不足，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] 為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0006] -種乙烯裂解爐管用微合金化35Cr45NiNb合金鋼，以質量百分比計，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質量％。
[0011] 2. Si (1.20 ~1.80 質量％ )
[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含量較高的環境中易于產生偏析，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質量％。
[0013] 3. Mn (0.60 ~1.20 質量％ )
[0014] Mn是擴大奧氏體相區元素，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質量％。
[0015] 4. P(0. 001 ~0? 020 質量％ )
[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 要求和經濟成本因素，該材料中的含P量為0. 001~0. 020質量％。
[0017] 5. S(0. 001 ~0? 010 質量％ )
[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合力較差，空 洞很容易形核，在高溫狀態下由于局部應力集中導致空洞連接從而產生微裂紋，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濟成本因素，該材料中的含S量為 0? 001 ~0? 010 質量％。
[0019] 6. Cr (35 ~36 質量％ )
[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、抗滲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 量％。
[0021] 7. Ni (45 ~46 質量％ )
[0022] Ni元素是形成和穩定奧氏體，提高抗滲碳、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質量％。
[0023] 8. Nb(0. 80 ~1. 50 質量％ )
[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質量％。
[0025] 9. W(0. 005 ~0.20 質量％ )
[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質量％。
[0027] 10. Mo (0.005 ~0.20 質量％ )
[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質量％。
[0029] 11. Cu(0. 005~0? 30質量％)
[0030] Cu元素是擴大奧氏體相區的元素，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生銅脆，導致開裂。因此，該材料中的含Cu量為0. 005~0. 30質 量％。
[0031] 12. A1 (0.005 ~0.20 質量％ )
[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質量％。
[0033] 13.11(0.05~0.10質量％)
[0034] Ti元素含量超過0. 10質量％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質量％。
[0035] 14. Zr(0. 05~0? 10質量％)
[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質量％。
[0037] 15. B (0? 0010 ~0? 0050 質量％ )
[0038] B元素具有細化晶粒，改善晶粒形貌，凈化雜質等作用。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 還可以改變滲碳區碳化物的種類及形態。因此，該材料中的含B量為0. 0010~0. 0050質 量％。
[0039] 16. As (0 ~0.0020 質量％ )
[0040] As元素在材料中常以Fe2As，Fe3As2, FeAs及固溶體形式存在，易發生偏析現象，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濟成本因素，該材料中的含As量為0~0. 0020質量％。
[0041] 17. Sn(0 ~0? 0020 質量％ )
[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濟成本因素，該材料中的含Sn量為0~0. 0020質量％。
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