用于将陶瓷接合至金属的双过渡接头制造技术

本发明专利技术涉及用于接合具有不同热膨胀系数的材料，如高级陶瓷和金属化合物的有效方法。此外，本发明专利技术涉及在两种不同材料之间制造接头的炉管和方法，所述接头为组成梯度的以在接合材料之间提供基本上梯度的热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及接合具有不同热膨胀系数的材料，更特别地涉及炉管，以及在装置中的两个不同材料之间制造接头的方法，所述接头为功能梯度的或组成梯度的，并提供基本上梯度的热膨胀系数(CTE)。
技术介绍
油气精炼厂常常在加工流体中使用管道(pipe)和管(tube)(下文称为“管”)的系统。在许多应用中，管子(tubing)不仅用作运输待加工的流体的管线，也用作化学工厂加工设备的整体组件，例如裂解炉管。现有技术的裂解炉通常包括耐火衬里火室，所述耐火衬里火室包括大量高合金 (金属)反应器炉管，待裂解的烃类原料以及合适量的稀释蒸汽在所述高合金(金属)反应器炉管的内部流动。显热和裂解热主要通过辐射热从位于火室的地板和/或壁上的燃烧器提供。所述热量通过合金反应线(反应器炉管)传递至在其中流动的烃类原料，以提供裂解烃类所需的能量。而且，如今构造的裂解炉在约1625° F的最大流体整体温度下提供毫秒停留时间，且对于它们的辐射加热反应炉管而言，裂解炉由金属材料构成。相比于反应器炉管的金属材料所能承受的热负荷，耐火材料衬里的火室本身能够放出更高的热负荷。在前述反应器炉管的容量(其应该尽可能高)及其停留时间(其应该尽可能短)以及选择性(以获得有价值的烯烃产物物种(例如乙烯和丙烯)的最大的可能产量)方面，构造反应器炉管的金属材料的所述最大使用温度限制了前述反应器炉管的性能。考虑到反应器炉管在热裂解过程中所暴露的相对较高的温度，金属材料为用于构造所述管的优选材料。随着反应器设计者努力争取过程中的更高容量和更高选择性(所述更高容量和更高选择性源自具有更高最大使用温度极限的材料的使用)，他们已稳定改进了制造反应器炉管的金属合金的性质。常规反应器炉管由含镍合金构造，大多数含镍合金由包含铬、镍和铁(18至38重量％的铬、18至48重量％的镍、余量铁(即钢))以及合金添加剂的组合物制得。这些合金用于在通常1100° F以上且至多2000° F或更高的高温下操作的工业过程。通常，用于反应器炉管以增加前述反应器炉管的最大使用温度的含镍合金的开发已通过仔细控制组成和微结构以制得例如改进品质的奥氏体镍铬钢而实现。参见例如Kleeman，美国专利No. 6，409，847 (其内容以引用方式并入本文)。然而，最好的含镍奥氏体钢和合金仍然具有仅大约2100° F的最大使用温度。然而，在高裂解温度下，在常规反应器炉管中的镍充当用于在管内形成焦炭(即称为“催化焦炭”的特定形式的焦炭)的催化剂。作为热解本身(即时间和温度(特别是极热的壁温)对在反应物质中所产生的焦炭前体材料的作用)的结果，焦炭也在金属管壁上形成。具有与催化焦炭不同的形成机理和不同的结构的此类焦炭称为“热解焦炭”。通过热解形成的焦炭覆盖在反应器炉管中的催化焦炭的顶部。随时间、温度和焦炭前体材料而变化的热解焦炭的沉积的量沿着管长度增加，在时间、温度和前体处于增加水平的反应管输出末端处达到最大。对于在裂解领域中焦炭形成的一般讨论的近期例子，参见例如如下:“Kinetic Modeling of Coke Formation during Steam Cracking，，, S. Wauters 和G. B. Marin,Industrial&Engineering Chemistry Research,41(10),2379-91 ；KineticModeling of Coke Formation during Steam Cracking,” 的评价，Lyle F. Albright,Industrial&Engineering Chemistry Research, 41 (24), 6210-12 ;以及 对“KineticModeling of Coke Formation during Steam Cracking，，的评价的答复,Marie-FrancoiseS. G. Reyniers, Sandra Wauters,和 Guy B. Marin, Industrial&Engineering ChemistryResearch,41(24)，6213-14。焦炭形成对过程有害具有多个原因。焦炭在反应器炉管的内部的沉积压缩了烃类的流动路径，从而导致增加的系统压降和降低的通量。更高的平均烃类分压降低了过程的选择性；且在极端情况中，焦炭可导致流动的分布不良(在平行反应器炉管之间)，并最终 导致炉子容量的下降。另外，在炉管内部沉积的焦炭增加了反应器管壁的外部和在反应器管内流动的整体流体之间的传热阻力。因此，必须增加外部烟道气温度、燃烧速度和外部管壁温度，以保持在管内流动的烃类流体的相同温度和/或转化率。反应器管壁的外部温度最终可达到制造管的材料的最大使用极限，在此情况下需要关闭炉子，并通过使蒸汽和空气的混合物经过管以将焦炭(主要为碳)转化为碳氧化物的混合物，从而去除焦炭。该过程称为“除焦”。除焦消耗有价值的资源，并且在常规含镍金属合金反应器炉管的情况中，除焦降低了管寿命。管寿命通过多种机理而降低，所述机理包括但不限于磨损、热疲劳，以及对内部氧化物保护层的损坏。现有技术中存在通过改变用于反应器炉管的材料而降低焦化的尝试。例如，现有技术描述了使用硅陶瓷用于反应器炉管构造。例如，Winkler等人，美国专利No. 2，018，619描述了一种使用由硅粉制成的反应管的用于烃类的热解转化的装置；Endter等人，美国专利No. 2，987，382描述了一种用于在陶瓷管中进行气体反应的炉子；C0pp0la等人，美国专利No. 4，346，049公开了用于形成炉管的碳化硅粉末压块；以及Williams等人，美国专利No. 5，254，318描述了用于高压重整反应器的衬里管。欧洲专利申请EP I 018 563 Al公开了一种加热炉管，以及一种在过程中发生焦化和渗碳问题的位置处使用和制造这种加热管的方法，所述加热炉管包括稀土氧化物粒子分散体加强(ODS)的铁合金，所述铁合金含有17-26重量％的Cr和2-6重量％的Al。炉管组合物的更多的近期创新包括更耐热的非含镍材料，如用于在1300° F或更高的温度下裂解烃类原料的陶瓷和/或氧化物分散体加强(“0DS”)的合金，参见美国专利申请No. 2004/0147794，其全部内容以引用方式并入本文。在化学工厂加工设备中所用的各种管具有不同的材料要求。例如，要求位于炉子的辐射部分内的反应器炉管容忍原料裂解温度以上的温度。极重要的是仅使进料在裂解以上的温度下进行特定量的时间，以防止过度裂解或非选择性裂解。然而，将炉管连接至其它管，如用于运输烃类气体的传输管和跨接管。由于跨接管和传输管不暴露于如炉管所暴露的那样多的热量，因此它们的组成可与炉管的组成大不相同。为了提供可承受更高温度、增加容量和更高的选择性的炉管而使用各种材料(如陶瓷、金属等)的混合物总是导致需要将各种加工设备组件中的陶瓷和金属合金接合在一起。而且，金属/合金和陶瓷材料的接合是成问题的。接合可被认为是在待接合的两个组件或材料之间产生受控界面。控制界面由于两个主要原因而是重要的首先，为了确保发生适当的或有利的化学反应(例如，在钎焊操作中确保润湿和结合，或在扩散结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.09.11 US 12/558,3871.一种在装置中的两种材料之间制造接头的方法，所述方法包括由第一材料A至第一金属材料B的过渡，其中在所述装置的操作温度下第一材料A和第一金属材料B为不相容的，所述方法包括 i)所述第一材料A至第二材料C的第一过渡，其中在所述装置的操作温度下第二材料C与第一材料A和第一金属材料B均可相容，且其中第一材料A和第二材料C之间的所述第一过渡为梯度的，以在第一材料A和第二材料C之间提供具有基本上梯度的组成和/或热膨胀系数的梯度；以及 )在第二材料C和第一金属材料B之间的第二过渡，其中在第二材料C和第一金属材料B之间的所述第二过渡为梯度的，以在第二材料C和第一金属材料B之间提供具有基本上梯度的组成和/或热膨胀系数的梯度，前提是所述接头包括至少两个梯度。2.根据权利要求I所述的方法，其中第一材料A为选自陶瓷、高级陶瓷、陶瓷基质复合材料、金属互化物和氧化物分散体加强的材料的至少一种。3.根据权利要求2所述的方法，其中第一材料A为选自碳化硅基陶瓷、氮化硅基材料、氧化铝基材料、硅酸镁和氧化锆的至少一种材料和它们的组合。4.根据权利要求3所述的方法，其中第一材料A为选自A1203、ZrO2,SiC、B4C, WC、BN、Si3N4, SiAlON、MgAl2O4(尖晶石)和 MgB2 的至少一种。5.根据权利要求4所述的方法，其中第一材料A为复合材料。6.根据权利要求I所述的方法，其中第一金属材料B为至少一种金属材料。7.根据权利要求6所述的方法，其中第一金属材料B为选自铝的合金、铜的合金、镁的合金、锌的合金、铁的合金、镍的合金、钛的合金和钴的合金的至少一种材料。8.根据权利要求7所述的方法，其中第一金属材料B为铁铬镍基合金。9.根据权利要求I所述的方法，其中第二材料C与第一材料A和第一金属材料B不相同，且为选自氧化铝、氧化锆和尖晶石的至少一种材料。10.根据权利要求I所述的方法，其中第一材料A为碳化娃基,第一金属材料B为铁铬镍基，且第二材料C为氧化铝。11.根据权利要求I所述的方法，其中所述第一和第二过渡通过选自如下的至少一种过程而进行常规粉末加工和烧制、松散颗粒加工、预成型加工、层加工、熔体浸渗技术、挤出和热喷雾、扩散结合、热喷雾、热挤出和扩散结合钎焊。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二过渡还包含另外的金属材料。13.根据权利要求12所述的方法,其中在第二材料C和第一金属材料B之间的第二过渡还包含另外的金属材料。14.根据权利要求13所述的方法，其中另外的金属材料为选自铁基、镍基、钛基、钴基和钯基材料和合金的至少一种。15.一种用于炉子的炉子元件，所述炉子用于将烃类原料热裂解为烯烃烃类产物，所述炉子元件包括具有第一材料A、第一金属材料B和第二材料C的接头，其中在所述炉子的制造和/或操作温度下第一材料A和第一金属材料B为不相容的，其中在所述炉子的操作温度下所述第二材料C与第一材料A和第一金属材料B均可相容，且其中所述第二材料C在第一材料A和第一金属材料B之间为梯度的，以在第一材料A和第一金属材料B之间提供具有基本上梯度的组成和/或热膨胀系数的梯度，前提是所述接头包括至少两个梯度。16.根据权利要求15所述的元件，其中通过所述第一材料A至所述第二材料C的第一过渡以及第二材料C和第一金属材料B之间的第二过渡，第二材料C在第一材料A和第一金属材料B之间为功能梯度的。17.根据权利要求15所述的元件，其中第一材料A为选自陶瓷、高级陶瓷、陶瓷基质复合材料、金属互化物和氧化物分散体加强的材料的至少一种。18.根据权利要求17所述的兀件,其中第一材料A为选自碳化娃基材料、氮化娃基材料、氧化铝基材料、硅酸镁、铝酸镁和氧化锆的至少一种材料。19.根据权利要求18所述的元件，其中第一材料A为选自Al203、Zr02、SiC、B4C、WC、BN、Si3N4, SiAlON、MgAl2O4...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·费尔尼，M·D·罗伯茨，Y·王，N·R·卡维尔维多，D·J·布朗，
申请(专利权)人：斯通及维布斯特工艺技术有限公司，
类型：发明
国别省市：