Материаловедение. Металлы, применяемые при изготовлении котельного оборудования.

Конспект урока материаловедение

Группа: оператор котельной

Преподаватель Тарапунов В.В.

Тема № 1. Металлы, применяемые при изготовлении котельного оборудования.

Металлы, применяемые в котельной технике.

Контроль применяемых в процессе эксплуатации, а также при ремонтах труб, арматуры и материалов входит в обязанности инженерно-технических работников котельной. Эксплуатационный персонал не должен применять случайные материалы, свойства или качества которых не известны или не соответствуют требуемым. До начала монтажа трубы и фасонные части, изготовленные из труб, арматура и оборудование должны быть подвергнуты внешнему осмотру. На поверхности металла не должно быть плен, трещин, закатов и глубоких рисок. Фасонные части, детали и оборудование не должны иметь вмятин, забоин, признаков расслоения металла, глубоких раковин.

В котельных нашлось место, как черным, так и цветным металлам. К черным относятся наиболее распространенные сплавы железа и углерода — сталь и чугун. Сталь обладает высокой прочностью и твердостью, сопротивляемостью ударным нагрузкам. Вместе с тем сталь поддается ковке, обработке на металлорежущих станках, изделия из стали хорошо свариваются. Физико-механические свойства стали и чугуна значительно улучшаются при введении в их состав легирующих химических элементов, к которым относятся хром, никель, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден, алюминий, медь. Так, например, хром увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость стали. При большом содержании хрома сталь становится нержавеющей. Медь увеличивает коррозионную стойкость. Таким образом, в зависимости от производимого изменения улучшается то или иное свойство металла, используемого в котельной.

Из цветных металлов в котельно-отопительной технике наиболее широко применяются медь, алюминий и их сплавы с другими металлами. Медь отличается высокой электро- и теплопроводностью, а также стойкостью к атмосферной коррозии, устойчивостью по отношению к воде, разбавленным кислотам и другим средам. Алюминий обладает малой плотностью и достаточной прочностью, высокой электро- и теплопроводностью, устойчивостью к атмосферной коррозии.

Основные физические свойства металлов.

Коррозия металлов, ее причины и методы борьбы с ней.

Металлами называются химические элементы, определяющими признаками которых являются: свойство коваться, вытягиваться в нить и провод, свариваться, проводить тепло и электрический ток.

Неметаллы — химические элементы, которые не имеют таких свойств.

Чистые металлы в технике почти не используются. Большая часть металлов используется в виде сплавов.

Сплавом называется состав любого химического элемента с другими химическими элементами. В состав сплавов входят металлы и неметаллы.

Сплавы железа с углеродом и другими элементами образовывают группу черных металлов. К черным металлам относятся сталь и чугун, которые используются для изготовления элементов паровых и водонагревательных котлов, а также трубопроводов, арматуры и гарнитуры котельных.

Сталью называется сплав железа с углеродом при количестве углерода в сплаве меньше 2%.

В машиностроении используются углеродные и легированные стали, то есть такие, в которых для улучшения механических и физико- химических свойств прибавляются другие металлы.

Углеродистые стали более дешевые, чем легированные и поэтому широко используются. Они в зависимости от содержимого вредных примесей, способа выплавки и степени однородности свойств разделяются на стали обычного качества и качественные стали.

Легированные стали разделяются на:

- низколегированные (до 3,5 - 4% легирующих элементов);

- среднелегированные (4 - 10% легирующих элементов);

- высоколегированные (более 10% легирующих элементов). В роли легирующих элементов используют: молибден (М), никель (Н), ванадий (Ф), вольфрам (В), алюминий (Ю), марганец (Г), кремний (С), ниобий (Б), бор (Р), хром (Х), титан (Т).

30ХМ — низколегированная хромомолибденовая сталь со средним содержанием углерода 0,30%, хрома до 1% и молибдена до 1%.

12Х2МВ — низколегированная сталь со средним содержимым углерода 0,12%, хрома 2%, молибдена до 1% и вольфрама до 1%.

По способу получению стали подразделяются на: конверторные, мартеновские и электростали.

Чугуном называется сплав железа с углеродом при количестве углерода в сплаве более 2% (до б). Кроме углерода в чугуне есть примеси марганца, серы и фосфора.

Основным материалом для получения чугуна является железная руда. Чугун выплавляется в доменных печах.

Чугун в зависимости от физико-химических и специальных свойств разделяется на серый, ковкий, жароустойчивый и высокопрочный.

СЧ-12-28 — серый чугун, который имеет границу прочности при растягивании.

СЧ-18-36 12(18) кгс/мм² и гнутье 28(36) кгс/мм²

КЧ-30-6 — ковкий чугун, который имеет границу прочности при сгибании 30 кгс/мм² и относительное удлинение при растягивании 6%.

ВЧ-45-10 — высокопрочный чугун, который имеет границу прочности при сгибании 45 кгс/мм² и относительное удлинение при растягивании 10%.

Цветные металлы на котельных используются для изготовления деталей арматуры и автоматики.

Наибольшее распространение имеют:

алюминий — провода, детали автоматики;

медь — провода, импульсные линии датчиков автоматики;

бронза — детали арматуры;

латунь — трубки водоподогревателей, детали автоматики.

Латунью называется сплав меди с цинком (до 45%), а также иногда с легирующими добавками А1, Мn, Sn, Рb и других элементов, повышающих прочность, антикоррозийность и плавкие свойства.

Бронзой называется сплав на основе меди с добавлением олова, алюминия, свинца, кремния, берилия.

Коррозия металлов. Коррозией называется разрушение металлов, вызываемое химическим или электрохимическим воздействием на них внешней среды (кислорода, диоксида углерода, грунта, влаги) или блуждающих в земле электрических токов. При химической коррозии металл вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе (внешняя коррозия), или с кислородом, содержащимся в воде. Последнее часто встречается в системах теплоснабжения. При этом происходит разрушение металла, а образующиеся оксиды железа заполняют внутреннее пространство труб.

В котлах в основном происходит электрическая коррозия, обусловленная наличием мельчайших гальванических пар из-за неоднородности металла и наличия в котловой воде солей. При движении электрического тока происходит перенос металла с анодных участков в воду. Коррозия внутренних поверхностей котлов может быть вызвана также воздействием кислорода воздуха, попадающего в котел в периоды его остановки. Эту коррозию называют стояночной. Подземные трубопроводы подвергаются разрушению от почвенной коррозии, зависящей от наличия в грунте растворов солей, кислот, щелочей, вызывающих электрохимические процессы между металлом и этими соединениями.

Процессы электрохимической коррозии аналогичны процессам, происходящим в гальваническом элементе. Процесс коррозии трубопроводов от блуждающих токов заключается в следующем. Электрический ток трамваев, метрополитена, электропоездов стекает с рельс в окружающий грунт и попадает на подземный трубопровод. Затем вблизи тяговых подстанций ток стекает с трубопровода к отрицательной шине подстанции. В местах стекания тока (анодные зоны) происходит разрушение металла и образование в нем язвин. От почвенной коррозии трубопроводы защищают противокоррозионной изоляцией, а для борьбы с блуждающими токами применяют специальные установки электрохимической защиты. В необходимых случаях применяют и другие методы защиты изделий: металлические, лакокрасочные и полимерные покрытия, эмали, защитные пленки, смазки (для защиты при хранении).

Коррозия — разрушение металла труб, стенок газоходов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды, наносит большой вред работе котла. Коррозия протекает как со стороны рабочего тела, так и со стороны дымовых газов. В воде, паре могут находиться агрессивные газы — кислород и СО₂, а в продуктах сгорания сернистый или серный ангидрид, соединения ванадия, сероводород и т.д.

Наиболее интенсивно коррозионные процессы протекают в котлах, работающих на сернистых мазутах, подмосковном угле и других серосодержащих топливах. Различают высокотемпературную и низкотемпературную коррозию. Высокотемпературная коррозия наблюдается в топках и пароперегревателях, она вызывается сульфидами, сероводородом (Н₂S), сложными сульфатами щелочных металлов типа K₃Fe(SO₄)₂ или Na₃Fe(SO₄)₂, соединениями ванадия, характеризующимися низкими температурами плавления и высокой коррозионной активностью. Ванадиевая, сульфатная коррозия может быть уменьшена при отсутствии избыточного кислорода, что достигается, например, сжиганием мазута с малыми избытками воздуха. С другой стороны, уменьшение избытков воздуха может активизировать сульфидную или сероводородную коррозию, отмечавшуюся, например, при сжигании некоторых видов топлива (АШ, подмосковный уголь) в зоне соударения горящего факела с топочными экранами. Организация безударного (в экраны) горения, изменение распределения воздуха и топлива по горелкам позволяют машинисту уменьшить этот вид коррозии.

Низкотемпературная коррозия наблюдается преимущественно в воздухоподогревателях и вызвана конденсацией влаги на стенках труб. Наиболее интенсивно коррозия протекает при появлении конденсата серной кислоты (сернокислотная коррозия). Например, иногда при сжигании высокосернистых мазутов ресурс работы воздухоподогревателей (ВП) сокращается до 0,5—1 года. Появление неплотностей в трубах ВП увеличивает перетечку воздуха в уходящие газы, сокращает количество воздуха на горение и ведет к росту затрат на тягу и дутье; в ряде случаев из-за нехватки тяги или воздуха снижают нагрузку котла.

Температура, при которой на трубах наблюдается появление конденсированной жидкой пленки, называется температурой точки росы дымовых газов. В зависимости от содержания SO₃(SO₂) и водяных паров в дымовых газах температура точки росы может доходить до 160 - 170^о С, а низкотемпературная коррозия может наблюдаться при температурах газа 180—190° С. Наибольшая интенсивность низкотемпературной сернистой коррозии отмечается в диапазоне температур стенки труб 100—120° С .

Образование серного ангидрида SO₃ происходит в результате доокисления сернистого ангидрида SO₂:

2SO₂ + O₂2SO₃

В протекании этой реакции значительную роль играют катализаторы, в качестве которых могут быть оксиды ванадия, железа, которые в значительных количествах присутствуют в золе, в отложениях и в поверхностной пленке труб. Образование SO₃ уменьшается при работе котла с малыми избытками воздуха, что используется в качестве метода борьбы с низкотемпературной коррозией.

Низкотемпературная коррозия и ее последствия могут быть также ослаблены в случае применения рециркуляции воздуха, коррозионно-стойких материалов (стекло, керамика, эмалированные покрытия и др.), различных присадок, увеличения температуры стенок. Для снижения затрат на ремонт воздухоподогревателей первые (по воздуху) наиболее холодные и корродируемые секции выполняют в виде отдельной легкозаменяемой поверхности.

Наиболее доступным для машинистов средством снижения коррозии воздухоподогревателей является подогрев воздуха (до 60—100° С) на входе путем рециркуляции части горячего воздуха. При этом повышается температура стенки труб. На высокосернистых топливах предварительный подогрев производят иногда до 90—110° С, а при сжигании природного газа подогрев можно не производить