Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Котельные стали и полуфабрикаты из них

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Энергетический факультет

Кафедра теплотехнических и энергетических систем

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Технология конструкционных материалов»

по теме: «Котельные стали и полуфабрикаты из них»

Выполнил: студент

Группа: Промышленная теплоэнергетика

Шифр: 140104 (1007)

Курс:

Содержание

Введение 3

1.1.Углеродистые стали 4

1.2. Легированные жаропрочные и жаростойкие стали 6

1.3. Котельные стальные листы 9

1.4.Стальные трубы, работающие под давлением 10

1.5. Прокат для крепежных деталей и пружин 12

1.6. Стальные поковки 14

1.7. Стальные и чугунные отливки 15

Список использованной литературы 16

Введение.

Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энергетическими блоками с паровыми котлами сверхкритических и высоких параметров пара, обеспечивают большую часть вырабатываемой в настоящее время электрической энергии и поддержание их высокой надежности и экономичности — важная задача, которую можно решить только в случае правильного выбора материалов и технологических процессов, используемых при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования.

Ввод мощных энергетических блоков сопровождается повышением блочности их изготовления и комплектности заводской поставки энергооборудования, повышением качества изготовления и технического уровня котлов, вспомогательного оборудования, деталей трубопроводов и арматуры.

Повышение температуры перегрева свежего пара и промежуточного перегрева сдерживается отсутствием подходящих сталей для высокотемпературной части пароперегревателей и паропроводов. Переход на более высокий уровень температур связан с необходимостью применения дорогих и малотехнологичных сталей и сплавов, содержащих высокий процент таких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам, молибден и др.

Для установления предельных возможностей эксплуатируемых блоков выполняют проверочный расчет высокотемпературных элементов трубных систем этих блоков на прочность при циклических нагрузках в условиях ползучести, разработать рекомендации по совершенствованию объемов и методов контроля металла в эксплуатации, дать обоснованные рекомендации по организации водно-химического режима, а также по изменению нормативов ремонтного обслуживания.

Проведение исследований, позволяющих обосновать правильный выбор материалов, а также дать рекомендации по совершенствованию конструкции и режимов эксплуатации энергооборудования. Удачный выбор химического состава жаропрочной стали недостаточен для обеспечения ее надежной работы в эксплуатации. Большую роль играют технология металлургического производства (шихтовка, способ выплавки, режимы прокатки, термической обработки и др.) а также технология изготовления и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, сварка, последующая термическая обработка). И только при высоком уровне технологии и культуры производства и эксплуатации можно обеспечить надежную работу современного котла.

1.1.Углеродистые стали

Для изготовления деталей котлов, вспомогательного оборудования и трубопроводов широко применяются низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода, до 0,8% марганца и 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 состоянии, хорошо свариваются. Низкоуглеродистые стали относительно дешевы не дефицитны и обладают удовлетворительными механическими свойствами при комнатной и повышенных температурах (до 450—500°С).

Структура низкоуглеродистой стали состоит из феррита и перлита.

Феррит — твердый раствор углерода в а-железе. Атомы углерода образуют раствор внедрения; они имеют существенно меньшие размеры, чем атомы железа, и располагаются в кристаллической решетке в промежутках между атомами железа. Феррит — относительно мягкая и пластичная структурная составляющая низкоуглеродистой стали. В феррите при комнатной температуре растворяется только около 0,006% углерода. При большем содержании углерод образует химическое соединение РезС, называемое цементитом. Это соединение имеет сложную кристаллическую решетку. Цементит тверд и относительно хрупок.

В низкоуглеродистой стали при очень небольшом содержании углерода в процессе медленного охлаждения хрупкий цементит может выпадать по границам зерен феррита. При такой структуре стальные детали плохо переносят ударную нагрузку. Раньше в котлостроении применялись стали с очень низким содержанием углерода, так как такие стали хорошо гнутся, штампуются и т. п.

В настоящее время широко используются стали, содержащие более 0,10—0,12% С, в которых не наблюдается выпадения цементита по границам зерен даже при очень медленном охлаждении.

При содержании углерода более 0,025% в стали наряду с ферритом наблюдается вторая структурная составляющая — перлит, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит прочнее и тверже феррита. Свое название перлит получил из-за того, что шлиф стали, состоящий из одного перлита, когда его приготавливают для металлографического исследования под микроскопом, слегка переливается, как перламутр. Чем выше содержание углерода в стали, тем большую долю структуры занимают перлитные участки.

Углеродистые стали классифицируются по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и разбросом показателей химического состава и механических свойств. Чем меньше содержание вредных примесей, чем уже пределы изменения механических свойств и содержания химических элементов, тем выше качество стали. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Существенное влияние на механические свойства и работоспособность готовых изделий оказывают особенности производства стали и стальных полуфабрикатов.

Наилучшим комплексом свойств обладают низкоуглеродистые стали, выплавленные в электрических и мартеновских печах. Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по своим свойствам к мартеновским.

Большое влияние на свойства стали оказывает способ раскисления, в зависимости от полноты которого стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Современные способы производства стали завершаются получением жидкого металла. При любом способе производства к концу процесса в стали значительное количество кислорода содержится в виде гемиоксида 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 и заканчивают раскисление при выпуске стали из печи обычно алюминием. Этим достигается высокая степень раскисления благодаря чему в процессе кристаллизации слитка стали не происходит бурного выделения газов.

Кипящую сталь до разливки раскисляют только ферромарганцем. При этом в жидком металле остается некоторое количество гемиоксида железа. После разливки стали в изложницы в незат- вердевшем металле протекает реакция самораскисления углеродом. Выделяющаяся газообразная закись углерода перемешивает жидкий металл,- он бурлит и выделяет искры. Создается впечатление, что сталь кипит — отсюда и название этой стали — кипящая. По качеству, механическим свойствам, коррозионной стойкости кипящая сталь уступает спокойной, но она дешевле, так как при ее производстве получается меньше отходов. Кипящей выплавляют только малоуглеродистую сталь, содержащую до 0,25% С.

Сталь, занимающая по степени раскисления промежуточное положение между спокойной и кипящей, называется полуспокойной, ее можно выплавлять с содержанием углерода до 0,40— 0,45%.

Обозначение марок кипящей стали сопровождается буквами «кп», полуспокойной — «пс». Марки спокойной стали либо не сопровождаются какими-либо буквенными обозначениями, указывающими способ раскисления, либо сопровождаются буквами «сп».

В котлостроении низкоуглеродистая сталь, применяется для элементов котлов, не нагруженных внутренним давлением, а также в виде листа и проката элементов котлов и трубопроводов, работающих при относительно низких температурах и давлениях.

1.2. Легированные жаропрочные и жаростойкие стали

Легирующие примеси — элементы, специально вводимые в сталь для придания ей определенных структуры и свойств. Основные назначения легирования котельных сталей — повышение механических свойств, жаропрочности и коррозионной стойкости.

Легирующие элементы могут растворяться в железе, образовывать карбиды и интерметаллические соединения и входить в состав включений, не взаимодействуя с кристаллами железа, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом и углеродом, он по-разному влияет на свойства стали.

В феррите в большей или меньшей степени растворяются все легирующие элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и временное сопротивление возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Только хром в количестве до 1% и никель повышают ударную вязкость феррита. Никель оказывает наиболее эффективное действие: одновременно с упрочнением феррита резко повышает его ударную вязкость при комнатных и, особенно, при минусовых температурах.

Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. По характеру влияния на полиморфные превращения все элементы могут быть разделены на две группы. Элементы первой группы: никель, марганец, медь, азот — расширяют область устойчивого состояния аустенита. При содержании этих легирующих элементов выше определенного количества сталь в интервале от комнатной температуры до перехода в жидкое состояние имеет структуру легированного аустенита. Такая сталь называется аустенитной.

Элементы второй группы повышают устойчивость феррита. Ко второй группе относятся хром, кремний, молибден, ванадий, вольфрам, титан, ниобий и алюминий. При содержании элементов второй группы выше определенного количества сталь в интервале температур от комнатной до перехода в жидкое состояние имеет структуру легированного феррита. Такая сталь называется ферритной.

При легировании стали карбидообразующими элементами в ее структуре образуются включения карбидов. Карбидообразующие элементы могут образовывать самостоятельные карбиды или замещать железо в цементите. При избытке карбидообразующих элементов по отношению к углероду эти элементы входят в твердый раствор. К карбидообразующим элементам относятся хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан и ниобий. Включение карбидов упрочняет сталь и повышает ее твердость.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на распад аустенита. Все элементы, кроме кобальта, замедляют распад аустенита и повышают тем самым прокаливаемость.

Легирующие элементы не изменяют природы мартенситного превращения, но они влияют на температуру начала и конца этого превращения. Большинство легирующих элементов снижает температуру начала мартенситного превращения, особенно марганец. Алюминий и кобальт представляют исключения: они повышают температуру начала мартенситного превращения М_н. Кремний почти не влияет на нее. Под влиянием легуриющих элементов снижается также температура конца мартенситного превращения М_к.

Все легирующие элементы, кроме марганца, препятствуют росту зерен аустенита при нагревании стали. Марганец способствует росту зерен.

Легирующие элементы не оказывают заметного влияния на превращения, происходящие в закаленной стали при температуре ниже 150°С, но они сильно замедляют превращения, происходящие при температуре выше 150°С. Смесь карбида и цементита с растворенными в нем карбидообразующими элементами менее склонна к коагуляции, чем чистый цементит. Карбидообразующие элементы особенно сильно замедляют превращения, происходящие при отпуске. Легирующие элементы, не образующие карбидов, также затрудняют отпуск закаленной стали, но влияние их обычно слабее. Наиболее сильно из элементов, не образующих карбидов, влияет кремний. Легированный мартенсит устойчивее нелегированного. Поэтому отпуск закаленной стали производят при более высоких температурах и при более длительных выдержках.

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам: по содержанию легирующих элементов, по числу компонентов, по микроструктуре и по назначению.

В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делятся на три группы:

низколегированные, содержащие менее 2,5% легирующих добавок;

среднелегированные, содержащие добавки от 2,5 до 10%;

высоколегированные, содержащие более 10% легирующих добавок.

Легированные стали, используемые для изготовления поверхностей нагрева и паропроводов, должны обладать возможно более высокой жаропрочностью, хорошей деформационной способностью при длительной эксплуатации (длительной пластичностью), коррозионной стойкостью в среде продуктов сгорания энергетических топлив, воде и водяном ларе, а также технологичностью при сварке и гибке в горячем и холодном состоянии. Сварные соединения из этих сталей не должны быть склонны к локальным разрушениям при изгибе.

Учитывая относительно высокую металлоемкость поверхностей нагрева, необогреваемых элементов котлов, работающих под давлением при высокой температуре, и станционных паропроводов, необходимым условием является минимальное содержание в сталях дорогих и дефицитных легирующих примесей — никеля, молибдена, вольфрама и ниобия.

Повышение жаропрочности сталей достигается путем предотвращения или затруднения деформации при возможно более высоких температурах. Для этого стремятся воспрепятствовать зарождению элементарных актов пластической деформации упрочнением межатомных связей в матрице твердого раствора рациональным легированием, а также созданием препятствий для движения дислокаций за счет большого числа мелкодисперсных включений вторичных и третичных фаз или созданием устойчивой субструктуры.

Для повышения коррозионной стойкости в перлитные жаропрочные стали вводятся хром, кремний и алюминий. В то же время кремний и алюминий способствуют снижению жаропрочных свойств и ухудшают технологичность.

Стали, используемые для изготовления паропроводов, должны хорошо свариваться, быть способными подвергаться пластической деформации в горячем состоянии и обрабатываться на металлорежущих станках и др. Поэтому содержание углерода в них не превышает 0,20—0,25%.

1.3. Котельные стальные листы

Стальные листы применяются для изготовления корпусов котлов низкого давления, для барабанов и их днищ, для плоских донышек коллекторов, для многих элементов котлов, не подверженных нагрузкам внутренним давлением, а также для изготовления корпусов сосудов давления, входящих в состав котельной установки (деаэраторов, барботеров, фильтров водоподготовки и др.).

Для изготовления котлов низкого давления используются листы из углеродистой стали Ст2кпЗ, СтЗкпЗ, ВСтЗкпЗ, ВСтЗпсЗ и ВСтЗспб обыкновенного качества по, а также из сталей Ст2псЗ, СтЗпс2, СтЗГпс2 и ВСтЗ по.

Для изготовления элементов котлов с более высокими параметрами пара применяются листы из сталей 15К, 20К, 16ГС, 09Г2С и 10Г201 по, а также стальные листы, поставляемые по специальным техническим условиям.

Условия работы барабана ответственны — в барабане происходит разделение пароводяной смеси, поступающей из экранов и фестона на пар и воду. Барабаны используются в котлах низкого, среднего и высокого давления с естественной и многократной принудительной циркуляцией. Разрушение барабана — одна из наиболее серьезных аварий на тепловой электростанции. Выбор соответствующего материала для барабана, контроль качества в исходном состоянии и периодический контроль во время ремонтов котлов позволяют обеспечить надежную работу барабана.

Котельные стальные листы для барабана получают прокаткой из слитков или слябов, т.е. обжатых прокаткой слитков. Качество листов зависит от степени обжатия, которая должна быть не менее 20-кратной. При этом литая структура разрушается, металл становится более плотным, пузыри (в кипящей стали) завариваются.

В настоящее время все барабаны изготовляются из стальных листов путем вальцовки обечаек или штамповки полуобечаек с последующей их сваркой продольными и кольцевыми швами. Продольные швы свариваются электрошлаковой или автоматической многослойной сваркой под флюсом, кольцевые — преимущественно автоматической многослойной сваркой. Днища штампуются и привариваются автоматической сваркой под слоем флюса. Поэтому стали для барабанов должны хорошо свариваться и допускать пластическое деформирование в процессе вальцовки и штамповки.

Для изготовления барабанов и корпусов котлов низкого давления применяются пластичные и технологичные малоуглеродистые стали. Для барабанов котлов высокого давления используются легированные стали повышенной прочности, что позволяет уменьшить толщину стенки. Внутренний диаметр барабанов современных мощных паровых котлов достигает 1800 мм.

1.4.Стальные трубы, работающие под давлением

Для изготовления элементов котлов и станционных трубопроводов используются преимущественно бесшовные катаные, прессованные или волоченые трубы. Для паропроводов мощных энергоблоков, связывающих котел с турбиной, иногда применяются центробежно-литые трубы; колена, тройники и переходы таких паропроводов изготавливаются из штампосварных элементов.

Для трубопроводов горячей воды и пара применяются также стальные трубы, изготавливаемые путем холодной гибки листа или ленты. Гибку выполняют на прокатных станах или в прессах с последующей сваркой продольным или спиральным швом. Используется автоматическая электродуговая сварка под слоем флюса, электросварка сопротивлением, электродуговая сварка в защитном газе, сварка током высокой частоты и даже газовая сварка. Для наименее ответственных элементов используются трубы, сваренные печной сваркой давлением.

Трубы наименее ответственного назначения изготавливаются печной сваркой давлением. Трубу формируют при протяжке ленты-заготовки, называемой штрипсом, через воронку. Штрипс нагревают в заготовочной печи до 900—1000° С и на специальном стане свертывают с помощью воронки в трубную заготовку, причем кромки штрипса при наружном диаметре трубы более 50 мм заходят одна за другую. Свернутую заготовку нагревают в печи до 1300—1350°С и прокатывают на цилиндрической оправке на двухвалковом трубопрокатном стане. При прокатке кромки свариваются внахлестку под воздействием высокого давления и температуры.

Трубы со швом диаметром менее 50 мм изготавливаются обычно сваркой встык путем протягивания разогретого до 1300—1350°С штрипса через воронку. Кромки его не заходят одна за другую, а упираются друг в друга, так как ширина штрипса немного более периметра отверстия в воронке. В результате протяжки через воронку происходит кузнечная сварка встык. Далее трубы проходят калибровку и отделочные операции.

В настоящее время широко применяются различные методы изготовления труб со швом с помощью электросварки. Трубы с продольным швом изготавливаются преимущественно методом контактной сварки, а трубы со спиральным швом — методом автоматической сварки под флюсом.

Прочность трубы в шве, т. е. в месте сварки, ниже, чем металла трубы, поэтому для ответственных условий работы — высоких давлений и температур — сварные трубы не применяются. Для таких условий используются бесшовные трубы.

Все трубы должны выдерживать испытание гидравлическим давлением. Если наружный диаметр трубы менее 102 мм, то давление гидравлического испытания составляет 6 МПа, при наружном диаметре 102 мм и более — 3 МПа. Гидравлическое испытание на заводе-изготовителе может производиться выборочно при гарантии герметичности всех труб.

Ответственные элементы котлов и трубопроводов, работающих под давлением, изготавливаются из бесшовных труб. Такие трубы получают обычно прокаткой, реже применяется прессование.

Литую, катаную или кованую трубную заготовку прошивают в гильзу на стане косой прокатки, затем раскатывают на пильгерных или автоматических станах горячей прокатки. Трубы малых типоразмеров раскатывают на станах холодной прокатки. Вместо холодной прокатки на завершающих операциях применяют также холодное волочение.

На станах горячей прокатки могут быть получены трубы наружным диаметром не менее 40 мм при толщине стенки не менее 3 мм. Однако в теплообменных аппаратах требуются трубы меньшего диаметра и с меньшей толщиной стенки. Для производства тонкостенных труб применяются холодное волочение и холодная прокатка. При холодной прокатке поверхность труб получается более чистой, чем при волочении. Станы холодной прокатки работают по принципу пилигримовых станов.

Горячекатаные трубы из углеродистой стали могут поставляться без термической обработки, если температура конца прокатки не ниже 850—875° С. Если эта температура ниже или труба проходила прокатку или волочение в холодном состоянии, то обязательна термическая обработка. Все трубы из легированных сталей независимо от температуры конца прокатки подвергаются термической обработке, режим которой указывается в технических условиях.

Плавниковые бесшовные трубы используются для изготовления панелей ограждения газоплотных котлов и, реже, для изготовления ширм для повышения тепловой эффективности и уменьшения склонности к шлакованию.

Плавниковые бесшовные трубы имеют два продольных ребра-плавника. Профиль ребра может иметь форму трапеции или прямоугольника с переходом к трубе по радиусу у основания. Такие трубы изготавливаются методом горячего прессования или холодной прокатки.

1.5. Прокат для крепежных деталей и пружин

Крепежные детали — шпильки, болты, гайки и хомуты. Материал таких деталей должен обладать высоким пределом текучести, хорошо сопротивляться релаксации напряжений, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений, большой длительной пластичностью, стабильностью структуры и свойств в процессе длительной эксплуатации, коэффициентом линейного расширения, близким или равным коэффициенту расширения сопрягаемых деталей, хорошей сопротивляемостью задиранию и технологичностью при резании.

Для повышения релаксационной стойкости в сталь вводят молибден, ванадий и хром. Релаксационно-стойкие стали содержат больше углерода, чем стали для труб, поковок и литья (0,20—0,40%). Это возможно, так как крепежные детали не подвергаются сварке.

Требования к материалу шпилек и болтов обычно более жесткие, чем к материалу гаек. В резьбовом соединении напряжения, возникающие в шпильке или болте, существенно выше напряжений в гайке.

На фланцах из аустенитной стали должны применяться шпильки также из аустенитной стали.

При разных коэффициентах линейного расширения возможна либо разгерметизация фланцевого соединения из-за давления на прокладку, либо обрыв шпилек из-за их перегрузки.

Для предотвращения заедания резьбовых соединений, работающих при высоких температурах, шпильки и гайки следует изготовлять из разных сталей, причем материал гайки должен быть мягче. Хорошие результаты дает применение медно-гра- фитовых смазок, а также смазок из дисульфида молибдена. Обычные машинные масла не применяются, так как они способствуют пригоранию поверхностей.

Разрушение шпилек в эксплуатации из-за перетяжки или низких пластических свойств металла обычно происходит в первом витке у фланца.

Для предотвращения внезапного разрушения шпильки энергетической арматуры подвергаются периодическому контролю ультразвуком. Контроль проводится в соответствии с требованиями ведомственной инструкции.

Для изготовления используемых в элементах котлов болтов и шпилек, работающих при избыточном давлении до 1,6 МПа и температуре до 350° С, и гаек, работающих при избыточном давлении до 2,5 МПа и температуре до 350° С, применяются стали ВСтЗспб и ВСтЗспЗ. Углеродистые стали 20 и 25 можно использовать для изготовления шпилек и болтов, работающих при температуре до 400° С и давлении до 1,6 МПа, стали 30, 35 и 40 — при давлении до 10 МПа и температуре до 425° С.

Сталь, используемая для изготовления пружин, должна обеспечивать линейную зависимость между деформацией и нагрузкой, т. е. иметь высокий предел упругости. При превышении упругой деформации (например, при навивке пружин) сталь должна обладать определенным запасом пластичности. Если пру-, жина работает при изменяющихся нагрузках, то ее материал должен хорошо сопротивляться усталости. Пружины, работающие при высокой температуре, должны быть стойкими против релаксации.

Свойства, необходимые для пружин, достигаются путем легирования стали кремнием, марганцем, хромом и ванадием, а также благодаря выбору оптимального режима термической обработки. Обычно используется закалка в масле и средний или высокий отпуск.