В котлостроении широко применяются углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали.
Наиболее распространённым материалом для изготовления элементов котлов, вспомогательного оборудования и трубопроводов служат низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода, до 0,8% марганца до 0,4% кремния (остающихся после раскисления), а также вредные примеси – до 0,055% серы и до 0,045% фосфора; эти стали хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состояниях, хорошо свариваются. Низкоуглеродистые стали обладают удовлетворительными механическими свойствами при комнатной и повышенных до 450 – 500оС температурах.
Существенное влияние на механические свойства и работоспособность готовых изделий оказывают особенности производства стали и стальных полуфабрикатов.
Наилучшим комплексом свойств обладают низкоуглеродистые стали, выплавленные в мартеновских печах. Сталь, полученная в конвекторах с кислородным дутьём и основной футеровкой, приближается по своим свойствам к мартеновской. Но при одинаковом режиме охлаждения после прокатки или при одной и той же термической обработке конверторная сталь имеет повышенную прочность по сравнению с мартеновской. Разница в свойствах особенно заметна при низких температурах.
На свойства стали кроме способа выплавки большое влияние оказывает способ раскисления, в зависимости от полноты которого стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Все современные способы производства стали завершаются получением жидкого металла. При любом способе производства к концу процесса в стали значительное количество кислорода содержится в виде закиси железа. Этот кислород необходимо удалить, иначе пластичность стали будет невысокой и сталь нельзя будет обрабатывать прокаткой, ковкой или прессованием.
Спокойную сталь раскисляют сначала ферромарганцем, потом ферросилицием; заканчивают раскисление при выпуске стали из печи обычно алюминием. Этим достигается высокая степень раскисления, из-за чего в течение процесса кристаллизации слитка стали не происходит бурного выделения газов.
Кипящую сталь до разливки раскисляют только ферромарганцем. При этом в жидком металле остаётся некоторое количество закиси железа. После разливки стали в изложницы в ещё не затвердевшем металле протекает реакция самораскисления углеродом. Выделяющая газообразная закись углерода перемешивает жидкий металл, он бурлит и выделяет искры. Создаётся впечатление, что сталь кипит – отсюда и название этой стали. По качеству, механическим свойствам, коррозионной стойкости кипящая сталь уступает спокойной, но она дешевле, так как при её производстве получается меньше отходов. Кипящей выплавляют только низкоуглеродистую сталь (содержащую до 0,25% углерода).
Сталь, занимающая по степени раскисления промежуточное положение между спокойной и кипящей, называется полуспокойной. Её можно выплавлять с содержанием углерода до 0,40 – 0,45%. Обозначение марок кипящей стали сопровождается буквами «кп», полуспокойной – «пс». Марки спокойной стали либо не сопровождается какими-либо буквенными обозначениями, указывающими способ раскисления, либо сопровождаются буквами «сп»
В качестве легирующих элементов применяются: хром, молибден, никель, ванадий, вольфрам, титан, марганец и др..
Углерод –элемент, в основном определяющий механические и технологические свойства углеродистых сталей. С увеличением содержания углерода повышаются предел прочности и твердость, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При содержании углерода 0,8 % прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.
Марганец– вводят в любую сталь для раскисления (т.е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому обнаружить его металлографическими методами невозможно; он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в некоторых марках углеродистой стали может достигать 0,8 %.
Кремний – подобно марганцу является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдёт настолько полно, что получится «кипения» жидкого металла засчёт раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,40 % кремния, который повышает прочность и твёрдость стали.
Сера –вредная примесь; в стали обыкновенного качества допускается до 0,055 % серы.
Присутствие серы в большом количестве приводит образованию трещин при ковке, штамповке и пркатке в горячем состоянии. Это явление называется красноломкостью. В углеродистой стали сера взаимодействует с железом в результате чего получается сернистое железо. Сернистое железо образует с железом относительно лёгкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зёрен. При температурах ковки, горячей штамповки и прокатки эвтектика находится в жидком состоянии. В процессе горячей пластической деформации по границам зёрен образуются трещины.
Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы устраняется, так как она связывается в тугоплавкий сульфид марганца, включения которого располагаются в середине зёрен, а не по их границам. При горячей обработке давлением включения сернистого марганца легко деформируются без образования трещин.
Фосфортакже является вредной примесью;растворяясь в феррите, резко снижает пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, или иначе вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1%. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается не более 0,045 % фосфора.
В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в неё могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.
Углеродистые сталиклассифицируют по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и постоянством механических свойств и химического состава. Чем меньше содержание вредных примесей и колебание механических свойств и химического состава, тем выше качество стали. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.
Стандарты на углеродистую сталь устанавливают маркировку, химический состав, способ производства и раскисления, механические свойства и правила приёмки.
Приняты обозначения марок сталей, связанные с их средним химическим составом. Марки углеродистых сталей обозначаются цифрами, например: 10; 20, что соответствует среднему содержанию углерода сотых долях процента.
Качественные углеродистые стали для листов имеют то же обозначение, но с добавкой К, например, 15К; 20К.
Углеродистые стали обыкновенного качества имеют обозначение: Ст2сп, Ст3сп.
Легированная сталь- сталь, содержащая элементы, специально вводимые в определённых количествах для придания ей требуемых структуры и свойств.
В котлостроении основное назначение легирования – повышение жаропрочности и жаростойкости.
Жаропрочность – это способность противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах; она определяется прочностными свойствами, получаемыми при кратковременных испытаниях на растяжение, а также сопротивляемостью ползучести и длительной прочностью материала.
Ползучесть – свойство металла, нагруженного при высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформироваться под воздействием напряжений.
В результате развития ползучести увеличиваются диаметры и уменьшаются толщины стенок. Деталь, проработавшая определённое время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации во много раз меньше, чем от кратковременной перегрузки при той же температуре.
Способность металла сопротивляться разрушению при воздействии высокой температуры и напряжений характеризуется пределом длительной прочности – напряжением, приводящим металл к разрушению приданной температуре через определённый промежуток времени.
Жаростойкость – способность сопротивляться окалинообразованию при высоких температурах.
Молибденвводится в состав жаропрочных сталей только с целью повышения жаропрочности; на жаростойкость он не влияет. В распространённых котельных сталях перлитного класса содержится 0,20 – 0,60% молибдена. Это дорогой и дефицитный легирующий элемент, растворяется в феррите, повышая температуру рекристаллизации, входит в состав карбидов, способствует снижению склонности стали к тепловой хрупкости.
Хром в количестве 0,5 – 2,5 % входит в низколегированные котельные стали для повышения устойчивости карбидов (против графитизации) и для повышения жаростойкости, в количестве 1 – 2 % повышает жаропрочность, увеличивает прокаливаемость, что важно для крепежных сталей, которые не сваривают. В котельных же сталях, повышенная прокаливаемость из-за добавки хрома, способствует образованию трещин в сварных швах. Сварка хромистых сталей в ряде случаев требует предварительного и сопутствующего подогревов, а также последующей термической обработки для получения стабильной структуры. Сварка повышает склонность стали к тепловой хрупкости. Хром не дорог и не дефицитен. Стали, содержащие более 12 – 13% хрома, относятся к нержавеющим.
Никельв количестве не менее 9 % вводится в жаропрочные нержавеющие стали для получения аустенитной структуры. Обычно вместе с никелем в состав стали добавляют хром. Никель - дорогой и дефицитный легирующий элемент. Для стабилизации структуры и снижения склонности к межкристаллитной коррозии в аустенитные стали вводят титан ( Т ) и
ниобий ( Б ), кторые связывают практически весь углерод в тугоплавкие карбиды. Избыточное содержание титана и ниобия приводит к образованию интерметаллических соединений и, как следствие, к охрупчиванию стали. В перлитную сталь для барабанов паровых котлов вводят никель в количестве около 1% для повышения предела текучести.
Ванадий способствует повышению прочности в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах. При добавлении ванадияизмельчаются зерна стали и образуются устойчивые мелкодисперстные карбиды, повышающие жаропрочность. Присадка ванадия более 0,2 – 0,4 % - снижает жаростойкость.
Кремний и алюминий вводят совместно или раздельно для повышения жаростойкости хромистых сталей. На поверхности детали образуется прочная плёнка сложного окисла железа, хрома, кремния и алюминия, обладающая хорошими защитными свойствами.
Марганецповышает характеристики прочности сталей и может увеличивать склонность стали к тепловой хрупкости.
Бор вводится в сталь в очень небольших количествах для повышения прочности при высоких температурах, но присадка бора ухудшает свариваемость.
Вольфрамвводят для повышения жаропрочности в аустенитные стали, но дорогая присадка.
Маркировка легированных сталей выполняется по буквенно-цифровой системе. Каждый легирующий элемент обозначается прописной русской буквой:
Марганец ... Г Вольфрам … В Ниобий …Б
Кремний … С Ванадий … Ф Кобальт … К
Хром … Х Титан … Т Фосфор … Ф
Никель … Н Алюминий …А Бор … Р
Молибден … М Медь …Д Цирконий … Ц
Цифры, следующие за буквой, указывают примерное содержание легирующих элементов в процентах. Если в стали содержится менее 1% легирующего элемента, то цифра не ставится. При содержании легирующего элемента от 1 до 2% после буквы ставят цифру 1.
Двузначное число в начале марки стали обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента в пределах марочного состава.
12Х1МФ – углерод = 0,12 %, хром = 0,9–1,2%, молибден = 0,4–0,55%, ванадий = 0,15–0,35%.
В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на три группы::
Низколегированные – содержащие менее 2,5 % легирующих добавок. Эти стали перлитного класса, при охлаждении на воздухе они не закаливаются.
Среднелегированные– от 2,5 до 10 %;
Высоколегированные – более 10 %. Высоколегированные хромоникелевые стали могут использоваться при температурах до 625 – 650оС. Содержание легирующих элементов достигает в них 40%, из них хромоникелевой основы 27 – 35%. Никельсодержащие стали отличаются высокой стоимстью.