Легированные стали в энергетике

Металл, применяемый в современных теплоэнергоустановках, имеет некоторые особенности, которые должны быть приняты во внимание при эксплуатации оборудования.

Энергоустановки рассчитывают на ресурс тысячи часов службы. Срок эксплуатации ряда узлов может быть доведен до 200 - 300 тысяч часов.

Из-за повышенной рабочей температуры, которая в настоящее время достигает 450 - 585 °С, значительно возрастает коэффициент диффузии атомов в металле. Поэтому в процессе эксплуатации происходит изменение структуры, а также обеднение твердого раствора молибденом, хромом и другими добавками. При этом снижаются такие важные характеристики сплава как жаропрочность, ударная вязкость и пр. Частичное их восстановление может быть достигнуто реставрационной термической обработкой.

В целях борьбы с отрицательными явлениями в структурных превращениях сталей в их состав вводят добавки, называемые легирующими. Это в основном металлы и неметаллы. Процесс именуется легированием. Основное назначение легирования котельных сталей – повышение механических свойств, жаропрочности и коррозионной стойкости. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент (ЛЭ) с железом и углеродом, он по разному влияет на свойства сталей. По характеру воздействия на полиморфные превращения все элементы могут быть разделены на две группы. В первую входят никель, марганец, медь и азот. Они расширяют область устойчивого состояния аустенита (рис. 1.69, а). Их называют аустенизаторами. Металлы второй группы: хром, кремний, молибден, ванадий, вольфрам, титан, ниобий и алюминий – увеличивают зону стабильного состояния феррита (рис. 1.69, б). Они являются ферритизаторами. Значительное влияние на формирование структуры и свойств сталей оказывают карбиды легирующих элементов. Их включение повышает прочность и твердость железоуглеродистых сплавов. Более сильными карбидообразователями по сравнению с железом являются хром, вольфрам, молибден, титан и ниобий. На рост зерна аустенита все легирующие элементы, кроме марганца, влияют положительно – препятствуют увеличению его размеров. Это также способствует повышению прочности стали.

Улучшению качества структуры в значительной степени содействует вакуумный или электрошлаковый переплав, в результате которых увеличивается пластичность и стойкость против хрупкого разрушения.

Легированные стали различных по структуре классов находят в теплоэнергетике всевозможное применение: ферритные – нержавеющие; перлитные – для изготовления барабанов, пароперегревателей, паропроводов, роторов турбин, крепежа и деталей арматуры; мартенситные – пружины и крепежные изделия и аустенитные – детали пароперегревателей, паропроводов и арматуры на сверхкритические параметры пара.

Все эти типы сплавов должны обладать высочайшей жаропрочностью и хорошей деформационной способностью, а также технологичностью при сварке и гибке. Необходимым экономическим условием является минимальная концентрация дорогих и дефицитных легирующих компонентов: никеля, молибдена, вольфрама и ниобия.

Для изготовления паропроводов, пароперепускных труб и коллекторов применяют стали марок 20, 12МХ, 15МХ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. В них феррит упрочняется молибденом. Хром несколько повышает длительную прочность. Ванадий связывает углерод в карбид и затрудняет пластическую деформацию. Повышение температуры и давления питательной воды в теплоэнергоустановках потребовало применения более высокопрочных марок, а именно 15ГС вместо Ст20. Сталь 16М, используемая для изготовления поверхностей нагрева, заменена маркой 15ХМ, а для паропроводов и камер употребляют сталь 12МХ. При сварке изделий из них требуется небольшой подогрев, а также последующая термообработка для снятия остаточных напряжений. Они еще оказались весьма надежными в эксплуатации, изделия из них успешно работают и после достижения расчетного срока службы – 100 тысяч часов. Для изготовления новых котлов и паропроводов данные марки заменены более жаропрочными 12МХ на 12Х1МФ, 15ХМ - 15Х1М1Ф. Первую применяют для производства поверхностей нагрева, камер и паропроводов, а вторую только для камер и паропроводов. Хром в этих сталях повышает окалиностойкость, а молибден и ванадий способствует увеличению жаропрочности. Детали из них эксплуатируются при температуре пара до 570 °С. Поверхности нагрева с максимальной рабочей температурой до 585 °С изготавливают из марки 12Х2МФСР. Молибден, ванадий и бор введены сюда для повышения жаропрочности, а хром и кремний – окалиностойкости. Такая сталь не склонна к тепловой хрупкости и отличается высокой длительной прочностью. Поверхности нагрева котлов сверхкритического и высокого давления с температурой стенки от 580 до 620 °С производят из безникелевых сплавов типа 11Х12В2МФ (ЭИ756). В ходе длительного срока службы может быть обеспечена хорошая эксплуатационная надежность при указанном максимальном значении температуры. Эта марка стали также может быть использована при производстве главных паропроводов и коллекторов острого пара.

Для труб поверхностей нагрева, работающих при 630 °С, применяют сплав аустенитного класса 12Х18Н12Т. Он имеет высокую коррозионную стойкость в среде водяного пара и продуктов сгорания топлива. Перспективными в этом направлении являются марки О9Х14Н18В2БР (ЭИ695Р), 12Х16Н14В2БР (ЭП17) и 12Х16Н16МВ2БР (ЭП184), которые по жаропрочности существенно превышают 12Х18Н12Т. Для сварных конструкций паропроводов перспективно применение стали 12Х16Н9М2, предложенной НПО ЦНИИТМаш.

Среднеуглеродистую легированную сталь используют в производстве биметаллических проводов. Он представляет собой толстую стальную проволоку, покрытую снаружи тонким слоем меди. При этом оба металла соединяются друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Механические и электрические свойства биметалла являются промежуточными между характеристиками индивидуальных компонентов того же сечения. Расположение стали внутри, а не наоборот оправдано: во-первых, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, а во-вторых, медь защищает ее от коррозии. Биметалл выпускается в виде проволоки наружным диаметров от 1 до 4 мм. Такую проволоку применяют в линиях связи и электропередачи. Биметаллические материалы также употребляют при изготовлении шин для распределительных устройств и различных токопроводящих частей электроаппаратов. Низкоуглеродистая и кремнистая электротехническую сталь относятся к высокоиндукционным магнитомягким материалам. Низкоуглеродистая электротехническая стальпоставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Поэтому ее подвергают специальной термообработке. Она заключается в следующем: медленный нагрев до 900 °С, выдержка в течение двух - четырех часов и неторопливое охлаждение со скоростью не более 30 - 40 градусов в час до 600 °С. Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей сталь от окисления, или в активной (смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку от примесей.

Однако при нагреве можно получить зерно, которое при охлаждении не измельчается и значение коэрцитивной силы будет не больше, чем в обычном железе.

Термически обработанные низкоуглеродистые стали обладают следующими наиболее важными магнитными характеристиками: коэрцитивная сила Н_с равна 64 - 96 А/м, максимальная магнитная проницаемость m_mах составляет 3500 - 4500 и содержание углерода достигает всего лишь 0,1 %.

Кремнистая электротехническая сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием (Si 3 %). Инородные ядра кремния вносят большое количество искажений кристаллической решетки твердого раствора, и обеспечивает высокую коэрцитивную силу и электросопротивление. Кремний уменьшает площадь петли гистерезиса, увеличивает склонность стали к росту зерна, что в свою очередь способствует росту магнитной проницаемости. Большое электросопротивление легированного кремнием феррита уменьшает у сплава потери на токи Фуко. Однако в кремнистой электротехнической стали имеет место хаотичное расположение кристаллов в структуре сплава, поэтому он обладает изотропными свойствами со статистически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

Для еще более существенного улучшения магнитных свойств данных сплавов их подвергают магнитному текстурированию (создание магнитной текстуры), которое заключается в холодной прокатке. В результате большинство зерен кристаллов ориентируются легким намагничиванием вдоль проката, т. е. сплав текстурируется, говорят что он приобретает текстуру прокатки. Холоднокатаная сталь становится магнитно-анизотропной. Деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений, что вызывает рост коэрцитивной силы Н_с.

Применение текстурованной стали в трансформаторах различного назначения позволяет снижать их массу и размеры на 20 - 40 %. Горячекатаные стали в отличие от холоднокатаных не имеют магнитной текстуры, т. е. магнитно-изотропны. Однако незначительное упорядочение зерен и связанная с этим анизотропия свойств наблюдается и при горячей прокатке.

Электротехническую сталь (ЭТС) изготавливают в виде тонких листов, которые используют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин и аппаратов переменного и постоянного тока.

Маркируют электротехнические стали буквой Э, после которой следуют цифры: первая указывает содержание кремния - «1» от 0,8 - 1,8 %; «2» - 1,8 - 2,8 %; «3» - 2,8 - 3,8 %, «4» - 3.8 - 4,8 % (более 4,8 % Si сталь становится очень хрупкой, поэтому не применима). Вторая цифра характеризует уровень электрических свойств (чем она больше, тем выше свойства). После двух чисел ставят один или два нуля. Один показывает, что сталь холоднокатанная текстурованная, а два - холоднокатанная мало текстурованная. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной, а нетекстурованная - динамной. Трансформаторная и динамная стали должны содержать менее 0,1 % углерода С и 0,8 - 4,8 % кремния Si.

Легированные электротехнические сплавы используют в изделиях, работающих при частотах меньше 400 Гц (герц). Стали с очень малым содержанием кремния идут на изготовление сердечников, применяемых при частотах до 100 Гц. Высокоуглеродистая сталь используется для изготовления небольших по размеру магнитов. Употребляются марки У10 - У12, имеющие после закалки Н_с = 60 - 65 Э и В_r = 8000 - 8500 Гс. Она относится к наиболее простой по составу и является дешевой.

Хромистая сталь (1,0 % С и 1,5 - 3,2 % Cr) имеет приблизительно такие же магнитные свойства, как и углеродистая. Наибольшее применение нашли марки ЕХ; ЕХЗ (1,3 - 3,6 % Сг); ЕВ6 (6,2 % W); EX5K5 (до 6,5 % Со), ЕХ9К15М2. Последние две - это кобальтовые стали, имеющие значительно повышенные магнитные свойства (Н_с = 100 - 170 Э и В_r = 8000 - 8500 Гс), но из-за дефицитности и высокой стоимости кобальта практически не применяющиеся.

Самыми высокоиндукционными являются детали из высоколегированных железокобальтовых сплавов. В качестве добавок берется ванадий. Например, сплав марки 50КФ2 - 50 % Со и 2 % V (В_s = 2,3 Тл), но из-за дефицитности кобальта применение данных сплавов ограничено. Наибольшие величины В_s также имеют редкоземельные элементы.

Вопросы для самопроверки

1. Запишите марки сталей, имеющие следующие составы: 1) 0,42 - 0 ,50 % С; 0,5 - 0,8 % Mn; 0,8 - 1,0 % Cr; 1,3 - 1,8 % Ni; 0,2 - 0,3% Мо; 0,10 - 0,18 % V; 2) 0,14 - 0,20 % С; 1,3 - 1,7 % Mn; 0,08 - 0,14 % V и 0,015 - 0,025 % N.

2. Можно ли кипящую сталь использовать для изготовления конструкций и деталей машин, работающих при температурах от -40 до -50 °С?

3. Какие стали относятся к низколегированным? Где их применяют? Какие существуют методы их упрочнения?

4. Какие углеродистые стали обычного качества можно применять для конструкций и деталей машин, подвергаемых сварке или упрочняемых термической обработкой?

5. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в сталях?

6. Каким требованиям должна отвечать сталь для холодной штамповки?

7. Какую обработку проходят «двухфазные стали» для штамповки? Какова структура этих сталей и механические свойства?

8. Какие требования предъявляются к цементуемым сталям?

9. Назовите марки стали для цементации. Какова роль в цементуемых сталях титана, ванадия, ниобия, азота?

10. Укажите металловедческие пути улучшения обрабатываемости резанием.

11. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резанием стали, легированной S, РЬ, Са?

12. Каким требованиям должны отвечать улучшаемые стали?

13. Какую термическую обработку проходят стали 40Х, 40ХН и ЗОХГС для обеспечения высокой конструктивной прочности?

14. Сталь 40ХН подвергнута отпуску при 500 и 600 °С в каком случае будут более высокая прочность (s_в, s_0,2) и пластичность (d, y)?

15. Какие требования предъявляют к сталям для изготовления подшипников? Какие для этого сплавы применяют и каков метод их упрочнения?

16. Назовите основные преимущества и недостатки мартенситно-стареющих сталей. Каковы области их применения?

17. Какие из легирующих элементов наиболее эффективно упрочняют мартенсит при старении.

18. Какие требования предъявляются к пружинным сталям? Назовите марки пружинных сталей.

19. Какие стали применяют для работы при криогенных температурах?

20. Какая сталь рекомендуется для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания (зубья ковшей, экскаваторов, траки гусеничных машин, железнодорожных стрелок, крестовин и др.)?

21. Какие легирующие элементы повышают коррозионную стойкость стали и почему?

22. Какие структуру, свойства и применение имеют стали 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х17Т?

23. Какие стали применяют для деталей, работающих в окислительных и других агрессивных средах?

24. Какую термическую обработку проходят аустенитные коррозионно-стойкие стали?

25. Каким требованиям должны отвечать стали для работы при высоких температурах (жаропрочные)?

26. Какие стали применяют для работы при температурах 550 - 560 и 600 - 800 °С?

27. Когда и для чего используют жаропрочные сплавы на никелевой основе?

Чугуны