用於將陶瓷接合至金屬的雙過渡接頭的製作方法

2023-08-04 05:47:21 3

專利名稱：用於將陶瓷接合至金屬的雙過渡接頭的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及接合具有不同熱膨脹係數的材料，更特別地涉及爐管，以及在裝置中的兩個不同材料之間製造接頭的方法，所述接頭為功能梯度的或組成梯度的，並提供基本上梯度的熱膨脹係數(CTE)。
背景技術：
油氣精煉廠常常在加工流體中使用管道(pipe)和管(tube)(下文稱為「管」)的系統。在許多應用中，管子(tubing)不僅用作運輸待加工的流體的管線，也用作化學工廠加工設備的整體組件，例如裂解爐管。現有技術的裂解爐通常包括耐火襯裡火室，所述耐火襯裡火室包括大量高合金 (金屬)反應器爐管，待裂解的烴類原料以及合適量的稀釋蒸汽在所述高合金(金屬)反應器爐管的內部流動。顯熱和裂解熱主要通過輻射熱從位於火室的地板和/或壁上的燃燒器提供。所述熱量通過合金反應線(反應器爐管)傳遞至在其中流動的烴類原料，以提供裂解烴類所需的能量。而且，如今構造的裂解爐在約1625° F的最大流體整體溫度下提供毫秒停留時間，且對於它們的輻射加熱反應爐管而言，裂解爐由金屬材料構成。相比於反應器爐管的金屬材料所能承受的熱負荷，耐火材料襯裡的火室本身能夠放出更高的熱負荷。在前述反應器爐管的容量(其應該儘可能高)及其停留時間(其應該儘可能短)以及選擇性(以獲得有價值的烯烴產物物種(例如乙烯和丙烯)的最大的可能產量)方面，構造反應器爐管的金屬材料的所述最大使用溫度限制了前述反應器爐管的性能。考慮到反應器爐管在熱裂解過程中所暴露的相對較高的溫度，金屬材料為用於構造所述管的優選材料。隨著反應器設計者努力爭取過程中的更高容量和更高選擇性(所述更高容量和更高選擇性源自具有更高最大使用溫度極限的材料的使用)，他們已穩定改進了製造反應器爐管的金屬合金的性質。常規反應器爐管由含鎳合金構造，大多數含鎳合金由包含鉻、鎳和鐵(18至38重量％的鉻、18至48重量％的鎳、餘量鐵(即鋼))以及合金添加劑的組合物製得。這些合金用於在通常1100° F以上且至多2000° F或更高的高溫下操作的工業過程。通常，用於反應器爐管以增加前述反應器爐管的最大使用溫度的含鎳合金的開發已通過仔細控制組成和微結構以製得例如改進品質的奧氏體鎳鉻鋼而實現。參見例如Kleeman，美國專利No. 6，409，847 (其內容以引用方式併入本文)。然而，最好的含鎳奧氏體鋼和合金仍然具有僅大約2100° F的最大使用溫度。然而，在高裂解溫度下，在常規反應器爐管中的鎳充當用於在管內形成焦炭(即稱為「催化焦炭」的特定形式的焦炭)的催化劑。作為熱解本身(即時間和溫度(特別是極熱的壁溫)對在反應物質中所產生的焦炭前體材料的作用)的結果，焦炭也在金屬管壁上形成。具有與催化焦炭不同的形成機理和不同的結構的此類焦炭稱為「熱解焦炭」。通過熱解形成的焦炭覆蓋在反應器爐管中的催化焦炭的頂部。隨時間、溫度和焦炭前體材料而變化的熱解焦炭的沉積的量沿著管長度增加，在時間、溫度和前體處於增加水平的反應管輸出末端處達到最大。對於在裂解領域中焦炭形成的一般討論的近期例子，參見例如如下:「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,」 的評價，Lyle F. Albright,Industrial&Engineering Chemistry Research, 41 (24), 6210-12 ;以及 對「KineticModeling of Coke Formation during Steam Cracking，，的評價的答覆,Marie-FrancoiseS. G. Reyniers, Sandra Wauters,和 Guy B. Marin, Industrial&Engineering ChemistryResearch,41(24)，6213-14。焦炭形成對過程有害具有多個原因。焦炭在反應器爐管的內部的沉積壓縮了烴類的流動路徑，從而導致增加的系統壓降和降低的通量。更高的平均烴類分壓降低了過程的選擇性；且在極端情況中，焦炭可導致流動的分布不良(在平行反應器爐管之間)，並最終 導致爐子容量的下降。另外，在爐管內部沉積的焦炭增加了反應器管壁的外部和在反應器管內流動的整體流體之間的傳熱阻力。因此，必須增加外部煙道氣溫度、燃燒速度和外部管壁溫度，以保持在管內流動的烴類流體的相同溫度和/或轉化率。反應器管壁的外部溫度最終可達到製造管的材料的最大使用極限，在此情況下需要關閉爐子，並通過使蒸汽和空氣的混合物經過管以將焦炭(主要為碳)轉化為碳氧化物的混合物，從而去除焦炭。該過程稱為「除焦」。除焦消耗有價值的資源，並且在常規含鎳金屬合金反應器爐管的情況中，除焦降低了管壽命。管壽命通過多種機理而降低，所述機理包括但不限於磨損、熱疲勞，以及對內部氧化物保護層的損壞。現有技術中存在通過改變用於反應器爐管的材料而降低焦化的嘗試。例如，現有技術描述了使用矽陶瓷用於反應器爐管構造。例如，Winkler等人，美國專利No. 2，018，619描述了一種使用由矽粉製成的反應管的用於烴類的熱解轉化的裝置；Endter等人，美國專利No. 2，987，382描述了一種用於在陶瓷管中進行氣體反應的爐子；C0pp0la等人，美國專利No. 4，346，049公開了用於形成爐管的碳化矽粉末壓塊；以及Williams等人，美國專利No. 5，254，318描述了用於高壓重整反應器的襯裡管。歐洲專利申請EP I 018 563 Al公開了一種加熱爐管，以及一種在過程中發生焦化和滲碳問題的位置處使用和製造這種加熱管的方法，所述加熱爐管包括稀土氧化物粒子分散體加強(ODS)的鐵合金，所述鐵合金含有17-26重量％的Cr和2-6重量％的Al。爐管組合物的更多的近期創新包括更耐熱的非含鎳材料，如用於在1300° F或更高的溫度下裂解烴類原料的陶瓷和/或氧化物分散體加強(「0DS」)的合金，參見美國專利申請No. 2004/0147794，其全部內容以引用方式併入本文。在化學工廠加工設備中所用的各種管具有不同的材料要求。例如，要求位於爐子的輻射部分內的反應器爐管容忍原料裂解溫度以上的溫度。極重要的是僅使進料在裂解以上的溫度下進行特定量的時間，以防止過度裂解或非選擇性裂解。然而，將爐管連接至其它管，如用於運輸烴類氣體的傳輸管和跨接管。由於跨接管和傳輸管不暴露於如爐管所暴露的那樣多的熱量，因此它們的組成可與爐管的組成大不相同。為了提供可承受更高溫度、增加容量和更高的選擇性的爐管而使用各種材料(如陶瓷、金屬等)的混合物總是導致需要將各種加工設備組件中的陶瓷和金屬合金接合在一起。
而且，金屬/合金和陶瓷材料的接合是成問題的。接合可被認為是在待接合的兩個組件或材料之間產生受控界面。控制界面由於兩個主要原因而是重要的首先，為了確保發生適當的或有利的化學反應(例如，在釺焊操作中確保潤溼和結合，或在擴散結合中提供足夠的擴散)；以及第二，為了消除(如果可能)熱膨脹係數(CTE)的差異。例如，碳化矽(SiC)和鐵鉻鎳合金的接合失敗，因為材料以有害的方式反應(在約2000° F以上的溫度下)而形成相對較低熔點的Ni-矽化物。這種反應可在結合工序(如釺焊或擴散結合)過程中或在使用過程中發生。另外，這些材料具有極不同的熱膨脹係數(CTE)。如果兩種材料被直接置於一起並接合(例如通過釺焊或擴散結合)，則存在破壞的極大可能性(如果結合面積僅為數平方毫米)。存在多種已知方式以克服CTE失配的影響。這些方式包括使用單個夾層、雙夾層和柔性夾層。這些夾層在兩個主要組件之間結合。也提出了完全梯度材料或功能梯度材料或者夾層。Fernie 等人，Welding and Metal Fabrication, 5 (1991) 179-194。儘管本領域已知組合兩種不同的材料，例如高級(即技術)陶瓷和金屬合金以 製得功能梯度材料(FGM),參見例如，Pietrzak 等人，Journal of the European CeramicSociety, 27 (2007),第 1281-1286 頁和 Ruys 等人，Journal of the European CeramicSociety, 21 (2001)，第2025-2029頁，在現有技術中公開的方法已獲得一些效用，但具有缺點。類似地，已證實了基於兩種陶瓷的功能梯度材料的製備，C. S. Lee, X. F. Zhang和G. Thomas 『Novel joining of dissimilar ceramics in the Si3N4-Al2O3 system usingpolytypoid functional gradients』，Acta Mater. ,2001,49,3775-3780。因此，工業中持續需要接合具有不同熱膨脹係數的不同材料(如高級陶瓷和金屬材料)以提供用於例如化學工廠加工設備中的改進的管。

發明內容
本發明提供了一種在裝置中的兩種材料之間製造接頭的方法，所述方法包括由第一材料A至第一金屬材料B的過渡，其中在所述裝置的操作溫度下(或在所述材料的接合過程中)第一材料A和第一金屬材料B為不相容的(由於任何化學或熱機械原因)，所述方法包括 i)所述第一材料A至第二材料C的第一過渡，其中在所述裝置的操作溫度下第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中第一材料A和第二材料C之間的所述第一過渡為功能梯度的，以在第一材料A和第二材料C之間提供具有基本上梯度的(graded)組成和/或熱膨脹係數的梯度(gradation);以及ii)在第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡，其中在第二材料C和第一金屬材料B之間的所述第二過渡為功能梯度的，以在第二材料C和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。本發明也涉及一種用於爐子的爐子元件，所述爐子用於將烴類原料熱裂解為烯烴烴類產物，所述爐子元件包括具有第一材料A、第一金屬材料B和第二材料C的接頭，其中在所述爐子的操作溫度下第一材料A和第一金屬材料B為不相容的(由於任何化學或熱機械原因)，其中在所述爐子的操作溫度下所述第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為功能梯度的，以在第一材料A和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。一種用於將烴類原料裂解為烯烴烴類產物的方法，所述方法包括在包括多個反應器爐管的熱解裂解爐中在至少約1300° F的溫度下在爐中裂解所述烴類，其中至少一個所述反應器爐管包括具有第一材料A、第一金屬材料B和第二材料C的接頭，其中在所述溫度下第一材料A和第一金屬材料B為不相容的(由於任何化學或熱機械原因)，其中在所述溫度下第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為功能梯度的，以在第一材料A和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。本發明的新穎性和創造性的雙過渡接頭能夠接合具有不同熱膨脹係數的不同材 料，例如通過在碳化矽和金屬合金之間提供材料的至少兩個功能梯度過渡(即梯度)而接合碳化矽基陶瓷和鐵鉻鎳基合金。所述新穎性接合/設計的特徵在於連續組成變化，即「梯度」(由A至C至B)以及梯度的熱膨脹係數。因此，防止了不同材料之間的有害化學反應，也克服了 CTE的固有失配。可策略性地將本發明的接頭設置於烴類裂解爐內，以在實際最需要之處(或在爐子外部，如果需要)提供具有優良耐熱性和強度的爐管。


圖I顯示了在兩個端片材料，即碳化矽和鐵鉻鎳基合金之間的雙過渡接頭的一個實施方案的平面側視圖，所述碳化矽和鐵鉻鎳基合金通過第二材料氧化鋁Al2O3而漸變。圖2以示意性方式顯示了可用於本發明的實踐中的裂解爐管的一個實施方案。
具體實施例方式本發明的如下詳細描述用於說明本發明，而不應解釋為以無論任何方式限制所附權利要求書的範圍。本發明的設計提供了一種在具有不同熱膨脹係數的不同材料之間的新穎性雙過渡「接頭」，所述具有不同熱膨脹係數的不同材料例如碳化矽基陶瓷和鐵鉻鎳基合金，其在化學加工裝置中所需的溫度(如烴類裂解所需的溫度)下或在接合過程中為化學不相容或熱機械不相容的。根據本發明的一個實施方案，本發明的第一材料A可為用於或可用於製造高性能反應器爐管的任意材料。可用於製造高性能反應器爐管(即用於在比之前所實踐顯著更高的反應器爐管溫度下通過熱解而裂解烴類的過程)的材料的例子包括陶瓷、高級陶瓷、陶瓷基複合材料、金屬互化物和/或氧化物分散體加強的材料(即「0DS」)等。陶瓷材料通常定義為通過熱作用而形成的無機非金屬材料。然而，與本發明的實踐更相關的是技術陶瓷材料、工程陶瓷材料或高級陶瓷材料。這些通常基於B、C、N、O、Al、Si、Zr和Ti的相對簡單的組合。存在三種一般類別的技術/工程/高級陶瓷材料(下文稱為「高級陶瓷材料」)，其包括氧化物，如氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2);非氧化物，如碳化物，例如碳化矽SiC、碳化硼B4C和碳化鎢(WC)基，硼化物，例如TiB2和ZrB2,氮化物，例如氮化硼(BN)、氮化矽(Si3N4)和SiAlON，以及矽化物，例如Ti3Si5 ;和複合材料，如氧化物和非氧化物的任意組合(稱為陶瓷基質複合材料；CMC)。可製造/形成這些材料，從而以多種方式成形，所述多種方式包括但不限於燒結(S)、熱壓(HP)和反應結合(RB)。例如，碳化矽(SC)可為燒結的(SSC)、無壓燒結的(PSSC)、熱壓的(HPSC)和反應結合的(RBSC)。它們也可被噴霧，或經由液體或氣體反應而形成。第一材料A可包括許多任意的高級陶瓷材料，所述高級陶瓷材料包括但不唯一包括SiC基陶瓷材料、氮化矽(Si3N4)基材料、氧化鋁基、二硼化鎂(MgB2)、滑石(矽酸鎂)、二氧化鋯(氧化鋯)基，以及這些材料的任意複合材料/組合。根據本發明的一個具體實施方案，第一材料A為任意形式的碳化矽，例如PSSC、SSC或HPSC。可用於本發明的陶瓷材料為可成形為管狀構造的任意已知的高級陶瓷材料，並包括但不限於任意形式的碳化矽(SiC)材料。SiC管的例子包括但不限於以商品名Hexoloy SA 由 Saint-Gobain Advanced Ceramics (之前為 Carborundum)銷售的管，以及以商品名 Halsic-S 由 W. Haldenwanger Technische Keramik GmbH&Co. KG 銷售的管。、根據本發明的一個實施方案，本發明的第一金屬材料B可為用於製造在經裂解的烴類的加工中所用的管子，或將原料運輸至反應器的管子的本領域已知的任意金屬材料。用於製備工藝管的材料涵蓋了常規的金屬材料，例如金屬25Cr35Ni。然而，在過程中提供更高容量和更高選擇性的改進的反應器設計源於製造反應器爐管的改進的金屬合金。根據本發明的一個實施方案，本發明的第一金屬材料B為金屬合金。金屬合金的例子包括但不限於鋁的合金、銅的合金、鎂的合金、鋅的合金、鐵的合金、鎳的合金、鈦的合金等(如25Cr35Ni，奧氏體不鏽鋼和Incoloy )。然而，根據本發明的一個具體實施方案，第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金。將不同材料(如陶瓷和金屬合金)接合在一起的相關問題是不同材料常常具有不同的熱膨脹係數(CTE)。CTE為表示物質對溫度變化的尺寸響應的量度，即當加熱時材料膨脹多少。通常但並非總是如此，對於給定(正)溫度變化，金屬膨脹大於陶瓷。因此，如果直接將第一材料A和第一金屬材料B接合在一起，則它們將以不同的速率膨脹和收縮(例如，SiC和FeCrNi (鐵鉻鎳基合金)的CTE分別為 3. 5x1 O^6°C ―1和 HxlO-6oC ―1)。在結合過程中或在使用中的熱循環過程中在界面積聚的所得應力將幾乎必定導致破壞，或即使在最好的情況下也導致極複雜且可能危險的應力體系。在接合不同材料的努力中，現有技術中已研究了功能梯度材料(FGM)的使用。FGM的特徵在於組成和結構隨體積而逐漸變化，從而產生材料性質的相應變化。FGM可設計用於特定的功能和應用。如本領域已知，可使用各種方式製造FGM，所述方法包括鬆散顆粒加工、預成型加工、層加工、擠出、噴霧和熔體加工。在FGM的製造中，存在材料的「過渡」，所述材料的「過渡」提供從一種材料或組成向另一種材料或組成的逐漸變化或轉變。根據本發明的一個具體實施方案，使用從一種材料至另一種材料的逐漸變化(即「梯度」或「梯度的」)以在兩種材料之間產生基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數。在本發明的上下文中，使用FGM以在具有不同熱膨脹係數的兩種不同材料或組成之間製得「接頭」或連接。本發明的第二材料C提供了在第一材料A和第一金屬材料B之間製備功能梯度材料或梯度的必要材料。本發明的第二材料C由可用作用於製備FGM的過渡材料的材料或化合物製得，並包括但不限於例如氧化鋁、氧化鉻和尖晶石(鋁酸鎂，MgAl2O4)的材料和化合物。根據本發明的一個具體實施方案，第二材料C為氧化鋁。
根據本發明的一個實施方案，第二材料C為具有介於材料A和第一金屬材料B之間的CTE的材料或組合物。舉例而言，如果材料A為CTE大約為3. 5x10_6°C ―1的SiC，且第一金屬材料B為CTE大約為14x10_6°C ―1的鋼時，則第二材料C為CTE介於SiC和鋼的CTE之間，即3. 5x10_6°C ―1和14x10_6°C ―1之間的某處的材料或組合物。本發明涉及一種在兩種不同的材料(在該情況中，一種為陶瓷，另一種為金屬)之間製造接頭的方法。本領域已知數種製備陶瓷-金屬接頭的方法。這些方法通常可分類為機械地或化學地。取決於組件的最終要求，兩者具有優點和缺點。通常最大的問題為熱膨脹係數(CTE)失配的問題。克服各種材料之間的CTE失配的問題的常規方法已包括使用在兩種材料之間接合的夾層或體積，使得所述夾層的CTE介於陶瓷和金屬的CTE之間。最簡單的夾層為單片材料。在一些情況中可使用多於一個夾層。另一選擇為使用依從(compliant)夾層(例如彈簧或泡沫狀)。防止熱膨脹失配的另一選擇包括合適梯度材料的層。取決於CTE失配的程度，固體梯度材料的深度通常為其直徑的較大分數(或甚至倍數)。否則，積聚的應力或將在從結合溫度冷卻時導致結合破壞，或將造成過早破壞。本發明設想使用更複雜的設計，所述設計基於使用至少兩個梯度(例如兩個分開的夾層)，所述至少兩個梯度具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數，即「雙過渡」。所述兩個梯度在待接合在一起的不同的端片材料(即第一材料A和第一金屬材料B)之間提供了梯度材料的雙過渡(在本文設想使用多於兩個梯度，例如，在第一金屬材料B和第三材料D之間的過渡和/或在第一材料A和第四材料E之間的過渡)。本發明的接頭設計提供了優良的耐熱衝擊性、化學耐久性、高強度和韌性。在使用中，經接合的材料的熱端將暴露於大於烴類裂解所需的溫度，且組成例如跨接管或傳輸管的較冷端材料將經受小於烴類裂解所需的溫度。因此，本發明能夠提供這樣的爐管，所述爐管可承受較高溫度，增加容量和更高的選擇性，而同時被接合至由常規金屬材料製得的管，並克服第一材料A和第一金屬材料B之間的反應性的問題以及與CTE失配相關的問題。圖I顯示了在兩個不同端片材料之間的雙過渡接頭I的一個具體實施方案，一個端片材料為碳化矽(SiC)，另一端片材料為鐵鉻鎳(Fe-Cr-Ni)基合金。碳化矽的使用為可用於構造高性能反應器爐管的示例性材料，且根據本發明的優選實施方案，碳化矽為本發明的第一材料A。鐵鉻鎳合金為在構造反應器爐管中常用的材料以支持目前的使用需要，且根據本發明的一個具體實施方案，第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金。圖I顯示了克服源於碳化矽和鐵鉻鎳合金之間的熱膨脹係數失配的問題所需的組件材料的例子。碳化矽和鐵鉻鎳合金的直接接合無法實現(對於所需的使用溫度)，因為所述兩種材料反應形成相對較低熔點的Ni-矽化物。它們也具有極不同的CTE，這阻止了大片的直接接合。同樣，接合這些材料的現有方法不支持裂解烴類原料所需的溫度。本發明人通過製備接頭而解決了該問題，所述接頭提供由高性能爐管的碳化矽至傳輸管和/或跨接管的常規FeCrNi基金屬合金的「雙過渡」。如圖I所示，使用功能梯度片 1( 「FMG I」)和功能梯度片2( 「FMG2」)製得本發明的梯度組成，從而在不同材料之間提供兩個梯度或過渡部分。所述梯度或過渡部分由一系列材料製成，所述一系列材料彼此連續或半連續地漸變而形成本發明的接頭的梯度夾層或體積。所述梯度一旦結合在一起，則在碳化矽和鐵鉻鎳基合金之間提供過渡。在雙過渡接頭的目前的實施方案中，存在三個結合區域，在圖I中分別表示為接頭la、接頭2a和接頭3a。根據本發明的一個實施方案，在使用或不使用化學試劑(即擴散助劑)下使用基於單軸擴散結合的技術製得接頭Ia和接頭2a。如本領域已知，擴散結合，或更特別地固態擴散結合為一種方法，通過該方法，可通過施加壓力數分鐘至數小時的時間在高溫下(原材料的絕對熔點的約50%-90% )接合兩個正常平坦的界面。如本領域已知，擴散結合助劑的使用可在所述方法中使用。本文也設想熱等靜壓(HIPing)。接頭3a可通過本領域技術人員已知的釺焊或擴散釺焊技術製得。根據另一選擇，接頭3a通過本領域技術人員已知的技術焊接。再次參照圖I，通過使碳化矽(第一材料A)完全漸變至第二材料C，即Al2O3而製得功能梯度材料I (FMG I)，即梯度。利用本領域已知的陶瓷加工途徑連續地或半連續地製備材料的梯度。這些加工途徑可包括，例如，使用粉末混合和燒結、液相或氣相滲透、擠出和燒結和噴霧。根據本發明的一個具體實施方案，氧化鋁(即氧化鋁的數種形式的任意種，Al2O3，又稱為氧化鋁)為第二材料C，其作為碳化矽和含Ni合金之間的中間材料而引入。氧化鋁的使用具有兩個有益影響首先，其在碳化矽和鐵鉻鎳金屬合金之間形成不可滲透的 阻擋層，第二，其具有中間的熱膨脹係數。分別地，碳化矽具有大約3. SxlO-6C-1的CTE，A1203具有大約8. ΟχΙΟΛΓ1的CTE，且「FeCrNi」具有大約HxKT6CT1的CTE。如果進行連續漸變，則可通過適當混合鬆散粉末並燒結而使材料連續漸變。例如，100%的碳化娃提供起始點,其通過調節混合在一起的SiC和Al2O3的量而逐漸減少,直至端部表面(即接頭2a)為100%的氧化鋁。如果進行半連續漸變，則通過使用在彼此頂部堆疊並結合在一起的分立層而使材料半連續漸變。半連續漸變提供例如，起始於含有100%的碳化矽和0%的氧化鋁的第一分立層，含有90%的碳化矽和10%的氧化鋁的第二分立層，含有80%的碳化矽和20%的氧化鋁的第三分立層，含有70%的碳化矽和30%的氧化鋁的第四分立層等等，直至具有100%的氧化鋁和0%的碳化矽的分立層的層。同樣，應了解漸變過程的材料的百分比的其它變化是可能的。接著在半連續漸變過程中，第二過渡片，即FGM 2或第二梯度(參見圖I)通過提供分立層而製得，所述分立層從100%的氧化鋁和0%的Fe-Cr-Ni的分立層連續，並以含有例如90%的氧化鋁和10%的Fe-Cr-Ni的層、含有80%的氧化鋁和20%的Fe-Cr-Ni的進一步的分立層等等，直至100%的Fe-Cr-Ni和0%的氧化鋁的分立層(其可被釺焊至鐵鉻鎳金屬合金)的順序繼續。同樣，應了解漸變過程的材料的百分比的其它變化是可能的。如同在半連續漸變過程中，在連續漸變過程中第二或雙過渡層(即梯度)起始於接頭2a處，100%的氧化鋁開始所述漸變過程，並連續減少量直至僅存在鐵鉻鎳基合金材料，由此提供SiC至Al2O3並從Al2O3至Fe-Cr-Ni基金屬合金的獨特雙過渡。值得注意的是，通過本文提出的任一種漸變過程，在SiCAl2O3和Al2O3/含Fe-Cr-Ni合金之間不存在有害的反應。如圖I所示的FGM 2可通過本領域技術人員已知的任意技術製得，所述技術例如常規粉末加工和燒制、通過熔體浸滲技術、擠出和熱噴霧。本發明的一個優選實施方案為使用FeCrNi合金。可使用其它材料，例如Ni鋁化物。鋁化物具有比Fe-Cr-Ni基合金更高的承溫能力，並可被熔體浸滲。圖2以示意性方式顯示了可用於本發明的實踐中的裂解爐2。爐子2包括預熱對流部分4和輻射部分6。輻射部分6具有壁燃燒器8和地面燃燒器10，所述壁燃燒器8和地面燃燒器10經由燃料管線(未顯示)而供應有燃料。本發明的爐子可僅包括壁燃燒器，僅包括地面燃燒器或包括它們的組合，並以足以提供用於產生裂解反應的足夠輻射熱的數目存在。由燃燒器產生的熱燃燒氣體經由過渡煙道12離開爐子2的輻射部分6，向上行進通過對流部分4並經由煙道14離開爐子。在本發明中，原料通過進料管16進入爐子的對流部分4，並在第一交換器(也稱為對流管束(convection bank)或對流束(convection bundle)) 18中預熱至約200° F至約1000° F的溫度。任選地，稀釋蒸汽通過分開的進料管22進入對流部分4，並在第二交換器17中預熱至約700° F至約1200° F的溫度。然後經預熱的原料和經預熱的稀釋蒸汽混合在一起，並再次進入對流部分4至第三交換器19中，在所述第三交換器19中所述兩個混合流被加熱至約900° F至約1450° F的溫度。然後將管20 (常稱為跨接管)中的混合物導入爐子2的輻射部分6。可選擇的設置包括但不限於完全排除稀釋蒸汽，在此情況中 進料從交換器18直接前往管20，且不需要交換器17和19以及分開的進料管22 ;或者不預熱進料，在此情況中管16中的進料與來自交換器17的經預熱的稀釋蒸汽直接混合，且排除交換器18。對於這一點，如本領域技術人員所公知，跨接管20由常規金屬材料組成。本發明的熱解爐的原料可包括本領域通常裂解的任意原料，例如但不限於丙烷、丁烷、石油腦、瓦斯油或任意前述的任意組合，以製備較不飽和的產物，如乙烯和其它更高烯烴。具有對焦炭形成的這種高抗性的反應器爐管對於裂解重進料(例如真空瓦斯油)也特別有效。特別優選的是通過使用本發明的方法選擇性地將乙烷裂解為乙烯的熱解過程，其中乙烷轉化率可從常規爐子的65%至75%的範圍提高至顯著更高的水平，如約85%至約90%的數量級。雙過渡接頭24完全由本發明的實施方案組成。接頭24接合跨接管20 (由常規金屬材料組成，如本領域技術人員所公知)和反應器爐管26的不同材料。本發明的反應器爐管26優選由本文公開的材料組成，陶瓷或氧化物分散體加強的材料(ODS)，如美國專利申請公布No. 2004/0147794所描述的材料。將陶瓷或高強度非含鎳材料用作構造本發明的反應器爐管的整個長度的材料能夠使裂解過程在比常規實踐顯著更高的溫度下進行。例如，爐管中的常規裂解通常局限於至多約2100° F的外部管表皮溫度，而在本發明的實踐中，通過使用由陶瓷和/或ODS材料構造的管，外部管表皮溫度可為至少約2300° F。當管由根據本發明的陶瓷材料構造時，可採用甚至更高的外部管表皮溫度，即例如高達約2900° F。因此，本發明提供了一種在約1300° F以上，優選約1450° F以上，且更優選約1600° F以上的反應器出口溫度下，以及約O. 02秒至約O. 50秒，優選約O. 04秒至約O. 25秒的停留時間下裂解烴類原料的方法。圖2顯示了其中反應器爐管26的形狀為直線單程管的實施方案。然而，反應器爐管可具有本領域技術人員已知的任意構造，如偏心、水平或蛇形構造。所示形狀的反應器爐管26的長度優選為約20英尺至約40英尺。然而，反應管的長度可基於其形狀、直徑和爐容量而變化。反應器爐管26也可具有用於補償源自爐子的輻射部分中的加熱的管熱膨脹的裝置。在本發明的實踐中可採用用於補償熱膨脹的任意已知裝置，包括但不限於使用盤管(參見Wallace,美國專利No. 3, 671, 198)和偏心(參見DiNicolantonio等人，美國專利No. 4，499，055)。當然,在不偏離本發明的情況下，也可採用本領域技術人員已知的其它裝置，包括但不限於彈簧和/或平衡錘(counterbalance)。反應器爐管的內徑可為恆定的或型鍛的(swaged)。所示反應器爐管26的外徑優選為約I. 25"至約5. 00"，最優選為約I. 75"至約3. 00"，且內徑比外徑小約O. 30"至約1.00"。然而，反應管的直徑和尺寸可以以本領域技術人員已知的方式變化。在其中反應器爐管為型鍛的實施方案中，在反應器入口處的內徑可為約1.00"至約2. 00"，且在反應器出口處的內徑可為約I. 15"至約2. 50"，從一個內逕到另一內徑具有平滑過渡。然而，反應管的直徑和尺寸可以以本領域技術人員已知的方式變化。取決於所需長度，反應器爐管26可構造為單管，或可包括接合在一起的兩個或更 多個管。當然，在本發明的其它實施方案中，管的長度可變化，並不必相等或大約相等。參照圖2，當反應器爐管26離開輻射爐部分6時，通過本發明的雙過渡接頭29，構造材料再次變化為常規金屬材料。接頭29接合傳輸管28 (由常規金屬材料組成，如本領域技術人員所公知)和反應器爐管26的不同材料。如同接頭24，過渡接頭29由至少兩個過渡部分組成，所述至少兩個過渡部分由一系列材料製成，並從一種材料或組成連續或半連續漸變至另一種材料或組成。一旦材料的梯度部分被結合在一起，其在傳輸管28 (和跨接管20)的常規金屬材料和反應器爐管26的陶瓷材料之間提供功能梯度材料(FGM)。不限制本發明的過渡接頭29和24的尺寸和形狀，且本文設想它們在彎管、「T」型管、縮管等中的用途。再次參照圖2，本發明的雙過渡接頭29將反應器爐管26連接至管28 (常稱為傳輸管)。傳輸管28將反應產物氣體傳輸至淬滅裝置30，其中前述反應產物氣體迅速冷卻至約1000° F以下的溫度，以防止進一步的反應。為了實現最大能量效率的目的，通常實施淬滅至低得多的溫度。淬滅裝置30可包括本領域技術人員已知的任意公知構造。參見例如，Woebcke 等人，美國專利 No. 5，427，655、Woebcke，美國專利 No. 3，403，722、Woebcke，美國專利 No. 3，910，347、Woebcke，美國專利 No. 4，356，151 和 Woebcke，美國專利 No. 5，271，827。在淬滅之後，將經裂解的產物經由管32送往下遊加工。應注意圖2僅為示意性的。本領域技術人員將理解諸如控制系統、強制通風風扇、抽風式風扇、對流部分內的實用對流束(舉例而言，預熱鍋爐進料水和過度加熱極高壓蒸汽)等的細節是必要的，未在本文明確描述所述細節並不暗示它們不包括於本發明的詳細實施方案中。儘管已在某些優選實施方案中描述本發明，但對於本領域技術人員顯而易見的所有變化均旨在落入包括所附權利要求書的本發明的精神和範圍內。所有如上引用的專利、專利申請和公布均以全文引用的方式併入本文。
權利要求
1.一種在裝置中的兩種材料之間製造接頭的方法，所述方法包括由第一材料A至第一金屬材料B的過渡，其中在所述裝置的操作溫度下第一材料A和第一金屬材料B為不相容的，所述方法包括 i)所述第一材料A至第二材料C的第一過渡，其中在所述裝置的操作溫度下第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中第一材料A和第二材料C之間的所述第一過渡為梯度的，以在第一材料A和第二材料C之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度；以及 )在第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡，其中在第二材料C和第一金屬材料B之間的所述第二過渡為梯度的，以在第二材料C和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。
2.根據權利要求I所述的方法，其中第一材料A為選自陶瓷、高級陶瓷、陶瓷基質複合材料、金屬互化物和氧化物分散體加強的材料的至少一種。
3.根據權利要求2所述的方法，其中第一材料A為選自碳化矽基陶瓷、氮化矽基材料、氧化鋁基材料、矽酸鎂和氧化鋯的至少一種材料和它們的組合。
4.根據權利要求3所述的方法，其中第一材料A為選自A1203、ZrO2,SiC、B4C, WC、BN、Si3N4, SiAlON、MgAl2O4(尖晶石)和 MgB2 的至少一種。
5.根據權利要求4所述的方法，其中第一材料A為複合材料。
6.根據權利要求I所述的方法，其中第一金屬材料B為至少一種金屬材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其中第一金屬材料B為選自鋁的合金、銅的合金、鎂的合金、鋅的合金、鐵的合金、鎳的合金、鈦的合金和鈷的合金的至少一種材料。
8.根據權利要求7所述的方法，其中第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金。
9.根據權利要求I所述的方法，其中第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B不相同，且為選自氧化鋁、氧化鋯和尖晶石的至少一種材料。
10.根據權利要求I所述的方法，其中第一材料A為碳化娃基,第一金屬材料B為鐵鉻鎳基，且第二材料C為氧化鋁。
11.根據權利要求I所述的方法，其中所述第一和第二過渡通過選自如下的至少一種過程而進行常規粉末加工和燒制、鬆散顆粒加工、預成型加工、層加工、熔體浸滲技術、擠出和熱噴霧、擴散結合、熱噴霧、熱擠出和擴散結合釺焊。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述第一和第二過渡還包含另外的金屬材料。
13.根據權利要求12所述的方法,其中在第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡還包含另外的金屬材料。
14.根據權利要求13所述的方法，其中另外的金屬材料為選自鐵基、鎳基、鈦基、鈷基和鈀基材料和合金的至少一種。
15.一種用於爐子的爐子元件，所述爐子用於將烴類原料熱裂解為烯烴烴類產物，所述爐子元件包括具有第一材料A、第一金屬材料B和第二材料C的接頭，其中在所述爐子的製造和/或操作溫度下第一材料A和第一金屬材料B為不相容的，其中在所述爐子的操作溫度下所述第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中所述第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為梯度的，以在第一材料A和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。
16.根據權利要求15所述的元件，其中通過所述第一材料A至所述第二材料C的第一過渡以及第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡，第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為功能梯度的。
17.根據權利要求15所述的元件，其中第一材料A為選自陶瓷、高級陶瓷、陶瓷基質複合材料、金屬互化物和氧化物分散體加強的材料的至少一種。
18.根據權利要求17所述的兀件,其中第一材料A為選自碳化娃基材料、氮化娃基材料、氧化鋁基材料、矽酸鎂、鋁酸鎂和氧化鋯的至少一種材料。
19.根據權利要求18所述的元件，其中第一材料A為選自Al203、Zr02、SiC、B4C、WC、BN、Si3N4, SiAlON、MgAl2O4(尖晶石)和 MgB2 的至少一種。
20.根據權利要求19所述的元件，其中第一材料A為複合材料。
21.根據權利要求15所述的兀件,其中第一金屬材料B為至少一種金屬材料。
22.根據權利要求21所述的元件，其中第一金屬材料B為選自鋁的合金、銅的合金、鎂的合金、鋅的合金、鐵的合金、鎳的合金和鈦的合金的至少一種材料。
23.根據權利要求22所述的兀件,其中第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金。
24.根據權利要求15所述的兀件,其中第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B不相同，且為選自氧化鋁、氧化鋯和尖晶石的至少一種材料。
25.根據權利要求15所述的兀件，其中第一材料A為碳化娃，第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金，且第二材料C為氧化鋁。
26.根據權利要求16所述的兀件,其中在第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡還包含另外的金屬材料。
27.根據權利要求26所述的元件，其中另外的材料為選自鐵基、鎳基、鈦基、鈷基和鈀基材料和合金的至少一種材料。
28.一種用於將烴類原料裂解為烯烴烴類產物的方法，所述方法包括在包括多個反應器爐管的熱解裂解爐中在至少約1300° F的溫度下在爐中裂解所述烴類，其中至少一個所述反應器爐管包括具有第一材料A、第一金屬材料B和第二材料C的接頭，其中在所述溫度下第一材料A和第一金屬材料B為不相容的，其中在所述溫度下第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B均可相容，且其中第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為梯度的，以在第一材料A和第一金屬材料B之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度，前提是所述接頭包括至少兩個梯度。
29.根據權利要求28所述的方法，其中通過所述第一材料A至所述第二材料C的第一過渡以及第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過渡，第二材料C在第一材料A和第一金屬材料B之間為功能梯度的。
30.根據權利要求28所述的方法，其中第一材料A為選自陶瓷、高級陶瓷、陶瓷基質複合材料、金屬互化物和氧化物分散體加強的材料的至少一種。
31.根據權利要求30所述的方法，其中第一材料A為選自氮化矽基材料、氧化鋁基材料、矽酸鎂和氧化鋯的至少一種材料。
32.根據權利要求31所述的方法，其中第一材料A為選自Al203、Zr02、SiC、B4C、WC、BN、Si3N4, SiAlON、MgAl2O4(尖晶石)和 MgB2 的至少一種。
33.根據權利要求32所述的方法，其中第一材料A為複合材料。
34.根據權利要求28所述的方法,其中第一金屬材料B為至少一種金屬材料。
35.根據權利要求34所述的方法，其中第一金屬材料B為選自鋁的合金、銅的合金、鎂的合金、鋅的合金、鐵的合金、鎳的合金和鈦的合金的至少一種材料。
36.根據權利要求35所述的方法,其中第一金屬材料B為鐵鉻鎳基合金。
37.根據權利要求28所述的方法,其中第二材料C與第一材料A和第一金屬材料B不相同，且為選自氧化鋁、氧化鋯和尖晶石的至少一種金屬材料。
38.根據權利要求28所述的方法,其中第一材料A為碳化娃,第一金屬材料B為鐵鉻鎳，且第二材料C為氧化鋁。
39.根據權利要求29所述的方法,其中在第二材料C和第一金屬材料B之間的第二過、渡還包含另外的化合物。
40.根據權利要求39所述的方法，其中另外的化合物為選自鐵基、鎳基、鈦基、鈷基和鈕基材料和合金的至少一種。
41.根據權利要求I所述的方法，其還包括在所述第一金屬材料B和第三材料D之間的第三過渡，其中在所述第一金屬材料B和所述第三材料D之間的第三過渡為梯度的，以在所述第一金屬材料B和所述第三材料D之間提供具有基本上梯度的組成和/或熱膨脹係數的梯度。
42.根據權利要求I所述的方法，其中第二材料C具有介於第一材料A和第一金屬材料B的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
43.根據權利要求15所述的爐子元件，其中第二材料C具有介於第一材料A和第一金屬材料B的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
44.根據權利要求28所述的方法,其中第二材料C具有介於第一材料A和第一金屬材料B的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
全文摘要
本發明涉及用於接合具有不同熱膨脹係數的材料，如高級陶瓷和金屬化合物的有效方法。此外，本發明涉及在兩種不同材料之間製造接頭的爐管和方法，所述接頭為組成梯度的以在接合材料之間提供基本上梯度的熱膨脹係數。
文檔編號C04B37/02GK102686539SQ201080042541
公開日2012年9月19日 申請日期2010年9月2日 優先權日2009年9月11日
發明者D·J·布朗, J·A·費爾尼, M·D·羅伯茨, N·R·卡維爾維多, Y·王 申請人:斯通及維布斯特工藝技術有限公司