Acero inoxidable ferrítico que tiene resistencia a la fluencia a temperatura elevada.

Un acero inoxidable ferrítico que consiste en:

del 25 hasta el 35 por ciento en peso de cromo;

del 0,9 hasta el 1,1 por ciento en peso de molibdeno;

hasta el 0,005 por ciento en peso de carbono;

al menos uno de niobio, titanio y tantalio, en el que el acero comprende del 0,07 hasta no más del 0,5 por ciento en peso de titanio y la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio y tantalio satisface la ecuación 0,5 ≤ (% de Nb + % de Ti + 1/2(% de Ta)) ≤ 0,75

hasta el 1,0 por ciento en peso de silicio;

hasta el 0,25 por ciento en peso de aluminio;

hasta el 0,25 por ciento en peso de tungsteno;

hasta el 1,0 por ciento en peso de manganeso;

hasta el 0,04 por ciento en peso de nitrógeno;

hasta el 0,01 por ciento en peso de azufre;

hasta el 0,05 por ciento en peso de fósforo;

hasta el 0,25 por ciento en peso de cobre;

hasta el 0,1 por ciento en peso de cerio;

hasta el 0,05 por ciento en peso de lantano;

hasta el 0,05 por ciento en peso de circonio;

hasta el 0,050 por ciento en peso de hafnio, en el que la cantidad combinada de hafnio y circonio es de hasta el 0,05 por ciento en peso;

siendo el resto hierro e impurezas accidentales;

en el que el coeficiente de expansión térmica del acero se encuentra entre aproximadamente el 25 % del coeficiente de expansión térmica de la zirconia estabilizada entre 20 ºC y 1000 ºC, y en el que el acero muestra al menos una propiedad de fluencia seleccionado de la resistencia a la rotura por fluencia de al menos 6895 kPa (1000 psi) a 900 ºC, tiempo para el 1 % de deformación por fluencia de al menos 100 horas a 900 ºC bajo una carga de 6895 kPa (1000 psi) y tiempo para el 2 % de deformación por fluencia de al menos 200 horas a 900 ºC bajo una carga de 6895 kPa (1000 psi).

Acero inoxidable ferrftico que tiene resistencia a la fluencia a temperatura elevada

La presente solicitud de patente es una solicitud divisional de la solicitud de patente europea número 02786758.8, que reivindica el uso de aceros inoxidables ferríticos que tienen resistencia a la fluencia a temperatura elevada, como se describe en el presente documento.

Sector técnico y aplicabilidad industrial de la invención

La presente invención se refiere a una aleación de acero inoxidable ferrftico. Más particularmente, la presente invención se refiere a una aleación de acero inoxidable ferrftico que tiene estabilidad microestructural y propiedades mecánicas que la hacen particularmente adecuada para aplicaciones a alta temperatura. Tales aplicaciones incluyen, pero sin limitación, interconexiones de captación de corriente en pilas de combustible de óxido sólido, conjunto de componentes de un horno, equipo para procesos químicos, petroquímica, generación de corriente eléctrica e industrias del control de la polución, y equipo para manejar cobre fundido y otros metales fundidos.

Descripción de los antecedentes de la invención

Las pilas de combustible son medios de generación de energía eléctrica ecológicos y altamente eficaces. El principio básico que subyace tras la operación de pilas de combustible es la generación de electricidad mediante la combustión de combustible. El combustible está separado de un oxidante por una barrera permeable conocida como un electrolito. Los átomos de hidrógeno en el lado de combustible del electrolito se ionizan. Los protones resultantes pasan a través del electrolito, mientras que los electrones liberados viajan a través de un circuito externo. En el lado de aire del electrolito, opuesto al lado de combustible, dos protones se combinan con un átomo de oxígeno y dos electrones para crear una molécula de agua, liberando calor y completando el circuito eléctrico. La energía se extrae del proceso usando los electrones presentes en el circuito externo para hacer el trabajo. Para pilas de combustible que funcionan a temperaturas más altas, el calor liberado de la reacción en el lado de aire puede también usarse para el reformado de combustible o aplicaciones de calentamiento, Incrementando la eficacia del funcionamiento general de la pila.

Un tipo de pila de combustible que actualmente despierta gran interés es la pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Las SOFC operan a altas temperaturas (1450-1800 °F (788-982 °C)), lo que significa que pueden reformar internamente combustibles de hidrocarburos comunes tales como gas natural, gasóleo, gasolina, alcohol y gas de hulla en hidrógeno y monóxido de carbono. La reformación interna recicla la energía térmica y elimina la necesidad de costosos catalizadores de metales del grupo de platino. Se usan hidrógeno y monóxido de carbono como combustibles en SOFC. El hidrógeno se combina con oxígeno en una modificación de la reacción genérica de pila de combustible detallada anteriormente. El electrolito es una cerámica oxidada, que es permeable a iones de oxigeno (O2 ), más que a protones. Así, la SOFC funciona en una dirección contraria en relación con otros tipos de pilas de combustible determinados. Además de la combustión de hidrógeno, el monóxido de carbono se oxida a dióxido de carbono en el ánodo, liberando calor. Esto es una ventaja porque el monóxido de carbono está presente en combustibles sin refinar y puede envenenar a las pilas de combustible de baja temperatura, reduciendo la eficacia de la operación. Las SOFC pequeñas operan con rendimientos de hasta 50 %. Para alcanzar incluso una mayor eficacia, las SOFC de tamaño mediano y grande pueden combinarse con turbinas de gas. La eficacia resultante de un conjunto combinado de SOCF-turbina de gas puede llegar al 70 %.

Existen muchas variantes del diseño básico SOFC. El electrolito es normalmente una forma de zirconia que se ha estabilizado mediante la adición de óxidos para inhibir los cambios de estructura y proporcionar alta conductividad iónica cuando se calienta a altas temperaturas. Tales materiales estabilizados con óxido son, en general, conocidos, y se denominan en el presente documento "zirconia estabilizada". Comúnmente las SOFC incluyen zirconia estabilizada con itria (YSZ) como el electrolito de zirconia estabilizada. Un coeficiente comunicado de expansión térmica (CTE) de YSZ, entre 20 °C (68°F) y 1000 0 (1832 °C), es aproximadamente 11 x 10-6 por °C.

Se ha desarrollado una SOFC tubular, de construcción relativamente simple, que opera a temperaturas extremadamente altas (1800 °F (982 °C)) y es grande en tamaño. Puede aumentarse el tamaño de una SOFC tubular incrementando el tamaño y numero de tubos SOFC individuales en el dispositivo. Más recientemente, se ha desarrollado la SOFC "plana" (PSOFC). Las PSOFC son relativamente compactas y están construidas mediante apilamientos de pilas planas. Las placas de ánodo y cátodo son normalmente materiales cerámicos. Los cerametales de níquel-zirconia permeables también se han usado para el ánodo.

Son necesarias interconexiones para recoger los electrones generados por una pila de combustible. Las interconexiones también funcionan como un separador físico para la oxidación y la reducción de corrientes de gas. Por consiguiente, el material usado para formar interconexiones de pila de combustible debe ser eléctricamente conductor, resistente a la oxidación y mecánicamente estable, y debe tener propiedades de expansión térmica sustancialmente equiparables a las de los componentes cerámicos de la pila, que puede estar físicamente dispuesta de forma adyacente a las interconexiones. Hasta hace poco, las interconexiones de SOFC

se fabricaron comúnmente de material cerámico que es eléctricamente conductor a altas temperaturas, comúnmente LaCrÜ3 dopado con CaO o SrO. Aunque las cerámicas normalmente son estables cuando se someten a altas temperaturas durantes periodos prolongados, las cerámicas también son frágiles y relativamente costosas, y son malos conductores de la electricidad con relación a los metales. Determinadas interconexiones metálicas se han fabricado de una aleación basada en cromo desarrollada para ese propósito. La aleación proporciona una resistencia adecuada a la oxidación y un buen paralelismo de expansión térmica con zirconia estabilizada. Sin embargo, la ruta de polvo metalúrgico usada para producir la aleación la hace muy costosa, lo cual añade un costo sustancial a las SOFC producidas a partir de la aleación.

La fabricación de interconexiones SOFC de acero inoxidable puede proporcionar ventajas sobre cerámicas porque los aceros tendrían mayor conductividad eléctrica y pueden estar en una forma menos frágil que la cerámica. Sin embargo, problemas asociados con el uso de aceros inoxidables en aplicaciones de interconexión SOFC incluyen oxidación, expansión térmica y problemas de fluencia. La oxidación puede reducir la capacidad de un acero inoxidable para conducir corriente, reduciendo así la producción de la pila a la larga. Los aceros inoxidables austeníticos estándar no proporcionan un buen paralelismo de expansión térmica con los electrolitos de cerámica convencionales de SOFC. Los aceros inoxidables ferríticos que pueden proporcionar un buen paralelismo de expansión térmica con los electrolitos de cerámica exhiben normalmente una baja resistencia a la fluencia. Por ejemplo, las ensayos realizadas por el presente inventor en varios aceros inoxidables disponibles en el mercado, incluyendo aleaciones E-BRITE® (UNS S44627), AL 29-4-2® (UNS S44800) y ALFA-IV® (Alloy Digest SS-677, ASM Internacional), han demostrado que la aleación E-BRITE® tiene una expansión térmica aceptable para usar en SOFC, buena estabilidad térmica y forma el óxido Cr2Ü3 deseable. La resistencia a la fluencia de la aleación E-BRITE®, sin embargo, es menor de lo deseable para aplicaciones SOFC. El documento US 3957544 A divulga un acero inoxidable ferrítico con un alto contenido en Cr para lograr resistencia al agrietamiento por corrosión por tensión de cloruro y soldabilidad.

Así, existe la necesidad de una aleación de acero inoxidable mejorada con resistencia a la fluencia a alta temperatura, buena estabilidad térmica y otras características que lo hagan adecuado para usar en interconexiones de recogida de corriente en SOFC y para usar en otras aplicaciones de alta temperatura, como en equipos para procesos químicos, petroquímica, generación de energía eléctrica e industrias de control de la contaminación, así como en el conjunto de componentes de un horno y equipos para la manipulación de metales fundidos.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un acero inoxidable... [Seguir leyendo]

1. Un acero inoxidable ferrítico que consiste en: del 25 hasta el 35 por ciento en peso de cromo;

del 0,9 hasta el 1,1 por ciento en peso de mollbdeno; hasta el 0,005 por ciento en peso de carbono;

al menos uno de niobio, titanio y tantalio, en el que el acero comprende del 0,07 hasta no más del 0,5 por ciento en peso de titanio y la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio y tantalio satisface la ecuación

0,5 < (% de Nb + % de Ti + 1/2(% de Ta)) < 0,75

hasta el 1,0 por ciento en peso de silicio;

hasta el 0,25 por ciento en peso de aluminio;

hasta el 0,25 por ciento en peso de tungsteno;

hasta el 1,0 por ciento en peso de manganeso;

hasta el 0,04 por ciento en peso de nitrógeno;

hasta el 0,01 por ciento en peso de azufre;

hasta el 0,05 por ciento en peso de fósforo;

hasta el 0,25 por ciento en peso de cobre;

hasta el 0,1 por ciento en peso de cerio;

hasta el 0,05 por ciento en peso de lantano;

hasta el 0,05 por ciento en peso de circonio;

hasta el 0,050 por ciento en peso de hafnio, en el que la cantidad combinada de hafnio y circonio es de hasta el 0,05 por ciento en peso;

siendo el resto hierro e impurezas accidentales;

en el que el coeficiente de expansión térmica del acero se encuentra entre aproximadamente el 25 % del coeficiente de expansión térmica de la zirconia estabilizada entre 20 °C y 1000 °C, y en el que el acero muestra al menos una propiedad de fluencia seleccionado de la resistencia a la rotura por fluencia de al menos 6895 kPa (1000 psi) a 900 °C, tiempo para el 1 % de deformación por fluencia de al menos 100 horas a 900 °C bajo una carga de 6895 kPa (1000 psi) y tiempo para el 2 % de deformación por fluencia de al menos 200 horas a 900 °C bajo una carga de 6895 kPa (1000 psi).

2. Un artículo de fabricación que comprende un componente que incluye zirconia estabilizada adyacente a un componente que incluye un acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1, en el que el artículo de fabricación es un componente seleccionado de un componente para una pila de combustible de óxido sólido que Incluye un electrolito que contiene zirconia estabilizada y un componente de un dispositivo sensor de oxígeno que incluye zirconia estabilizada.

3. El artículo de fabricación de la reivindicación 2, en el que la zirconia estabilizada es zirconia estabilizada con itria.

4. El artículo de fabricación de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que el artículo de fabricación está seleccionado del grupo que consiste en un separador para una pila de combustible de óxido sólido que incluye un electrolito que contiene zirconia estabilizada y una Interconexión para una pila de combustible de óxido sólido que Incluye un electrolito que contiene zirconia estabilizada.

5. Una pila de combustible de óxido sólido que comprende: un ánodo;

un cátodo;

un electrolito que comprende zirconia estabilizada e intermedio entre el ánodo y el cátodo;

una interconexión que proporciona una trayectoria de corriente desde el ánodo, comprendiendo la interconexión un acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1.

6. El acero inoxidable ferrítico de la reivindicación 1, en el que el acero inoxidable ferrítico es al menos parte de un componente de una pila de combustible de óxido sólido que incluye un electrolito que contiene zirconia

estabilizada.

7. El acero inoxidable ferrítico de la reivindicación 1, en el que el acero inoxidable ferrítico es al menos parte de una interconexión para una pila de combustible de óxido sólido que incluye un electrolito que contiene zirconia estabilizada.

8. El acero inoxidable ferrítico de la reivindicación 1, en el que el acero inoxidable ferrítico es al menos parte de 10 un componente para un dispositivos sensor de oxígeno que incluye zirconia estabilizada.