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转化炉管材料的发展与选用

转化炉管材料的发展与选用

转化炉管材料的发展与选用

转化炉的管系是转化炉的核心,包括上集气管、上尾管、转化管、(下尾管)、下集气支管、下集气总管。下集气总管根据制氢规模大小,一般采用热壁集合管和冷壁集合管,制氢规模较小转化炉设备,因出口集合管膨胀量不太大,不会造成下尾管设计上的困难,故常采用热壁集合管。制氢规模较大转化炉,其转化炉出口集合管受热膨胀量在300mm以上,因热应力产生较大的位移,单靠下尾管吸收是不可能的,生产过程中经常有尾管接头断裂现象,而采用冷壁集合管可缓解这些矛盾。由于下集气支管和下集气总管采用带衬里的全冷壁结构,使外壁温度降到200℃以下,大大减小了下集气支管和自身的膨胀量,从而无需使用下尾管。

制氢转化炉管由于管壁温度很高,材质一般为HP-40Nb。目前,设计时转化炉管已开始采用全冷壁集合管结构。转化炉管采用下支承向上膨胀的结构形式,其重量靠设置的弹簧悬吊,以减少热态下管系的应力。转化炉管上部有两根上集气管,通过上尾管与转化管连接,上尾管用于补偿上集气管与转化管之间不同方向的位移。上集气管和上尾管由于工作温度较低(450~540℃),采用铬钼钢,转化炉管下部直接坐落在下集气支管上。

转化炉管材料的发展与选用

转化炉管材料开发经历了几个阶段,最早使用材料为18Cr/8Ni系列,其使用的温度和压力都不高(600℃以下保证耐热强度),后来对Cr和Ni的成分进行多次调整试验,发现25Cr20Ni的热强度比较好,为进一步提高它的强度,把C的质量分数由0.1%提高到0.4%,开发出HK-40高温离心铸造炉管作为转化管。在20世纪六、七十年代的烃类蒸汽转化管几乎都是用HK-40。当初的转化炉管不加工内孔,管壁厚高达22mm,且薄厚不均匀,这不仅使炉管的内应力大、材料的重量大,且使成本居高不下,热效率低,造成介质转化效率低下,后经加工内孔虽有了改善,而且使用一段时间后,发现HK-40在800℃左右的温度范围操作易产生有害的σ相。为了减少σ相产生,后来又生产了改良型的HK-40mod。

到80年代又把用于乙烯裂解炉炉管材料的HP系列高温合金用于烃类蒸汽转化炉。HP耐热合金是在HK系列基础上发展起来的,其中Ni的质量分数提高了15%。Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素,在奥氏体不锈钢中,随着镍含量的增加σ相形成的倾向显著降低。在碳含量相同的条件下,HP比HK的共晶碳化物多,故使蠕变断裂强度提高。该钢的最高使用温度可达1100℃。为了进一步提高炉管的高温蠕变断裂强度和高温韧性,在HP的基础上又添加了Nb,W,Mo和Ti等合金元素,形成了一系列合金炉管的钢种牌号。其中HP-40Nb是目前制氢转化炉使用较多的材料。

HP-40Nb中含有Nb和W,而HK-40中没有这两种元素。Nb和W元素能提高材料的渗碳性,增加温度剧变时的抗裂性,从而提高材料的高温韧性,HP-40Nb线膨胀系数较HK-40小,而导热系数较HK-40高,从而提高了材料的抗热冲击性能。另外HP-40Nb中元素Nb,可以在合金基体中产生细小而均匀分布的Nb(C和N)化合物,大大提高了合金的高温抗蠕变强度,在1000℃时的高温强度比HK-40提高约80%。转化炉管HP-40Nb和HK-40成分和性能,将表1,表2。

转化炉炉管成分

转化炉炉管力学性能

转化炉炉管的壁温分布见图2。高温段在下部,低温段在上部,一般认为温度高,炉管容易损坏,而实际上炉管损坏都在中上部,在管内转化气温度600~800最易损坏。这是由于炉管外壁温度高,内壁温度低,内外壁的膨胀不一样,使炉管产生了热应力,容易造成炉管损坏。下部虽然管壁温度高,但由于内外壁温差小,因此没有损坏。由此可见,高温炉管的失效,温度应力是主要因素,温差应力大于由内压产生的应力。因此,目前高温炉管的设计采取尽可能降低温差应力。在同样的压力和温度水平下为了降低炉管的温差应力,最好的办法是减少炉管的壁厚。目前,炉管的壁厚设计计算,是通过由拉森/米勒曲线求得材料的高温持久强度来计算的。因此,为了降低炉管的壁厚,只有提高炉管材料的高温持久强度。因此,这也是制氢转化炉选择HP-40Nb的原因。

转化炉炉管的壁温分布



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