МЕТАЛЛ ПАРОВОГО КОТЛА

СТРОЕНИЕ СТАЛИ

Чистое железо, 'В котором суммарное содержание раз­личных примесей не превышает сотых долей процента, представляет собой мягкий металл (немного прочнее меди). Его получение не связано с особыми технически­ми трудностями. Однако для применения в котлострое - II її и и большинстве других отраслей промышленности в железо необходимо 'вводить добавки различны* ве­ществ, улучшающих его свойства.

Железо, содержащее примерно до 2% углерода, называется сталью. В котлостроении применяют сталь с содержанием углерода около 0,1- 0,25%' (табл. 1).

Таблица I

Кроме углерода, в котельных сталях обычно содер­жится небольшое количество марганца и кремния, а иног­да и других металлов. В ничтожном количестве имеются и неудаленные остатки вредных примесей —- серы и фос­фора.

При остывании расплавленной стали образуется твердый раствор примесей в железе, в котором сохраняется кристаллическая решетка железа. Кроме то­го, примеси, содержащиеся в стали, могут вступать в химическое взаимодействие с железом. При этом по­являются новые соединения с собственной, иногда весь­ма сложной кристаллической решеткой.

Из различных химических соединений железа с дру­гими веществами упомянем о его соединении с углеро­дом, известном под названием карбида железа или ц е - ментита. Химическая формула цементита Fe3C не от­ражает его сложного кристаллического строения, которое весьма трудно изобразить графически. Вокруг каждого атома углерода имеется по нескольку атомов железа. На рис. 10, чтобы не затемнять чертежа, показана толь­ко часть этих атомов. Цементит имеет высокую твер­дость (он царапает стекло).

Рассмотрим теперь вопрос о том, как образуется характерный для стали твердый раствор углерода в же­лезе. Как уже упоминалось, растворение добавляемых

Веществ в основном ме­талле происходит в пери­од, когда металл находит­ся в жидком состоянии. Когда металл затверде­вает, атомы добавляемой примеси могут занять от­дельные места (узлы) в кристаллической решетке, которые без них были бЫ1 заняты атомами самого железа. Иногда атомы добавляемой примеси размещаются в проме­жутках между атомами основного металла. В пер­вом случае получается так называемый твердый раствор замещения, а во втором — твердый раствор внедрения.

Чтобы атом добавляе­мого вещества мог проч­но занять место в «чужой» для него кристаллической решетке, необходимо несколько условий. Прежде всего требуется, чтобы диаметр этого атома соответствовал занимаемому им месту. В твердом растворе замещения диаметр «постороннего» атома должен мало отличаться от диаметра атома железа. В растворе же внедрения он должен иметь гораздо меньшие размеры.

Рис. 10. Упрощенная схема кри­сталлической структуры цементи­та (светлые кружочки соответ­ствуют атомам железа, черные — атомам углерода).

Рассматривая твердый раствор углерода в железе, следует указать, что, не являясь металлом, углерод имеет кристаллическую решетку, которая значительно отли­чается от кристаллической решетки железа. Поэтому углерод не может образовать с железом твердого раетвоpa замещения. В альфа-железе затруднено образование твердого раствора. внедрения углерода. Дело в том, что в свободном состоянии атом углерода имеет диаметр 1,54 10~7 мм; диаметр же так называемой шоры, т. е. свободного пространства в кристаллической решетке аль­фа-железа, равен 0,62 10~7 мм. Поэтому в альфа-железе растворяется лишь ничтожное количество углерода, за­нимающего свободное пространство в местах, где в ре­шетке нарушается правильное кристаллическое строение (см. рис. 3,6). Этим, вероятно, объясняется то, что макси­мальная растворимость углерода - по-разному оценива­лась различными исследователями. Во всех случаях она измерялась сотыми долями процента.

Углерод гораздо легче растворяется в железе, на­гретом до высокой температуры и имеющем гамма - структуру, так как в центре каждой ячейки кристалли­ческой решетки гамма-железа имеется пора диаметром 1,02- 10"7 мм. При размещении в такой поре атома угле­рода происходит некоторое увеличение размеров соответ­ствующих ячеек кристаллической решетки.

На рис. 4,а представлен полученный при помощи ми­кроскопа фотоснимок поверхности котельной стали мар­ки 20, тщательно отшлифованной и протравленной кисло­той. Как видно из фотоснимка, сталь состоит из отдель­ных светлых зерен (кристаллитов) альфа-железа и тем- ны'х зерен. Зерна альфа-железа в стали называются фер­ритом (по-латыни: «феррум»—железо), а темные зер­на — перлитом (от слова «перламутр», на который они похожи в чистом виде).

При очень большом увеличении можно обнаружить, что перлит имеет. вид чередующихся темных и светлых полосок Исследования подтверждают неравномерность его структуры: перлит состоит из чередующихся слоев альфа-железа и цементита, т. е. из слоев чистого железа и химического соединения железа с углеродом.

Чем больше углерода в стали, тем больше перлита образуется при ее остывании. Металловеды по фотогра­фии микроструктуры стали могут довольно точно опре­делить содержание в ней углерода.

Растворенные элементы могут перемещаться в твер­дой стали на некоторое расстояние, которое хотя и пред­ставляется ничтожным в наших обычных масштабах, все же весьма велико по сравнению с размерами самих атомов. Такое перемещение (диффузия) атомов уско­ряется с повышением температуры металла. Диффузия и самодиффузия (перемещение атомов самого железа) в стали лежат в основе многих процессов, уменьшающих прочность стальных деталей, которые работают длитель­ное время при высокой температуре.

4. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ

Качественные показатели котельной стали могут ощу­тимо измениться даже при ничтожной, исчисляемой долями процента добавке различных элементов. Это свой­ство добавок нельзя было бы объяснить, если бы добав­ляемые вещества полностью и равномерно растворялись в основном металле. Однако марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие металлы лишь ча­стично переходят в твердый раствор. Значительный про­цент каждого из этих элементов образует химические соединения с углеродом или другими примесями.

Наибольшее значение имеет взаимодействие добав­ляемых металлов с углеродом. Эти химические соедине­ния (карбиды) подобно карбиду самого железа (це­ментиту) увеличивают прочность стали. Отдельные до­бавки улучшают и другие свойства стали: повышают ее жаропрочность (т. е. прочность при высокой тем­пературе), противодействуют коррозии и т. и.

В зависимости от содержания и количества этих до­бавок котельные стали делят на следующие две группы: углеродистые, в которых, кроме углерода, имеется опре­деленное количество марганца и кремния, и легиро­ванные, в которых содержится еще и некоторое коли­чество хрома, молибдена, никеля и других металлов.

Ниже коротко рассмотрено влияние на свойства ста­ли .элементов, являющихся постоянными примесями. Кроме того, сведения о влиянии некоторых элементов приведены в табл. 2.

Влияние углерода. С увеличением содержания в стали углерода возрастает количество перлита (а следователь­но, и цементита). Сталь при этом становится более проч­ной и менее пластичной. Высокая прочность является весьма полезным свойством металла; поэтому примене­ние сортов стали с пониженным содержанием углерода нежелательно. Вместе с тем нежелательно и чрезмерно

Большое содержание углерода в стали, так как слишком твердый и сравнительно мало пластичный металл хуже сопротивляется различным механическим деформациям, возникающим, например, три защемлении экранных труб при растопке котла или неравномерном нагревании ба­рабана в период растопки. Кроме того, высокое содер­жание углерода в стали отрицательно сказывается на прочности сварных соединений.

Для изготовления поверхностей нагрева котла очень широко применяется углеродистая сталь марки 20, в ко­торой содержание углерода допускается не более 0,25%. Несколько большее содержание углерода допускается в стали, из которой изготовляют каркас и обшивку котла, площадки обслуживания и другие конструк­ции, не подверженные нагреванию до высокой темпе­ратуры.

В легированных сталях углерод обычно содержится в еще меньшем количестве, чем в стали марки 20. На­пример, в применяемой для изготовления пароперегрева­телей современных котлов стали марки 12ХМФ содержа­ние углерода не должно превышать 0,15%'.

Влияние марганца. Вопрос о выборе оптимального со­держания марганца в котельных сталях до сих пор окон­чательно не решен. Марганец подобно углероду повы­шает прочность стали и несколько уменьшает ее плас­тичность. Кроме того, при плавке стали в мартеновской печи марганец способствует очистке металла от серы, с которой он образует легко удаляемый шлак. Отрица­тельное действие марганца заключается в уменьшении

2 М. В. Меіікляр. J j

/

Теплопроводности стали, вследствие чего, например, в барабане котла более вероятно возникновение треїлин при местном нагреве или охлаждении какого-либо его участка. В экранах это может повести к увеличению раз­ности температур между частями труб, обращенными е топку и к обмуровке.

На отдельных электростанциях работают шаровые котльи, у которых барабаны изготовлены из стали, содер­жащей более I %' марганца. Все же добавку марганца в сталь обычно ограничивают долями, процента. Приме­няемая для изготовления барабанов сталь марки 22К содержит марганца 0,75—1%. Еще меньше марганца со­держит сталь марки 20. В большинстве легированных сталей также содержится лишь небольшое количество марганца.

Влияние кремния. При плавке в металлургической печи кремний, как и марганец, применяется для раскис­ления: соединяясь с растворенным в стали кислородом, он образует легко удаляемые шлаки, всплывающие на поверхность жидкого металла. Почти во всех котельных сталях содержится небольшое количество кремния, ос­тающегося после раскисления, но иногда содержание его увеличивают для повышения жаростойкости ста - л и, т. е. для повышения максимальной температуры, при которой не приходится опасаться интенсивного образова­ния окалины.

На свойства стали кремний влияет аналогично угле­роду и марганцу: при его добавлении увеличивается прочность и понижается пластичность.

5. АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ

Особые результаты дает добавка в сталь никеля, имеющего такой же тип кристаллической решетки, как и гамма-железо. При высокой температуре, когда у обо­их металлов структура кристаллической решетки одина­кова, никель образует в стали устойчивый твердый ра­створ замещения. При охлаждении никель стремится со­хранить собственное кристаллическое строение"и тор­мозит перестройку гамма-железа в структуру альфа - железа. Если добавить в сталь до 26% никеля, гамма - структура сохраняется при охлаждении стали до ком­натной температуры. 18

Рис. П. Сравнение нагрузки, которая может бы"ь допущена для стержней, изготовленных из разных сортов стали и нагргтых до температуры 500° С [Л. 12;.

Присадка никеля не только не увеличивает прочности стали 'при нагреве до высокой температуры, но даже уменьшает ее по сравнению с углеродистой сталью (рис. 11). Поэтому целесообразно вместе с никелем в сталь вводить хром, при наличии которого уменьшает­ся количество никеля, необходимого для сохранения гамма-структуры стали.

Сталь, сохраняющую гамма-структуру при обычной температуре, называют аустенитной в отли­чие от перлитной стали, у которой при охлаждении происходит описанная выше перестройка кристалличе­ской решетки. В настоящее время аустенитную сталь ши­роко применяют в различных отраслях техники, начи­ная от строительства кислотоупорных сосудов для хи­мической промышленности до художественной отделки зданий (например, на станции «Маяковская» московско­го метро). В энергетике из аустенитной стали делают элементы оборудования, работающие при наиболее вы - 2* 19
сокои температуре, в частности выходную часть паропе­регревателя парового котла.

У большинства котельных аустенитных сталей сум­марное содержание хрома и никеля составляет 30% об­щего веса металла (табл. 3). Таким образом, количество легирующих добавок в аустенитной стали (во много раз больше, чем, например, в перлитной стали марки 12ХМФ, в которой суммарное содержание марганца, хрома, мо­либдена и ванадия не превышает 3%.

Аустенитная сталь стоит в 2—5 раз дороже хромомо- либденовой и в 5—10 раз дороже, чем обычная углеро­дистая сталь. Поэтому расход аустенитной стали стре­мятся по возможности сократить. Однако применение аустенитной стали для труб пароперегревателя позво­ляет повысить температуру перегретого пара, благодаря чему возрастает экономичность электростанций и сни­жается стоимость вырабатываемой на них электроэнер­гии.

В кристаллической решетке гамма-железа атомы «упа­кованы» более плотно, чем в решетке альфа-железа, поэтому при высокой температуре в аустенитной стали в меньшей мере, чем в перлитной, развиваются разуп - рочняющие процессы. К тому же в аустенитной стали почти весь углерод весьма прочно химически соединен с легирующими элементами. Кроме высокой жаропроч­ности (прочности при высокой температуре), аустенит­ная сталь должна иметь и значительную жаростойкость (сопротивление окислению при высокой температуре) аустенитной стали. 20

Начальная стадия процесса окисления заключается в химическом соединении кислорода с поверхностным слоем металла. В дальнейшем на поверхности стали об­разуется пленка окислов и процесс окисления может про­должаться только в случае систематического разруше­ния этой пленки или при прохождении кислорода через нее. Весьма прочную и в то же время непроницаемую для кислорода пленку образуют окислы хрома; поэтому добавка в сталь большого количества хрома не только позволяет увеличить ее прочность при высокой темпера­туре, но и обеспечить высокую жаростойкость.

Кроме никеля и хрома, в аустенитную сталь вводят небольшое количество других легирующих добавок, еще более улучшающих ее характеристики. К таким добав­кам обычно относятся титан, вольфрам и ниобий.

6. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

В настоящее время имеется тенденция дальнейшего повышения температуры перегретого пара на электро­станциях. Необходимое для этого увеличение жаропроч­ности. металла может быть достигнуто различными спо­собами.

Жаропрочность котельной стали можно повысить не­которыми другими способами легирования (например, добавкой бора или редкоземельных элементов).

Дальнейшее значительное повышение жаропрочности элементов котла может быть достигнуто применением для их изготовления различных сплавов, в которые ос­новным металлом является не железо, а кобальт и ни­кель. Еще более высокой жаропрочностью обладают сплавы, в основе которых лежит тугоплавкий молибден. Внедрению этих сплавов в котлостроение препятствует прежде всего их высокая стоимость (кобальт примерно в 10 раз дороже хрома и никеля).

При проектировании современных мощных электро­станций всегда определяют экономическую целесообраз­ность повышения стоимости оборудования за счет при­менения отдельных сортов жаропрочной стали. Это по­вышение стоимости оправдывается тогда, когда оно пе­рекрывается экономией топлива, получаемой благодаря применению высококачественных металлов.