新一代長(zhǎng)壽命抗結(jié)焦高溫合金誕生記

原詩(shī)萌

乙烯工業(yè)是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心，乙烯產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的75%以上，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。我國(guó)是乙烯大國(guó)，截至2022年底，我國(guó)乙烯產(chǎn)能達(dá)到4675萬(wàn)噸/年，首次超過(guò)美國(guó)成為世界乙烯產(chǎn)能第一大國(guó)。預(yù)計(jì)到2025年產(chǎn)量將突破7000萬(wàn)噸。

乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，乙烯裂解爐管技術(shù)和質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了整套乙烯裝置的生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)。我國(guó)的乙烯裂解爐爐管現(xiàn)在主要使用耐熱鋼，但其抗結(jié)焦和滲碳能力有限，清焦周期和爐管壽命均比國(guó)外近幾年推行的加鋁材料爐管低一倍以上，導(dǎo)致我國(guó)使用傳統(tǒng)耐熱鋼爐管生產(chǎn)技術(shù)的綜合使用成本較國(guó)外加鋁材料爐管高約600元/噸，且裂解能耗和節(jié)能減排面臨較大壓力。

中國(guó)鋼研所屬鋼研高納研發(fā)團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)航空航天材料的基礎(chǔ)之上，結(jié)合乙烯裂解爐的特殊使用環(huán)境和工藝特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代長(zhǎng)壽命抗結(jié)焦NH1949高溫合金新材料及其乙烯裂解爐管工業(yè)化制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)乙烯裂解爐管的技術(shù)升級(jí)和低成本工業(yè)化生產(chǎn)。

“中國(guó)鋼研自主開(kāi)發(fā)的新型抗結(jié)焦新材料NH1949高溫合金打破了西方的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了彎道超車(chē)，對(duì)于提升我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的意義。”中國(guó)鋼研黨委副書(shū)記、總經(jīng)理高宏斌說(shuō)。

“生死之戰(zhàn)”

乙烯裂解爐管是乙烯生產(chǎn)裝置的核心部件，直接決定著整套乙烯裝置的生產(chǎn)水平。而爐管結(jié)焦則是長(zhǎng)期困擾乙烯裝置達(dá)產(chǎn)降耗的世界性難題。

中國(guó)鋼研作為我國(guó)金屬材料及冶金領(lǐng)域?qū)嵙︻I(lǐng)先的綜合性研發(fā)機(jī)構(gòu)和科技型企業(yè)，承擔(dān)起了重要使命。“近年來(lái)，圍繞‘四個(gè)面向總體要求，中國(guó)鋼研集聚力量，攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，形成一批重大科技成果。NH1949高溫合金就是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的代表性成果。”高宏斌對(duì)《國(guó)資報(bào)告》記者說(shuō)。

我國(guó)目前采用的Cr25Ni35和Cr35Ni45合金，依靠形成三氧化二鉻氧化膜提高抗結(jié)焦性能，但由于三氧化二鉻氧化膜在980℃以上不穩(wěn)定，容易揮發(fā)、開(kāi)裂，導(dǎo)致保護(hù)作用有限，造成爐管的清焦周期、實(shí)際服役壽命均較短。

結(jié)焦不但造成乙烯產(chǎn)量下降、能耗增加，而且清焦會(huì)造成產(chǎn)量損失、影響爐管壽命、排放大量二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致乙烯的生產(chǎn)在能耗、污染、效率和成本等方面制約了乙烯產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

青島新力通主要從事900℃～1250℃耐高溫、耐熱合金離心鑄管及靜態(tài)鑄件的專業(yè)化生產(chǎn)，是化工領(lǐng)域高溫合金的龍頭企業(yè)，在乙烯裂解爐管領(lǐng)域的市占率達(dá)到40%，國(guó)內(nèi)排名第一。

青島新力通董事長(zhǎng)王興雷告訴記者，傳統(tǒng)的抗結(jié)焦?fàn)t管技術(shù)是采用物理方法，改變爐管結(jié)構(gòu)，如內(nèi)涂層、雨滴管、梅花管、扭曲片管等，這種技術(shù)在使用前期會(huì)起到一定效果，但隨著使用時(shí)間的增加，效果逐漸不明顯。參照航空航天先進(jìn)高溫合金的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)鋁等合金元素含量的調(diào)整，在爐管內(nèi)壁生成穩(wěn)定、致密的三氧化二鋁膜且可自行修復(fù)、再生，替代傳統(tǒng)耐熱鋼的三氧化二鉻膜，是抗結(jié)焦新材料的發(fā)展趨勢(shì)。

德國(guó)相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了加鋁合金，可以在爐管內(nèi)壁自動(dòng)生成穩(wěn)定連續(xù)的三氧化二鋁膜，并于2004年開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。此后，日本相關(guān)企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)了加鋁合金爐管材料，且均在中國(guó)申請(qǐng)了專利保護(hù)。其中德國(guó)的加鋁合金材料的綜合性能最優(yōu)，在加鋁合金爐管中占據(jù)了60%～70%的市場(chǎng)份額。截至2022年10月，全球已有450多臺(tái)乙烯裂解爐更換了德國(guó)生產(chǎn)的加鋁合金爐管。不過(guò)，德國(guó)對(duì)中國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)密的戰(zhàn)略和技術(shù)封鎖。

2012年開(kāi)始，王興雷和青島新力通的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始關(guān)注加鋁高溫合金爐管，當(dāng)時(shí)他們了解到，國(guó)外有公司正在做加鋁合金爐管，這種在高溫下?tīng)t管內(nèi)壁自動(dòng)生成致密的三氧化二鋁膜，具有抗結(jié)焦和抗?jié)B碳的作用，真正從機(jī)理上解決了業(yè)界長(zhǎng)久以來(lái)的難題。得知這一情況后，他們非常有危機(jī)感，因?yàn)樵撔虏牧仙虡I(yè)化以后，傳統(tǒng)材料肯定會(huì)被替代掉。

“我們一開(kāi)始就定位做國(guó)際化，現(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)有新的技術(shù)，如果再用傳統(tǒng)材料參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，肯定會(huì)被淘汰。另外，將來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一定會(huì)被國(guó)外企業(yè)占領(lǐng)，我們?cè)趪?guó)內(nèi)市場(chǎng)也會(huì)被淘汰。因此，能否開(kāi)發(fā)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的高鋁新材料，對(duì)我們來(lái)講就是生死之戰(zhàn)。”王興雷說(shuō)。

王興雷帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，下定決心研究新材料，并開(kāi)始查閱大量的合金相關(guān)資料。不過(guò)，隨著研究的深入，王興雷發(fā)現(xiàn)，要研發(fā)這種具有很深技術(shù)層次的高溫合金材料，以青島新力通當(dāng)時(shí)的研發(fā)水平很難實(shí)現(xiàn)。在尋找技術(shù)研發(fā)合作伙伴的過(guò)程中，中國(guó)鋼研所屬鋼研高納成為青島新力通的首選目標(biāo)。

鋼研高納的前身是鋼鐵研究總院高溫合金材料研究所，該所成立于1958年，助推我國(guó)航空航天高溫合金體系實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的歷史性跨越。鋼研高納于2002年成立后，憑借在高溫合金領(lǐng)域技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，著力加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，努力打造國(guó)內(nèi)高溫合金一流的供應(yīng)商與研發(fā)創(chuàng)新基地。2015年，青島新力通與鋼研高納的真空連鑄工程中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)簽訂了技術(shù)研發(fā)聯(lián)合協(xié)議，開(kāi)展乙烯裂解爐管用高溫合金的聯(lián)合攻關(guān)。

突破“四難”

由于德國(guó)、日本的加鋁高溫合金材料均在中國(guó)申請(qǐng)了專利保護(hù)，且范圍非常寬，想要突破知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制，還要把鋁加進(jìn)去，非常困難。聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)調(diào)研以及多年高溫合金研究的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)數(shù)十輪次的試驗(yàn)和7年多的時(shí)間，終于突破了成分限制，開(kāi)發(fā)了力學(xué)性能和抗?jié)B碳、抗結(jié)焦性能俱佳且成本可控的加鋁爐管材料NH1949高溫合金，并于2019年9月份獲得了國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

這是一段相當(dāng)艱難的歷程。王興雷告訴記者，由于NH1949高溫合金含有4%左右的鋁，其材料特性與傳統(tǒng)耐熱鋼有明顯差別，導(dǎo)致NH1949高溫合金爐管制備及冶煉、鑄造、加工、焊接等工序均存在較大難點(diǎn)，存在鋁元素控制不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)氣孔、夾雜，加工困難、效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程化應(yīng)用的質(zhì)量和效率，可以歸納為“四難”。

首先是冶煉難。NH1949高溫合金不僅含有4%左右的鋁，并且還含有鈦、鋯等高活潑元素，在大氣中冶煉時(shí)，如果工藝控制不當(dāng)，極易形成氧化物夾雜，不但會(huì)造成活潑元素?zé)龘p，合金成分控制不穩(wěn)定，而且對(duì)后續(xù)的爐管機(jī)械性能、表面質(zhì)量、服役性能均產(chǎn)生不良影響。因此，最初聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備走真空離心鑄造的路線，但由于成本高、效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。

“如何解決非真空狀態(tài)下的冶煉問(wèn)題，確實(shí)超出了我們?cè)械恼J(rèn)知。最終，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了冶煉純凈化工藝和表面合金化技術(shù)，解決了冶煉難的問(wèn)題。”王興雷說(shuō)。

其次是鑄造難。由于鋁的加入，NH1949高溫合金鋼液黏度大、流動(dòng)困難，鋼水必須保持足夠的過(guò)熱度，如果過(guò)熱度不足，就會(huì)產(chǎn)生澆注不足、表面氣孔等現(xiàn)象，造成爐管報(bào)廢。特別是內(nèi)徑較小的爐管，由于所需鋼水量少，鋼液降溫速度快，難度更高。為此，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了專用的澆鑄生產(chǎn)線和澆鑄工裝、工藝，并嚴(yán)格控制操作流程，突破了鑄造難題。

第三是加工難。由于NH1949高溫合金中鋁的存在，在冶煉澆鑄過(guò)程中形成的三氧化二鋁、氮化鋁等夾雜物，在離心力的作用下會(huì)聚集在爐管內(nèi)壁，加上納米級(jí)復(fù)合材料Ni3Al強(qiáng)化相的存在，加工非常困難，加工時(shí)間數(shù)倍于傳統(tǒng)的耐熱合金爐管，最初研發(fā)時(shí)加工第一根爐管需要24小時(shí)的時(shí)間。聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)選合適刀具，調(diào)整加工工藝，最終將加工時(shí)間控制在60分鐘左右。

最后是焊接難。由于市場(chǎng)上沒(méi)有同材質(zhì)的焊材，如何解決焊材不抗氧化，成為聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)不得不面對(duì)的問(wèn)題。而且，當(dāng)時(shí)國(guó)外也沒(méi)解決焊材的問(wèn)題，只是采用低牌號(hào)的焊絲替代。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了配套的NH95合金焊絲，保證整臺(tái)爐都具有優(yōu)異的抗結(jié)焦抗?jié)B碳性能。

最終，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮了中國(guó)鋼研材料研發(fā)能力和制造工藝技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)，于2018年研發(fā)成功了工業(yè)化規(guī)格的爐管試制，2019年研發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的NH1949高溫合金爐管，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的空白。

因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)合作，鋼研高納和青島新力通加深了對(duì)彼此的認(rèn)識(shí)和了解，并開(kāi)展了更進(jìn)一步的合作——2018年，鋼研高納通過(guò)發(fā)行股份及支付現(xiàn)金的方式收購(gòu)青島新力通65%的股份，青島新力通成為鋼研高納子公司，鋼研高納通過(guò)此次收購(gòu)，將業(yè)務(wù)拓展至石油化工領(lǐng)域。

“我們從此站起來(lái)了”

NH1949的研發(fā)成功振奮人心。

該研發(fā)項(xiàng)目打通了長(zhǎng)壽命抗結(jié)焦乙烯裂解管NH1949合金工程化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成高質(zhì)量NH1949合金爐管穩(wěn)定化制備的成套綜合技術(shù)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。

王興雷告訴《國(guó)資報(bào)告》記者，NH1949材料在綜合性能、爐管工藝水平、乙烯裂解服役穩(wěn)定性表現(xiàn)等方面均超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。同時(shí)，NH1949抗?jié)B碳性能優(yōu)異，滲碳增重只有國(guó)外相關(guān)公司加鋁材料的三分之一，完全抗氧化溫度可達(dá)1200℃，比國(guó)外相關(guān)公司加鋁材料合金高出100攝氏度，在1100攝氏度、17兆帕條件下的持久壽命是國(guó)外相關(guān)公司加鋁材料的4倍以上。

另?yè)?jù)了解，NH1949推動(dòng)乙烯裂解爐管平均壽命由原6年提升至10年，抗結(jié)焦清焦周期由原平均40～60天延長(zhǎng)至160天以上，超過(guò)國(guó)外相關(guān)公司平均80～120天的先進(jìn)水平，節(jié)約4倍效能，每年可降低我國(guó)乙烯生產(chǎn)成本400億元以上。

說(shuō)到NH1949這個(gè)材料牌號(hào)的命名，還有一段小故事。其中N代表新力通（NPA），H代表耐熱性（Heat resistance），1949則代表著新中國(guó)成立的年份。

“原來(lái)，我們給新材料起牌號(hào)是根據(jù)主要成分和結(jié)構(gòu)的。這次我們沒(méi)有按照常規(guī)去做，而是命名為NH1949，這個(gè)牌號(hào)的寓意是，原來(lái)我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域一直是落后的，而新材料的研發(fā)成功，則代表著我們?cè)谶@個(gè)行業(yè)里從此站起來(lái)了。”王興雷說(shuō)。

基于NH1949合金優(yōu)異的性能，青島新力通準(zhǔn)備在世界范圍內(nèi)推廣，因此在全球42個(gè)國(guó)家申請(qǐng)了發(fā)明專利，完成了知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球布局。

截至目前，該成果已獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)，并在美國(guó)、日本、俄羅斯等15個(gè)乙烯生產(chǎn)國(guó)家完成發(fā)明專利布局，共申請(qǐng)16項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利，其中獲歐盟、俄羅斯、沙特、日本、南非、新加坡、韓國(guó)授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利7項(xiàng)。同時(shí)，成果已在中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司、遼陽(yáng)石化公司、蘭州石化公司、煙臺(tái)萬(wàn)華公司和美國(guó)伯韋科（Birwelco）等5家國(guó)內(nèi)外企業(yè)推廣應(yīng)用。在獨(dú)山子的4號(hào)爐應(yīng)用3年來(lái)，運(yùn)行安全、平穩(wěn)、高效，清焦周期延長(zhǎng)了4倍以上。

據(jù)測(cè)算，NH1949應(yīng)用后，按照5000萬(wàn)噸/年乙烯產(chǎn)能計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可為行業(yè)帶來(lái)300億元的收益，每年節(jié)能減排600萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，從而助力客戶在降本增效、節(jié)能減排、低碳環(huán)保等方面走在行業(yè)的前列，實(shí)現(xiàn)企業(yè)更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

“未來(lái)除了石化市場(chǎng)外，此材料還能應(yīng)用到氫冶金、氫能源、軍工等方向。”王興雷說(shuō)。

回顧研發(fā)歷程，王興雷感慨道，雖然過(guò)程很艱辛，但是不能放棄，放棄就等于失去了未來(lái)。所以，我們很感謝這段時(shí)光，磨煉了我們的意志。“接下來(lái)，我們將在返回料的回收利用方面繼續(xù)攻關(guān)，并不斷完善制備工藝，為我國(guó)乙烯制備和為石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。”王興雷說(shuō)。

高宏斌向《國(guó)資報(bào)告》記者表示，下一步，中國(guó)鋼研將按照國(guó)務(wù)院國(guó)資委的安排部署，圍繞服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求，以創(chuàng)新鏈引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)鏈，以產(chǎn)業(yè)鏈支撐創(chuàng)新鏈，強(qiáng)化作為國(guó)資央企的戰(zhàn)略科技力量，為保障高端金屬材料產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全、穩(wěn)定作出更大貢獻(xiàn)。