新一代长寿命抗结焦高温合金诞生记

原诗萌

乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要地位。我国是乙烯大国，截至2022年底，我国乙烯产能达到4675万吨/年，首次超过美国成为世界乙烯产能第一大国。预计到2025年产量将突破7000万吨。

乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，乙烯裂解炉管技术和质量的优劣直接决定了整套乙烯装置的生产规模、产量和产品品质。我国的乙烯裂解炉炉管现在主要使用耐热钢，但其抗结焦和渗碳能力有限，清焦周期和炉管寿命均比国外近几年推行的加铝材料炉管低一倍以上，导致我国使用传统耐热钢炉管生产技术的综合使用成本较国外加铝材料炉管高约600元/吨，且裂解能耗和节能减排面临较大压力。

中国钢研所属钢研高纳研发团队在先进航空航天材料的基础之上，结合乙烯裂解炉的特殊使用环境和工艺特点，自主设计开发了具有独立自主知识产权的新一代长寿命抗结焦NH1949高温合金新材料及其乙烯裂解炉管工业化制备技术，实现了我国乙烯裂解炉管的技术升级和低成本工业化生产。

“中国钢研自主开发的新型抗结焦新材料NH1949高温合金打破了西方的技术封锁，实现了弯道超车，对于提升我国石油化工产业竞争力具有非常重要的意义。”中国钢研党委副书记、总经理高宏斌说。

“生死之战”

乙烯裂解炉管是乙烯生产装置的核心部件，直接决定着整套乙烯装置的生产水平。而炉管结焦则是长期困扰乙烯装置达产降耗的世界性难题。

中国钢研作为我国金属材料及冶金领域实力领先的综合性研发机构和科技型企业，承担起了重要使命。“近年来，围绕‘四个面向总体要求，中国钢研集聚力量，攻克一批关键核心技术，形成一批重大科技成果。NH1949高温合金就是面向经济主战场的代表性成果。”高宏斌对《国资报告》记者说。

我国目前采用的Cr25Ni35和Cr35Ni45合金，依靠形成三氧化二铬氧化膜提高抗结焦性能，但由于三氧化二铬氧化膜在980℃以上不稳定，容易挥发、开裂，导致保护作用有限，造成炉管的清焦周期、实际服役寿命均较短。

结焦不但造成乙烯产量下降、能耗增加，而且清焦会造成产量损失、影响炉管寿命、排放大量二氧化碳气体，导致乙烯的生产在能耗、污染、效率和成本等方面制约了乙烯产业的高质量发展。

青岛新力通主要从事900℃～1250℃耐高温、耐热合金离心铸管及静态铸件的专业化生产，是化工领域高温合金的龙头企业，在乙烯裂解炉管领域的市占率达到40%，国内排名第一。

青岛新力通董事长王兴雷告诉记者，传统的抗结焦炉管技术是采用物理方法，改变炉管结构，如内涂层、雨滴管、梅花管、扭曲片管等，这种技术在使用前期会起到一定效果，但随着使用时间的增加，效果逐渐不明显。参照航空航天先进高温合金的设计理念，通过铝等合金元素含量的调整，在炉管内壁生成稳定、致密的三氧化二铝膜且可自行修复、再生，替代传统耐热钢的三氧化二铬膜，是抗结焦新材料的发展趋势。

德国相关企业已经开发了加铝合金，可以在炉管内壁自动生成稳定连续的三氧化二铝膜，并于2004年开始商业化应用。此后，日本相关企业相继开发了加铝合金炉管材料，且均在中国申请了专利保护。其中德国的加铝合金材料的综合性能最优，在加铝合金炉管中占据了60%～70%的市场份额。截至2022年10月，全球已有450多台乙烯裂解炉更换了德国生产的加铝合金炉管。不过，德国对中国进行了严密的战略和技术封锁。

2012年开始，王兴雷和青岛新力通的研发团队开始关注加铝高温合金炉管，当时他们了解到，国外有公司正在做加铝合金炉管，这种在高温下炉管内壁自动生成致密的三氧化二铝膜，具有抗结焦和抗渗碳的作用，真正从机理上解决了业界长久以来的难题。得知这一情况后，他们非常有危机感，因为该新材料商业化以后，传统材料肯定会被替代掉。

“我们一开始就定位做国际化，现在国际上已经有新的技术，如果再用传统材料参与国际竞争，肯定会被淘汰。另外，将来国内市场一定会被国外企业占领，我们在国内市场也会被淘汰。因此，能否开发出具有竞争力的高铝新材料，对我们来讲就是生死之战。”王兴雷说。

王兴雷带领研发团队，下定决心研究新材料，并开始查阅大量的合金相关资料。不过，随着研究的深入，王兴雷发现，要研发这种具有很深技术层次的高温合金材料，以青岛新力通当时的研发水平很难实现。在寻找技术研发合作伙伴的过程中，中国钢研所属钢研高纳成为青岛新力通的首选目标。

钢研高纳的前身是钢铁研究总院高温合金材料研究所，该所成立于1958年，助推我国航空航天高温合金体系实现了从无到有的历史性跨越。钢研高纳于2002年成立后，凭借在高温合金领域技术上的领先优势，着力加快实现产业化，将技术优势转化为生产优势和市场优势，努力打造国内高温合金一流的供应商与研发创新基地。2015年，青岛新力通与钢研高纳的真空连铸工程中心研发团队签订了技术研发联合协议，开展乙烯裂解炉管用高温合金的联合攻关。

突破“四难”

由于德国、日本的加铝高温合金材料均在中国申请了专利保护，且范围非常宽，想要突破知识产权限制，还要把铝加进去，非常困难。联合研发团队在文献调研以及多年高温合金研究的基础之上，经过数十轮次的试验和7年多的时间，终于突破了成分限制，开发了力学性能和抗渗碳、抗结焦性能俱佳且成本可控的加铝炉管材料NH1949高温合金，并于2019年9月份獲得了国家发明专利授权。

这是一段相当艰难的历程。王兴雷告诉记者，由于NH1949高温合金含有4%左右的铝，其材料特性与传统耐热钢有明显差别，导致NH1949高温合金炉管制备及冶炼、铸造、加工、焊接等工序均存在较大难点，存在铝元素控制不稳定，容易出现气孔、夹杂，加工困难、效率低等问题，严重影响工程化应用的质量和效率，可以归纳为“四难”。

首先是冶炼难。NH1949高温合金不仅含有4%左右的铝，并且还含有钛、锆等高活泼元素，在大气中冶炼时，如果工艺控制不当，极易形成氧化物夹杂，不但会造成活泼元素烧损，合金成分控制不稳定，而且对后续的炉管机械性能、表面质量、服役性能均产生不良影响。因此，最初联合研发团队准备走真空离心铸造的路线，但由于成本高、效率低，无法实现工业化和产业化。

“如何解决非真空状态下的冶炼问题，确实超出了我们原有的认知。最终，研发团队经过大量的试验，开发出了冶炼纯净化工艺和表面合金化技术，解决了冶炼难的问题。”王兴雷说。

其次是铸造难。由于铝的加入，NH1949高温合金钢液黏度大、流动困难，钢水必须保持足够的过热度，如果过热度不足，就会产生浇注不足、表面气孔等现象，造成炉管报废。特别是内径较小的炉管，由于所需钢水量少，钢液降温速度快，难度更高。为此，联合研发团队设计了专用的浇铸生产线和浇铸工装、工艺，并严格控制操作流程，突破了铸造难题。

第三是加工难。由于NH1949高温合金中铝的存在，在冶炼浇铸过程中形成的三氧化二铝、氮化铝等夹杂物，在离心力的作用下会聚集在炉管内壁，加上纳米级复合材料Ni3Al强化相的存在，加工非常困难，加工时间数倍于传统的耐热合金炉管，最初研发时加工第一根炉管需要24小时的时间。联合研发团队通过优选合适刀具，调整加工工艺，最终将加工时间控制在60分钟左右。

最后是焊接难。由于市场上没有同材质的焊材，如何解决焊材不抗氧化，成为联合研发团队不得不面对的问题。而且，当时国外也没解决焊材的问题，只是采用低牌号的焊丝替代。通过反复试验，联合研发团队开发出了配套的NH95合金焊丝，保证整台炉都具有优异的抗结焦抗渗碳性能。

最终，联合研发团队充分发挥了中国钢研材料研发能力和制造工艺技术的综合优势，于2018年研发成功了工业化规格的炉管试制，2019年研发成功了具有自主知识产权的NH1949高温合金炉管，填补了国内在此领域的空白。

因为这项技术合作，钢研高纳和青岛新力通加深了对彼此的认识和了解，并开展了更进一步的合作——2018年，钢研高纳通过发行股份及支付现金的方式收购青岛新力通65%的股份，青岛新力通成为钢研高纳子公司，钢研高纳通过此次收购，将业务拓展至石油化工领域。

“我们从此站起来了”

NH1949的研发成功振奋人心。

该研发项目打通了长寿命抗结焦乙烯裂解管NH1949合金工程化应用的关键环节，形成高质量NH1949合金炉管稳定化制备的成套综合技术，进入产业化应用阶段。

王兴雷告诉《国资报告》记者，NH1949材料在综合性能、炉管工艺水平、乙烯裂解服役稳定性表现等方面均超过国外同类产品的水平。同时，NH1949抗渗碳性能优异，渗碳增重只有国外相关公司加铝材料的三分之一，完全抗氧化温度可达1200℃，比国外相关公司加铝材料合金高出100摄氏度，在1100摄氏度、17兆帕条件下的持久壽命是国外相关公司加铝材料的4倍以上。

另据了解，NH1949推动乙烯裂解炉管平均寿命由原6年提升至10年，抗结焦清焦周期由原平均40～60天延长至160天以上，超过国外相关公司平均80～120天的先进水平，节约4倍效能，每年可降低我国乙烯生产成本400亿元以上。

说到NH1949这个材料牌号的命名，还有一段小故事。其中N代表新力通（NPA），H代表耐热性（Heat resistance），1949则代表着新中国成立的年份。

“原来，我们给新材料起牌号是根据主要成分和结构的。这次我们没有按照常规去做，而是命名为NH1949，这个牌号的寓意是，原来我们在这个领域一直是落后的，而新材料的研发成功，则代表着我们在这个行业里从此站起来了。”王兴雷说。

基于NH1949合金优异的性能，青岛新力通准备在世界范围内推广，因此在全球42个国家申请了发明专利，完成了知识产权的全球布局。

截至目前，该成果已获授权国家发明专利1项，并在美国、日本、俄罗斯等15个乙烯生产国家完成发明专利布局，共申请16项国际发明专利，其中获欧盟、俄罗斯、沙特、日本、南非、新加坡、韩国授权国际发明专利7项。同时，成果已在中国石油独山子石化公司、辽阳石化公司、兰州石化公司、烟台万华公司和美国伯韦科（Birwelco）等5家国内外企业推广应用。在独山子的4号炉应用3年来，运行安全、平稳、高效，清焦周期延长了4倍以上。

据测算，NH1949应用后，按照5000万吨/年乙烯产能计算，预计每年可为行业带来300亿元的收益，每年节能减排600万吨标准煤，从而助力客户在降本增效、节能减排、低碳环保等方面走在行业的前列，实现企业更高的经济价值和社会价值。

“未来除了石化市场外，此材料还能应用到氢冶金、氢能源、军工等方向。”王兴雷说。

回顾研发历程，王兴雷感慨道，虽然过程很艰辛，但是不能放弃，放弃就等于失去了未来。所以，我们很感谢这段时光，磨炼了我们的意志。“接下来，我们将在返回料的回收利用方面继续攻关，并不断完善制备工艺，为我国乙烯制备和为石油化工产业发展作出更大贡献。”王兴雷说。

高宏斌向《国资报告》记者表示，下一步，中国钢研将按照国务院国资委的安排部署，围绕服务国家战略需求，以创新链引领产业链，以产业链支撑创新链，强化作为国资央企的战略科技力量，为保障高端金属材料产业链供应链安全、稳定作出更大贡献。