- •Тема 1: введение. Изделия котло-реакторостроения, применяемые материалы
- •Общая характеристика курса
- •Изделия котло- реакторостроения, служебное назначение, материалы, применяемые в котло- реакторостроении: чёрные и цветные металлы, их сплавы, неметаллические материалы;
- •Классификация сталей, применяемых в котлостроении
- •Корпусные материалы
- •Классификация способов получения заготовок
ЛЕКЦИЯ № 1 – 2 часа
Тема 1: введение. Изделия котло-реакторостроения, применяемые материалы
План лекции:
общая характеристика курса;
изделия котло- реакторостроения, служебное назначение, материалы, применяемые в котло- реакторостроении: чёрные и цветные металлы, их сплавы, неметаллические материалы;
основные методы получения конструкционных материалов;
классификация способов получения заготовок.
Общая характеристика курса
Программой предусмотрено 34 часа лекций, 17 часов практических занятий, 17 часов лабораторных занятий, а также ИДЗ и экзамен в конце семестра.
Что изучает дисциплина «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»?
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.
Технология – это совокупность операций по изготовлению изделия или детали. Проще можно сказать: из чего, каким инструментом, на каком оборудовании и в какой последовательности изготовить нужное изделие. Сейчас все эти понятия часто обозначают английским выражением “know how” – «знать, как». В технологию входят особенности режима обработки, применение вспомогательных веществ (смазки, охлаждающие среды) и многое другое.
Существует взаимосвязь между двумя составными частями нашего курса: совершенствование технологии позволяет получить качественно новый материал, а новый материал дает новые возможности конструкторам и технологам, и возникает новая технология.
Новая
технология
Технология
Новый
материал
Изделия котло- реакторостроения, служебное назначение, материалы, применяемые в котло- реакторостроении: чёрные и цветные металлы, их сплавы, неметаллические материалы;
Развитие энергетики в стране происходило первоначально по пути создания преимущественно крупных тепловых электростанций с агрегатами большой единичной мощности. Изготавливаются барабанные котлы с естественной циркуляцией с параметрами пара 10Мпа, 510 0С, прямоточные котлы высокого давления и т.д.
На данном этапе развития энергетики получило развитие атомного машиностроения, специализирующегося на выпуске корпусных реакторов и другого оборудования для АЭС (например, трубопроводная арматура атомных и тепловых станций: задвижки запорные, предохранительная арматура атомных и тепловых станций, дроссельно-регулирующая арматура и т.д.).
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:
|
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:
|
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 длительного нагружения;
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 низколегированная сталь;
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 чугун применяют вместо стали или ковкого чугуна для изготовления ответственных деталей.
Легированный чугун применяют 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 алюминием от 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 |
Нержавеющая сталь |
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.