Jakou teplotu snese žáruvzdorná ocel?

Rozvoj technologie energetiky a plynových turbín je charakteristický neustálým zvyšováním provozních teplot dílů a výrobků. V energetických a dopravních zařízeních dosahovaly až 1100C a výše. Toto zvýšení provozní teploty bylo možné díky intenzivnímu vývoji nové třídy kovových materiálů – žáruvzdorných a žáruvzdorných ocelí a slitin. Tyto materiály jsou schopny dlouhodobého provozu při vysokých teplotách ve stavu komplexního namáhání při současném vystavení agresivnímu vnějšímu prostředí a zachování svých fyzikálních a mechanických vlastností.

Složitost moderních technologických řešení vyžaduje použití materiálů s vysokými technologickými vlastnostmi.

Například při výrobě lopatek plynových turbín se používají operace jako kování nebo přesné lisování, obrábění tyčí a hotových výrobků, broušení, leštění a přesné lití. Při výrobě spalovacích komor z plechových žáruvzdorných materiálů se široce používá lisování za studena, lisování, ohýbání, bodové svařování a nýtování. Celý tento rozsah technologických vlastností musí být vlastní použitému kovu.

V souladu s klasifikací materiálů podle účelu jsou žáruvzdorné (odolné proti okují) oceli a slitiny, které jsou odolné proti plynové korozi při teplotách nad 550C a pracují v málo zatíženém stavu.

Podívejme se na jednu z nejběžnějších a nejpoužívanějších ocelí – 20H23Н18. Patří mezi žáruvzdorné oceli. Vyrobeno v souladu s GOST 5632-72. Zahraničním analogem je ocel AISI 310S.

Žáruvzdorná ocel 20H23Н18 – speciální ocel této třídy používaná v domácím strojírenství. Základem této oceli, stejně jako všech žáruvzdorných materiálů používaných ve vysokoteplotních instalacích do 1350C, je železo a nikl. Vysoká oxidační odolnost oceli je dána především velkým množstvím chrómu, který je také součástí oceli. Obecně zkoušky žáruvzdorných ocelí ukázaly, že obsah Cr menší než 14 % nemá významný vliv na zvýšení tepelné odolnosti. Kritická spodní hranice je někde kolem 14 %; Kromě toho chrom výrazně zvyšuje tepelnou odolnost. Jeho vliv je zvláště výrazný v rozmezí 15-23%. Není však možné zvýšit teplotní limit provozu slitin niklu a železa dalším zvyšováním obsahu chrómu. Faktem je, že se zvýšením obsahu chrómu nad 30% se teplota tání slitin železa a niklu znatelně snižuje, ale hlavní je, že slitiny se stávají low-tech v metalurgické výrobě. Obecně je celá teorie legování niklových žáruvzdorných ocelí založena na studiu vlivu dalších legujících prvků na Cr-Ni bázi.

Přítomnost uhlíku v oceli 20H23N18 je omezena na 0,2 % (hmotnostních). Zvýšení obsahu uhlíku vede ke snížení tepelné odolnosti slitiny Cr-Ni v důsledku vázání chromu na karbidy a ochuzování pevného roztoku v chromu.

Podívejme se na hlavní provozní a technologické vlastnosti oceli 20H23H18:

1. Ocel se taví v pecích s otevřeným obloukem.
2. Teplota deformace – začátek 1180, konec nad 900C, ochlazení po deformaci na vzduchu.
3. Doporučené režimy tepelné úpravy:
   a) ohřev 1100 – 1150C, chlazení na vzduchu, oleji nebo vodě;
   b) zahřátí na 1160 – 1180C, ochlazení ve vodě, stárnutí při 800C, výdrž 4-5 hodin.
4. Ocel je svařována elektrodami TsT-19.

Vzhledem k tomu, že žáruvzdorné slitiny na bázi železa a niklu neprocházejí fázovými přeměnami, tepelné zpracování pro ně spočívá ve vysokoteplotním ohřevu pro růst zrn určité velikosti nebo pro zmírnění vnitřního pnutí.

Jednou z důležitých otázek při vývoji žáruvzdorných ocelí jsou ekonomické otázky. Rentabilita oceli je určena třemi hlavními ukazateli: hospodárným legováním, vyrobitelností při zpracování kovů a výtěžností vhodných výrobků a úrovní provozních vlastností. Žáruvzdorná ocel 20H23N18 (AISI 310S) je vysoce zpracovatelná, má zvýšenou tepelnou odolnost a tažnost a je svařitelná. Tato ocel ztělesňuje nejoptimálnější poměry legujících prvků.

Vzhledem k vysokým technologickým a ekonomickým ukazatelům této oceli je široce používána v průmyslu, protože může pracovat ve složitých napěťových podmínkách, vyznačujících se neustálou změnou velikosti a znaku zatížení a má vysokou odolnost proti únavě a korozi při vysoké teploty.

Zde je stručný popis aplikace žáruvzdorné oceli 20H23H18 (AISI 310S): pracovní a vodicí lopatky, výkovky a bandáže pracující při teplotách 650-700C, části spalovacích komor a ostatní zařízení pecí pracující při teplotách 1000-1150C atd.

Ploché a dlouhé výrobky z oceli 20H23H18 – hlavní skladová položka společnosti AVERS-Spetsstal – jsou expedovány okamžitě ze skladu v Moskvě nebo s mírným zpožděním způsobeným přepravou zboží z regionálních skladů.

Jsou uvedeny tabulky hodnot maximální provozní teploty oceli (nerezové, žáruvzdorné a žáruvzdorné) běžných jakostí pro různou životnost. Udává se také teplota, při které ocel začíná na vzduchu intenzivně oxidovat.

Tabulky umožňují vybrat požadovaný druh nerezové oceli nebo slitiny železo-nikl pro určité provozní podmínky a danou životnost.

První tabulka ukazuje provozní teplotu (maximální aplikační teplotu) nerezové oceli a slitiny na bázi železo-nikl a nikl, určené pro provoz v oxidačním prostředí od 50 do 100 tisíc hodin.

Podle tabulky je vidět, že při ultradlouhém provozu nepřesahuje maximální provozní teplota uvažovaných jakostí oceli 850°C (nerezová ocel 05HH32Т) a „marže“ k teplotě intenzivního okují se pohybuje od 200 až 500 stupňů.

Teplota použití oceli při ultra dlouhém provozu (až 100 tisíc hodin)

Druhá tabulka uvádí maximální provozní teplotu oceli při dlouhodobém provozu až 10 tisíc hodin. Hodnoty teplot v tabulce ukazují, že při kratším používání oceli je možné zvýšit její provozní teplotu. V tomto případě se „rozpětí“ teploty intenzivního škálování snižuje.

Například maximální provozní teplota nerezové oceli 12H18N9Т při dlouhodobém provozu je o 200 stupňů vyšší než při dlouhodobém provozu. Tuto ocel lze používat při teplotách do 800°C po dobu 10 tisíc hodin.

Maximální provozní teplota jakostí uvedených v tabulce odpovídá oceli 10ХН45У – lze ji použít při 1250. 1300°C.

Teplota použití oceli při dlouhodobém provozu (až 10 tisíc hodin)

Třetí tabulka uvádí maximální provozní teplotu nerezové oceli pro krátkodobé použití (do 1000 hodin). Při takové životnosti mohou mít ocel a žáruvzdorné slitiny provozní teplotu o 50. 100 stupňů vyšší než při dlouhodobém provozu (až 10 tisíc hodin).

Například žáruvzdornou slitinu KhN62MVKYu lze při krátkodobém provozu používat při teplotách do 900°C, při dlouhodobém provozu pouze do 800°C.