Классификация сталей, применяемых в котлостроении
| По применению | По химическому составу | По структуре | По технологии производства |
| 1. Строительная сталь – для металлоконструкций и сосудов низкого давления | 1. Углеродистая (мало-, средне- и высокоуглеродистая) | 1. Перлитная, имеющая после нормализации структуру: - перлит; - перлит+ феррит; - перлит +эвтектоидный карбид | 1. Обыкновенного качества, выплавляемая в мартеновской печи или конверторе с повышенным содержанием серы, фосфора, неметаллических включений |
| 2. Конструкционная (машиностроительная) – для всех элементов парового котла | 2. Легированная (низко, средне- и высоколегированная) | 2. Мартенситная, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру | 2. Качественная углеродистая или легированная, выплавляемая в мартеновских печах при строгом соблюдении режимов плавки, с меньшим содержанием серы, фосфора и неметаллических включений |
| 3. Инструментальная – для инструмента и оснастки | 3.Аустенитная, в которой под влиянием легирующих элементов фиксируется аустенит | 3. Высококачественная углеродистая или легированная, выплавляемая в электрических или кислых мартеновских печах, с незначительным содержанием серы, фосфора и неметаллических включений (0,020 … 0,035) | |
| 4. Ферритная, имеющая после нормализации структуру: - феррит; - феррит + карбид | 4. Особовысококачественная легированная, выплавляемая в электрических печах, в вакууме совершенными способами электроплавки, с минимальным содержанием вредных примесей | ||
| 5. Карбидная с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов |
Все материалы по химической основе делятся на две основные группы – металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов.
В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).
Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.
Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико (до 10 %) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось.
Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей и конструкций, работающих под механическими нагрузками. Основное требование к конструкционным материалам – не разрушаться и не деформироваться при эксплуатации. Кроме того, материалы должны быть экономичными (недорогими, недефицитными) и технологичными, т.е. из них должно быть технически возможно изготовить нужное изделие с минимальными затратами труда и энергии.
В современной технике используются следующие группы конструкционных материалов:
1) металлы и их сплавы;
2) полимеры (пластмассы);
3) керамика;
4) стекла;
5) композиционные материалы.
В котло-реакторостроении широко применяются чёрные и цветные металлы, их сплавы, неметаллические материалы.
На современном этапе развития техники в наибольшей степени удовлетворяют требованиям быть прочными, надежными, долговечными – и одновременно технологичными и экономичными – металлы и сплавы.
Композиционные материалы все шире используются в самых разных областях, но все же пока они дороги и технология их производства сложна. Поэтому до 80 % объема всех выпускаемых конструкционных материалов составляют металлы.
В котло- и реакторостроении они являются основными материалами для машин и конструкций. Поэтому мы будем рассматривать технологию производства изделий из металлов и технологию получения самого металла.
Например, котельная сталь–это сталь для деталей котельных установок, работающих при повышенных температурах, в контакте с водяной и паровой средами.
От котельной стали требуется удовлетворительная характеристика жаростойкости, включающая сопротивление ползучести и длительности выдержки характеристик при высокой температуре;
- прочность; пластичность, в условиях длительногонагружения;
- устойчивость противоокалино-образования, водяной и паровой коррозии и др.;
- стабильность свойств при данной температуре;
- релаксационная стойкость при данной температуре (для крепежных деталей);
- устойчивость при повторных нагрузках;
- малая склонность к старению, графитизации и сфероидизации.
При выборе марок котельной стали обычно учитывают условия, при которых должны работать соответствующие детали: температуру, напряжение, срок службы и допустимую деформацию за этот срок.
В зависимости от условий эксплуатации в качестве котельной стали используются:
- углеродистая сталь низколегированнаясталь;
- легированная сталь перлитного и аустенитного классов.
Малоуглеродистая и низколегированная стали выплавляются в мартеновских печах и поставляются в горячекатаном состоянии, термообработка (нормализация или нормализация с отпуском) производится по требованию заказчика.
Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450°С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, I5K, 16К, 18К, 20К, 22К с содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.
Широко применяются в котлостроении чугуны, но только для изготовления деталей, не подверженных значительному давлению среды.
Например, ковкий чугун марок КЧ 30 – 6, КЧ – 37 – 12 или КЧ 60 – 3. Котлы из этого ковкого чугуна используют при производстве пароводяной арматуры с давлением среды до 4 Мпа и температурой до 300 0С.
Серый чугун с пластинчатым графитом марок СЧ 20, СЧ 30. Из серого чугуна изготавливают колонки дистанционного управления, корпуса приводных устройств арматуры, втулки шпинделя, маховики запорной арматуры и др. детали котлостроения.
Высокопрочный чугунприменяют вместо стали или ковкого чугуна для изготовления ответственных деталей.
Легированный чугунприменяют для отливок повышенной жаропрочности: паровые котлы, работающие при высоких температурах топочных газов, не находящихся под давлением. Из легированного чугуна получают детали подвесок труб перегревателей, экономайзера, пылеугольных горелок, колосников и др. Чугун может легироваться хромом от 0,4 до 34 % и использован при температуре 1100 0С. Марок ЧХ 1, ЧХ 2, ЧХ 22 и т.д. Чугун может быть легирован кремнием от 4,5 до 18 %, в этом случае он маркируется ЧС 5 и пр. Наиболее жаростойкие марки чугунов легируют алюминиемот 0,6 до 31 %, или хромом и кремнием одновременно.
Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле нейтронов, γ-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не все материалы, применяемые в других отраслях техники. При выборе реакторных материалов учитывают их радиационную стойкость, химическую инертность, сечение поглощения и другие свойства.
| Материал | Плотность, г/см³ | Макроскопическое сечение поглощения Εм−1 | |
| тепловых нейтронов | нейтронов спектра деления | ||
| Алюминий | 2,7 | 1,3 | 2,5×10−3 |
| Магний | 1,74 | 0,14 | 3×10−3 |
| Цирконий | 6,4 | 0,76 | 4×10−2 |
| Нержавеющаясталь | 8,0 | 24,7 | 1×10−1 |
У большинства материалов прочностные свойства резко ухудшаются с увеличением температуры. В энергетических реакторах конструкционные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор конструкционных материалов, особенно для тех деталей энергетического реактора, которые должны выдерживать высокое давление.