高性能鎳基耐熱鑄鋼 ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4：加熱爐爐管在石化工業的核心部位——乙烯裂解爐、石油烴重整爐、制氫轉化爐以及煉焦爐等高溫加熱裝置中，爐管是工藝介質被加熱發生化學反應的直接載體。其所面臨的服役環境極其嚴苛：承受900-1100℃（甚至更高）的長期熱載荷，持續處于蠕變狀態，反復經受工藝介質的氧化、滲碳、硫化等腐蝕作用，同時伴隨著間歇性的啟停作業帶來的熱疲勞挑戰。因此，爐管材料必須兼具的高溫強度、持久抗蠕變性、良好的組織穩定性以及出色的抗高溫腐蝕能力。

一、 材料概述：ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4

這是一種基于鎳（Ni）的鑄造耐熱合金，其精密配比的化學成分鑄就其高性能內核：ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4加熱爐爐管耐熱鋼鑄管

*   核心基礎元素 Ni (基體)： 構建穩定、延展性好的面心立方奧氏體結構，為高溫強度和抗蠕變性能奠定晶格基礎。

*   關鍵耐蝕元素 Cr (~28%)： 在合金表面形成連續、致密且自愈能力強的Cr?O?氧化膜，有效阻隔氧氣向內部擴散，確保的高溫抗氧化性與抗滲碳能力。

*   輔助元素 Fe (~17%)： 提升合金經濟性的同時穩定奧氏體結構，對強度和韌性產生貢獻。

*   高效強化元素 W (~5%)： 通過強烈的固溶強化效應，顯著提高基體的抗高溫蠕變強度和再結晶溫度，成為持久性能的保障。

*   脫氧與流動性元素 Si (~2%)： 優化鑄造過程，提升金屬流動性，減少氣孔與夾雜缺陷，改善鑄件質量。對高溫抗氧化性亦有貢獻。

*   微量控制元素 C (~0.4%)： 優化合金的鑄造性能和高溫強度，合理存在的碳形成碳化物強化相，對耐熱性能產生積極作用。

在工業標準中，此類合金（如ASTM A608中的HK類或國內一些規范）常以“高合金耐熱鑄鋼"或“鎳鉻鎢耐熱合金鑄件"命名。其材料屬性介于奧氏體耐熱鋼與鎳基高溫合金之間，兼顧了良好性能和相對可接受的制造成本，使其在需要良好耐熱性能但對材料成本敏感的場景中優勢。

二、 核心性能特點：挑戰高溫極限

得益于其精密的合金設計，ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4展現出的綜合高溫性能：ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4加熱爐爐管耐熱鋼鑄管

*   高溫強度持久可靠： 在服役溫度范圍內（如1000-1100℃），保持遠超普通奧氏體耐熱鋼（如304H, 310S）的高溫強度和抗蠕變斷裂能力。即使在高溫下長期服役，其組織依然保持穩定。

*   熱化學穩定性： 高鉻含量形成的Cr?O?保護膜賦予其強大的抗氧化能力（典型氧化速率小于1.0 mg/cm2/h @ 1100℃）。在含碳環境中（如裂解氣），合金可抵抗滲碳損傷（滲透深度小于1.0 mm/年）。部分碳化鉻形成雖難以避免，但高鉻基體維持了整體的抗環境腐蝕能力。

*   優異的抗蠕變與抗松弛性能： 鎢元素的加入顯著增強了材料抵抗長期高溫應力的能力，保證在高壓管壁長期服役狀態下形態穩定。其高溫延伸率通常高于15%，有效緩解應力集中。

*   抗熱疲勞韌性： 合理的合金成分與奧氏體基體使其具備較好韌性（典型室溫沖擊韌性AKV > 50J），有效抵抗啟停熱循環產生的應力，延長爐管服役壽命。

*表：典型力學性能對比示例（具體值視鑄造工藝與熱處理狀態）*

 性能指標  ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4 (典型)  普通奧氏體耐熱鋼 (如310S) 

 室溫抗拉強度 (MPa)  ≥520  ~520 

 高溫屈服強度 @ 1000℃ (MPa)  ≥65  ~30 

 蠕變斷裂強度 @ 1000℃ / 10? h (MPa)  ≥15  ~5 

 延伸率 (%)  ≥20  ≥35 

 持久抗氧化極限溫度 (°C)  ~1175  ~1050 

三、 鑄造工藝：精工細作保障品質

這類高合金成分材料的鑄造成型是其應用的起點，也是性能實現的關鍵環節：

*   材料特點帶來的挑戰： 合金熔煉范圍窄（典型熔點范圍 1350-1400℃），高溫流動性相對較差，收縮率較大（約4-5%），熱裂和熱脆傾向高于普通鋼種。

*   優良熔煉控制： 多采用電弧爐（AF）、感應爐（IF）或真空感應爐（VIF）精煉，嚴格精確控制各元素（尤其是碳含量在0.35-0.45%）。精確添加微量元素如0.02-0.06%的鈣或稀土元素能改善流動性并提高高溫組織穩定性。澆注溫度范圍一般在1480-1550℃，視鑄件復雜程度調整。

*   模具設計與控制： 復雜管件常采用熔模精密鑄造或樹脂砂造型工藝，設計合理的澆冒口系統以補償收縮、有效補縮和排氣。對芯撐位置布局及砂芯強度要求，防止管腔內粘砂。砂型材料必須具有優異的耐火度和潰散性。

*   熱處理的規范執行： 鑄件凝固后需緩慢冷卻（爐冷至800℃以下）降低熱應力，然后進行固溶熱處理（典型工藝：1150-1180℃保溫若干小時，快速水淬或風冷至室溫）。此過程可溶解非平衡碳化物，均勻基體組織，消除鑄造應力，確保合金獲得優良的塑性、韌性和高溫強度。

四、 核心應用：加熱爐爐管

場景： ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4合金是乙烯裂解爐輻射段出口段高溫裂解氣爐管（常承受1050-1150℃溫度沖擊）的理想材料。在制氫轉化爐、焦爐爐門框和襯里等結構件以及石化重整爐爐管方面也表現，成功替代高成本的HP、HP Mod等合金材料。

優勢總結：

*   性價比： 相對純鎳基合金（如Inconel、Hastelloy系列），在滿足較高服役溫度需求前提下，具有顯著的成本優勢。

*   高溫服役性能可靠： 優秀抗高溫氧化、抗滲碳和蠕變斷裂性能使爐管在苛刻條件下運行穩定，壽命提升30-50%至超過10萬小時。

*   精密鑄造可行性： 成熟的鑄造技術使其可加工成單彎頭、集合管等復雜形狀（最大鑄造壁厚約150mm），滿足工程復雜設計需求。

*   穩定性優異： 服役過程中顯微組織變化緩慢，能夠長期維持材料性能，保障生產裝置長周期安全運行。

對于ZNiCr28Fe17W5Si2C0.4合金鑄件，優異的材料成分設計是其強大高溫性能的根本；精密可控的鑄造工藝（合理控制熔煉參數、澆注系統設計、精確的熱處理）是實現優質鑄管制造的核心；最終，在加熱爐爐管領域的成功應用，證明了該鎳基合金是對抗高溫、腐蝕和應力環境的關鍵技術屏障。隨著現代石化裝置大型化、高溫化及長周期運行的要求不斷提升，這種材料作為高溫部件的優選方案，具有廣闊的應用前景。在低碳轉型的新背景下，它在高效裂解、制氫轉化等環節的性能優勢將更顯重要，持續為工業高溫熱能裝置的核心部件提供堅實保障。