?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，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。我國是乙烯大國，截至2022年底，我國乙烯產(chǎn)能達到4675萬噸/年，首次超過美國成為世界乙烯產(chǎn)能第一大國。預(yù)計到2025年產(chǎn)量將突破7000萬噸。
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外近幾年推行的加鋁材料爐管低一倍以上，導(dǎo)致我國使用傳統(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。
中國鋼研所屬鋼研高納研發(fā)團隊在先進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，自主設(shè)計開發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代長壽命抗結(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)，實現(xiàn)了我國乙烯裂解爐管的技術(shù)升級和低成本工業(yè)化生產(chǎn)。
“中國鋼研自主開發(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，實現(xiàn)了彎道超車，對于提升我國石油化工產(chǎn)業(yè)競爭力具有非常重要的意義。”中國鋼研黨委副書記、總經(jīng)理高宏斌說。
“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)焦則是長期困擾乙烯裝置達產(chǎn)降耗的世界性難題。
中國鋼研作為我國金屬材料及冶金領(lǐng)域?qū)嵙︻I(lǐng)先的綜合性研發(fā)機構(gòu)和科技型企業(yè)，承擔起了重要使命。“近年來，圍繞‘四個面向’總體要求，中國鋼研集聚力量，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)濟主戰(zhàn)場的代表性成果。”高宏斌對《國資報告》記者說。
我國目前采用的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)、開裂，導(dǎo)致保護作用有限，造成爐管的清焦周期、實際服役壽命均較短。
結(jié)焦不但造成乙烯產(chǎn)量下降、能耗增加，而且清焦會造成產(chǎn)量損失、影響爐管壽命、排放大量二氧化碳氣體，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)域的市占率達到40%，國內(nèi)排名第一。
青島新力通董事長王興雷告訴記者，傳統(tǒng)的抗結(jié)焦爐管技術(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)在使用前期會起到一定效果，但隨著使用時間的增加，效果逐漸不明顯。參照航空航天先進高溫合金的設(shè)計理念，通過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。
德國相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了加鋁合金，可以在爐管內(nèi)壁自動生成穩(wěn)定連續(xù)的三氧化二鋁膜，并于2004年開始商業(yè)化應(yīng)用。此后，日本相關(guān)企業(yè)相繼開發(fā)了加鋁合金爐管材料，且均在中國申請了專利保護。其中德國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%的市場份額。截至2022年10月，全球已有450多臺乙烯裂解爐更換了德國生產(chǎn)的加鋁合金爐管。不過，德國對中國進行了嚴密的戰(zhàn)略和技術(shù)封鎖。
中國鋼研青島新力通技術(shù)人員對NH1949高溫合金乙烯裂解管排進行焊接
2012年開始，王興雷和青島新力通的研發(fā)團隊開始關(guān)注加鋁高溫合金爐管，當時他們了解到，國外有公司正在做加鋁合金爐管，這種在高溫下爐管內(nèi)壁自動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，真正從機理上解決了業(yè)界長久以來的難題。得知這一情況后，他們非常有危機感，因為該新材料商業(yè)化以后，傳統(tǒng)材料肯定會被替代掉。
“我們一開始就定位做國際化，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有新的技術(shù)，如果再用傳統(tǒng)材料參與國際競爭，肯定會被淘汰。另外，將來國內(nèi)市場一定會被國外企業(yè)占領(lǐng)，我們在國內(nèi)市場也會被淘汰。因此，能否開發(fā)出具有競爭力的高鋁新材料，對我們來講就是生死之戰(zhàn)。”王興雷說。
王興雷帶領(lǐng)研發(fā)團隊，下定決心研究新材料，并開始查閱大量的合金相關(guān)資料。不過，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，以青島新力通當時的研發(fā)水平很難實現(xiàn)。在尋找技術(shù)研發(fā)合作伙伴的過程中，中國鋼研所屬鋼研高納成為青島新力通的首選目標。
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，助推我國航空航天高溫合金體系實現(xiàn)了從無到有的歷史性跨越。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，著力加快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)優(yōu)勢和市場優(yōu)勢，努力打造國內(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)團隊簽訂了技術(shù)研發(fā)聯(lián)合協(xié)議，開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、日本的加鋁高溫合金材料均在中國申請了專利保護，且范圍非常寬，想要突破知識產(chǎn)權(quán)限制，還要把鋁加進去，非常困難。聯(lián)合研發(fā)團隊在文獻調(diào)研以及多年高溫合金研究的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過數(shù)十輪次的試驗和7年多的時間，終于突破了成分限制，開發(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月份獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)。
這是一段相當艱難的歷程。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，存在鋁元素控制不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)氣孔、夾雜，加工困難、效率低等問題，嚴重影響工程化應(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，如果工藝控制不當，極易形成氧化物夾雜，不但會造成活潑元素燒損，合金成分控制不穩(wěn)定，而且對后續(xù)的爐管機械性能、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)團隊準備走真空離心鑄造的路線，但由于成本高、效率低，無法實現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。
“如何解決非真空狀態(tài)下的冶煉問題，確實超出了我們原有的認知。最終，研發(fā)團隊經(jīng)過大量的試驗，開發(fā)出了冶煉純凈化工藝和表面合金化技術(shù)，解決了冶煉難的問題。”王興雷說。
其次是鑄造難。由于鋁的加入，NH1949高溫合金鋼液黏度大、流動困難，鋼水必須保持足夠的過熱度，如果過熱度不足，就會產(chǎn)生澆注不足、表面氣孔等現(xiàn)象，造成爐管報廢。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)團隊設(shè)計了專用的澆鑄生產(chǎn)線和澆鑄工裝、工藝，并嚴格控制操作流程，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聚積在爐管內(nèi)壁，加上納米級復(fù)合材料Ni3Al強化相的存在，加工非常困難，加工時間數(shù)倍于傳統(tǒng)的耐熱合金爐管，最初研發(fā)時加工第一根爐管需要24小時的時間。聯(lián)合研發(fā)團隊通過優(yōu)選合適刀具，調(diào)整加工工藝，最終將加工時間控制在60分鐘左右。
最后是焊接難。由于市場上沒有同材質(zhì)的焊材，如何解決焊材不抗氧化，成為聯(lián)合研發(fā)團隊不得不面對的問題。而且，當時國外也沒解決焊材的問題，只是采用低牌號的焊絲替代。通過反復(fù)試驗，聯(lián)合研發(fā)團隊開發(fā)出了配套的NH95合金焊絲，保證整臺爐都具有優(yōu)異的抗結(jié)焦抗?jié)B碳性能。
最終，聯(lián)合研發(fā)團隊充分發(fā)揮了中國鋼研材料研發(fā)能力和制造工藝技術(shù)的綜合優(yōu)勢，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產(chǎn)權(quán)的NH1949高溫合金爐管，填補了國內(nèi)在此領(lǐng)域的空白。
因為這項技術(shù)合作，鋼研高納和青島新力通加深了對彼此的認識和了解，并開展了更進一步的合作——2018年，鋼研高納通過發(fā)行股份及支付現(xiàn)金的方式收購青島新力通65%的股份，青島新力通成為鋼研高納子公司，鋼研高納通過此次收購，將業(yè)務(wù)拓展至石油化工領(lǐng)域。
“我們從此站起來了”
NH1949的研發(fā)成功振奮人心。
該研發(fā)項目打通了長壽命抗結(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)，進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。
王興雷告訴《國資報告》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)等方面均超過國外同類產(chǎn)品的水平。同時，NH1949抗?jié)B碳性能優(yōu)異，滲碳增重只有國外相關(guān)公司加鋁材料的三分之一，完全抗氧化溫度可達1200℃，比國外相關(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外相關(guān)公司加鋁材料的4倍以上。
另據(jù)了解，NH1949推動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天延長至160天以上，超過國外相關(guān)公司平均80~120天的先進水平，節(jié)約4倍效能，每年可降低我國乙烯生產(chǎn)成本400億元以上。
說到NH1949這個材料牌號的命名，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則代表著新中國成立的年份。
“原來，我們給新材料起牌號是根據(jù)主要成分和結(jié)構(gòu)的。這次我們沒有按照常規(guī)去做，而是命名為NH1949，這個牌號的寓意是，原來我們在這個領(lǐng)域一直是落后的，而新材料的研發(fā)成功，則代表著我們在這個行業(yè)里從此站起來了。”王興雷說。
NH1949的研發(fā)成功振奮人心。
該研發(fā)項目打通了長壽命抗結(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)，進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。
王興雷告訴《國資報告》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)等方面均超過國外同類產(chǎn)品的水平。同時，NH1949抗?jié)B碳性能優(yōu)異，滲碳增重只有國外相關(guān)公司加鋁材料的三分之一，完全抗氧化溫度可達1200℃，比國外相關(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外相關(guān)公司加鋁材料的4倍以上。
另據(jù)了解，NH1949推動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天延長至160天以上，超過國外相關(guān)公司平均80~120天的先進水平，節(jié)約4倍效能，每年可降低我國乙烯生產(chǎn)成本400億元以上。
說到NH1949這個材料牌號的命名，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則代表著新中國成立的年份。
“原來，我們給新材料起牌號是根據(jù)主要成分和結(jié)構(gòu)的。這次我們沒有按照常規(guī)去做，而是命名為NH1949，這個牌號的寓意是，原來我們在這個領(lǐng)域一直是落后的，而新材料的研發(fā)成功，則代表著我們在這個行業(yè)里從此站起來了。”王興雷說。
基于NH1949合金優(yōu)異的性能，青島新力通準備在世界范圍內(nèi)推廣，因此在全球42個國家申請了發(fā)明專利，完成了知識產(chǎn)權(quán)的全球布局。
截至目前，該成果已獲授權(quán)國家發(fā)明專利1項，并在美國、日本、俄羅斯等15個乙烯生產(chǎn)國家完成發(fā)明專利布局，共申請16項國際發(fā)明專利，其中獲歐盟、俄羅斯、沙特、日本、南非、新加坡、韓國授權(quán)國際發(fā)明專利7項。同時，成果已在中國石油獨山子石化公司、遼陽石化公司、蘭州石化公司、煙臺萬華公司和美國伯韋科（Birwelco）等5家國內(nèi)外企業(yè)推廣應(yīng)用。在獨山子的4號爐應(yīng)用3年來，運行安全、平穩(wěn)、高效，清焦周期延長了4倍以上。
據(jù)測算，NH1949應(yīng)用后，按照5000萬噸/年乙烯產(chǎn)能計算，預(yù)計每年可為行業(yè)帶來300億元的收益，每年節(jié)能減排600萬噸標準煤，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，實現(xiàn)企業(yè)更高的經(jīng)濟價值和社會價值。
“未來除了石化市場外，此材料還能應(yīng)用到氫冶金、氫能源、軍工等方向。”王興雷說。
回顧研發(fā)歷程，王興雷感慨道，雖然過程很艱辛，但是不能放棄，放棄就等于失去了未來。所以，我們很感謝這段時光，磨煉了我們的意志。“接下來，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，為我國乙烯制備和石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出更大貢獻。”王興雷說。
高宏斌向《國資報告》記者表示，下一步，中國鋼研將按照國務(wù)院國資委的安排部署，圍繞服務(wù)國家戰(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，強化作為國資央企的戰(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。
來源：《國資報告》
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