فولاد آلیاژی مورد استفاده در بویلر

با توجه به دما و فشار بالا بهره برداری در بویلر ها، تقریبا تمامی تجهیزات اصلی بویلر از فولاد آلیاژی ساخته میشود. افزودن عناصر گوناگون به فولادهای کربنی ساده، باعث افزایش مقاومت فولادها در مقابل مکانیسم های خرابی گوناگون  فعال در دماهای بالا میشود.

از این رو در این مقاله ابتدا انواع فولاد آلیاژی و تاثیر عناصر گوناگون بر خواص آن ها بررسی میشود. از آنجا که انتخاب مواد مناسب برای تجهیزات گوناگون بویلر، با دانستن عوامل موثر بر استحکام آنها در شرایط گوناگون بهره برداری امکان پذیر است، در ادامه این عوامل بررسی و سپس جنس تجهیزات اصلی بویلر بخار به تفکیک بررسی میشود.

 

انواع فولاد

فولادها الیاژهای پایه آهنی دارای کربن (به طور کلی کمتر از 2%) و برخی عناصر دیگرند که بر اساس ترکیب شیمیایی، روش تولید و موارد کاربرد طبقه بندی میشوند. در این قسمت نحوه طبقه بندی فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی بررسی میشوند.

در این نوع طبقه بندی فولادها را به دو دسته تقسیم کرده است:

1. فولاد آلیاژی (کربنی)
2. فولاد غیر آلیاژی (کربنی)

اصطلاح فولاد کربنی به این معنی نیست که دیگر عناصر الیاژِ در این نوع فولاد وجود ندارد، بلکه مقدار عناصر آلیاژی در فولادهای کربنی، از مقدار مشخصی فراتر نمی رود.

عناصر زیر مشخص کننده مرز فولاد آلیاژی و غیر آلیاژی

• آلومینیوم 0.10 %
• بیسموت 0.10 %
• برن 0.0008 %
• کروم 0.30 %
• کبالت 0.10 %
• مس 0.40 %
• لانتانیدها 0.05 %
• سرب 0.40 %
• منگنز 1.65 %
• مولیبدن 0.08 %
• نیکل 0.30 %
• نیوبیم 0.06 %
• سلنیم 0.10 %
• سیلیکون 0.50 %
• تلوریم 0.10 %
• تیتانیم 0.05 %
• تنگستن 0.10 %
• وانادیم 0.10 %
• زیرکونیوم 0.05 %

بقیه عناصر تعیین شده به جز کربن- نیتروژن فسفر و گوگرد هرکدام 0.05 %

وقتی مقدار مشخص شده فقط برای منگنز در نظر گرفته شود، این مقدار برابر 1/8 % خواهد بود.

تذکر مقادیر مشخص شده برای هر عنصر با همان دقتی که محاسبه شده اند، در جدول گزارش شده اند.

بسته به مقدار کربن موجود در فولاد، فولادهای غیر آلیاژی به سه دسته تقسیم میشوند:

• کم کربن: با کمتر از 0.30 % کربن
• با کربن متوسط: بین 0.30% تا 0.60 % کربن
• پر کربن: با بیش از 0.60% کربن

بر حسب وجود دیگر عناصر، فولاد های غیر الیاژی به سه دسته تقسیم شده اند:

• فولاد های کربنی ساده که مقدار منگنز آنها کمتر از 1% است
• فولاد های کربنی با منگنز بالا که مقدار منگنز آنها بیش از مساوی با 1% است
• فولادهای خوش تراش که دارای دست کم 0.070% گوگرد و یا بیسموت، سرب، فسفر ،سلنیم، تلوریم هستند.

فولاد آلیاژی

فولاد های آلیاژی فولادهایی اند که درصد هر یک از عناصر انها، بیشتر از مساوی با مقادیر مشخص شده باشد. فولاد آلیاژی بسته به مقدار  عناصر الیاژی موجود در آنها (به جز کربن، نیتروژن، فسفر و گوگرد) به دو دسته تقسیم میشوند:

• فولاد آلیاژی کم آلیاژ که مجموع عناصر آلیاژی آنها کمتر از 5 % است
• فولاد آلیاژی پر آلیاژ که مجموع عناصر آلیاژی آنها بیشتر یا مساوی با 5 % است.

تذکر: از دیرباز روش های گوناگونی برای حفاظت محصولات اهنی و فولادی در برابر خوردگی وجود داشته است. درحال حاضر نیز این کار به طور جدی و گسترده دنبال میشود. این روش ها شامل رنگ زدن و پوشش دادن قطعه با مواد فلزی و غیر فلزی میشود.

آلیاژ سازی

این پوشش از زنگ زدن فولاد در محیط های کاری جلوگیری میکند. باید توجه داشت که این پوشش ها عمر محدودی دارند. بنابراین برای سالم ماندن قطعه اصلی پس از مدت زمان معینی پوشش را تعویض میکنند معمولا آلیاژ سازی بهترین روش برای کاهش میزان خوردگی یا حذف آن است. استفاده از این روش باعث میشود که علاوه بر سطح فلز تمامی قسمت های داخلی فلز هم در مقابل خوردگی مقاوم شوند.

نوع دیگری از فولاد آلیاژی

خانواده بزرگی از فولاد آلیاژی، در برابر خوردگی حرارت یا هر دوی انها مقاومت خوبی نشان میدهد این نوع فولاد را زنگ نزن میگویند با توجه به وجود شرایط خورنده در محیط بویلر استفاده از فولادهای زنگ نزن اهمیت خاصی پیدا میکند. در ادامه، فولاد های زنگ نزن بررسی میشوند.

فولاد های زنگ نزن

فولاد های زنگ نزن فولادهای پر آلیاژی اند که دست کم 11/5% کروم دارند. ممکن است برای افزایش مقاومت به خوردگی و ایجاد دیگر خواص مفید، عناصر آلیاژی دیگری نیز به انها افزوده شود. فولادهای زنگ نزن، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون، خواص شکل دهی خوب، ظاهری جالب و گستره استحکام وسیعی دارند. آنها معمولا به پنج دسته تقسیم میشوند.

فولاد های زنگ نزن آستنیتی

این فولادها برای ایجاد ساختار آستنیتی در دمای محیط، دارای مقادیر کافی نیکل یا ترکیبی از نیکل ،منگنز و نیتروژن اند. انها با عملیات حرارتی سخت نمیشوند. اما با عملیات سرد کاری میتوانند سختی لازم را بدست آورند. این فولادها نرمی و چقرمگی خوب ،شکل پذیری خوب و مقاومت عالی در برابر خوردگی دارند. فولادها زنگ نزن آستنیتی علاوه بر مقاومت به اکسیداسیون و استحکام زیاد در دماهای بالا، معمولا دارای خواص برودتی عالی نیز هستند.

فولاد های زنگ نزن آستنیتی در محیط کلریدی دچار خوردگی تحت تنش میشوند و همچنین مستعد خوردگی حفره ای، شیاری و پوسیدگی جوش هستند. به جز در حالتی که ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی و شرایط بهره برداری آنها به دقت کنترل شود.

اگر عملیات حرارتی آنیل روی این فولادها انجام شده باشد، غیر مغناطیسی میشوند. هرچند ممکن است بعضی از انها با عملیات سرد کاری کمی خاصیت مغناطیسی پیدا کنند.

فولاد های زنگ نزن فریتی

فولاد های زنگ نزن فریتی فولاد های کم کربنی اند که کروم اصلی ترین عنصر آلیاژی شان است و ریز ساختار آنها ترکیبی از فریت و کاربیدهاست. این نوع فولاد، با عملیات حرارتی سخت نمیشود، اما میتوان آنهارا با عملیات سردکاری نسبتاً سخت کرد. همچنین نرمی و شکل پذیری خوبی دارد، اما در مقایسه با فولادهای زنگ نزن استنیتی در دماهای بالا استحکام کمتری دارد.

فولادهای زنگ نزن فریتی مقاومت خوبی در مقابل خوردگی و اکسیداسیون دارند، به طوری که استفاده از آنها در محیط های کلریدی، به دلیل مقاومت عالی در مقابل خوردگی تحت تنش و همچنین مقاومت خوب در مقابل خوردگی حفره ای و شیاری، بسیار مرسوم است. این خاصیت فولاد های فریتی باعث میشود تا برای فولاد های زنگ نزن آستنیتی که معمولا در اثر خوردگی تحت تنش در محیط های کلریدی دچار خرابی میشوند جایگزین مناسبی باشند. آنها خاصیت مغناطیسی نیز دارند.

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی که کروم عنصر آلیاژی اصلی آنهاست، 0.08 % تا 1% کربن دارند. آنها از قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی برخوردارند و چنانچه آبدهی و بازبخت شده باشند، استحکام و سختی بالا و نرمی و چقرمگی نسبتا خوبی دارند. با افزایش استحکام این خواص کاهش میابد. فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی، در محیط های معتدل، در مقابل خوردگی مقاومت میکنند و خاصیت مغناطیسی نیز دارند.

فولادهای  زنگ نزن با قابلیت رسوب سختی

عناصر الیاژی اصلی فولادهای زنگ نزن با قابلیت رسوب سختی کروم و نیکل هستند. این فولادها میتوانند با عملیات حرارتی رسوب سختی تا مقادیر بالایی مستحکم شوند. آنها نرمی و چقرمگی خوب و مقاومت متوسط تا خوب در مقابل خوردگی دارند که بهتر از خواص مشابه در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی است. این فولادها پس از خروج از حالت محلول جامد بر اساس ریز ساختارشان به فولادهای زنگ نزن با قابلیت رسوب سختی آستنیتی ،نیمه استنیتی و مارتنزیتی تقسیم میشوند.

فولاد های زنگ نزن آستنیتی-فریتی

کروم، نیکل و مولیبدن عناصر آلیاژی اصلی فولادهای زنگ نزن آستنیتی- فریتی هستند و ریز ساختار این فولادها در دمای اتاق، ترکیبی از فریت و آستنیت است (در حدود 40% تا 60%). در مقایسه با فولاد های زنگ نزن آستنیتی، این فولادها استحکام کششی و تنش جاری شدن بالاتر و در مقابل خوردگی های کلریدی تحت تنش، خوردگی حفره ای و خوردگی شیاری، مقاومت بیشتری دارند.

نرمی و چقرمگی این فولادها بین فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی است. آنها دارای خواص مغناطیسی اند.

تاثیر عناصر گوناگون بر خواص فولاد

تاثیر کربن روی فولاد

مهم ترین عنصر آلیاژی فولاد است و بیشترین اثر را روی آن دارد. نقطه ذوب کربن 3450 درجه سانتی گراد است. مقدار کربن اساسا هیچ تاثیری روی مقاومت به خوردگی فولاد در آب و اسید و گاز های داغ ندارد.

به طور کلی کربن سه نوع اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش استحکام و سختی و در مقابل کاهش نرمی آلیاژ
2. افزایش شدید سختی پذیری
3. کاهش خواص انعطاف پذیری و چکش خواری و کاهش قابلیت جوشکاری و ماشین کاری

تاثیر کروم روی فولاد

کروم یک عنصر کاربیدزا است که استحکام کششی فولاد را افزایش میدهد. کاربیدهای کروم باعث افزایش مقاومت سایشی فولاد میشوند. کروم ساختمان بلوری جسم را تصفیه و مرتب میکند و مجموع این دو اثر چقرمگی و سختی جسم را افزایش میدهد.

به طور کلی کروم پنج اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش محدود سختی پذیری
2. کند شدن نرخ نرم شدن در عملیات بازپخت و تولید سختی ثانویه
3. افزایش مقاومت سایشی در فولادهای پر کربن
4. افزایش استحکام در درماهای بالا
5. افزایش مقاومت در مقابل خوردگی و اکسیداسیون

تاثیر مولیبدن روی فولاد

مولیبدن کاربیدزاست و معمولا با عناصر الیاژی دیگری به کار میرود و با کاهش سرعت سرد کردن بحرانی، سختی پذیری را بهبود میبخشد. مولیبدن باعث افزایش نقطه تسلیم میشود. استحکام نهایی را افزایش میدهد.

به طور کلی مولیبدن پنج اثر بر خواص فولادها دارد:

1. کاهش شدید سختی پذیری
2. کند کردن نرخ نرم شدن در فرایند بازپخت و تولید سختی ثانویه
3. افزایش استحکام کششی و استحکام خزشی در درمای بالا
4. افزایش قابلیت جوشکاری و کاهش قابلیت فورجینگ (آهنگری)
5. افزایش مقاومت در مقابل خوردگی به ویژه در محلول های کلریدی برای فولاد های زنگ نزن

تاثیر منگنز روی فولاد

منگنز اکسیژن زداست و به عنوان عامل احیا در همه فولادها به کار میرود. منگنز در فریت حل نمیشود و تشکیل کاربید میدهد.

به طور کلی منگنز چهار اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش استحکام و سختی (تاثیری کمی نسبت به کربن دارد)
2. افزایش محدود سختی پذیری
3. کاهش قابلیت جوشکاری
4. افزایش ضریب انبساط حرارتی و کاهش ضریب هدایت حرارتی و الکتریکی

تاثیر نیکل روی فولاد

نیکل در فریت حل میشود و کاربید و اکسید تشکیل نمیدهد.

به طور کلی نیکل سه اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش نسبی سختی پذیری
2. افزایش چقرمگی آلیاژ حتی در دماهای پایین
3. کمک به سخت کردن محلول جامد

تاثیر فسفر روی فولاد

فسفر معمولا یک عنصر آلیاژی نامطلوب در فولادها تلقی میشود، زیرا هنگام انجماد، جدایش و تجمع اولیه شدیدی دارد و با محدود کردن چشمگیر محدوده فاز گاما، باعث تجمع ثانویه زیاد در حالت جامد میشود.

به طور کلی فسفر سه اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش استحکام و سختی و کاهش شدید نرمی و چقرمگی
2. افزایش تردی آلیاژ در دماهای بالا
3. بهبود مقاومت در برابر خوردگی در فشار های پایین فشار محیط

تاثیر گوگرد روی فولاد

گوگرد بیشترین تجمع و جدایش را بین عناصر موجود در فولاد دارد و از آنجا که میل چشمگیری به ترکیب با منگنز دارد با تشکیل سولفید منگنز اثرات مضر آن از بین میرود.

به طور کلی گوگرد دو اثر بر خواص فولادها دارد:

1. کاهش نرمی و چقرمگی
2. افزایش قابلیت ماشینکاری و کاهش قابلیت جوشکاری

تاثیر سیلسیم روی فولاد

به فولادی که بیش از 0.4 % سیلسیم داشته باشد فولاد سیلسیم دار میگویند. سیلسیم اکسیزن زداست و منطقه پایداری فاز گاما را به شدت کاهش میدهد و در برخی مواقع به عنوان احیا کننده به کار میرود.

به طور کلی چهار اثر بر خواص فولادها دارد:

1. افزایش محدود سختی پذیری
2. افزایش نرخ نرم شدن در فرایند بازپخت آلیاژ
3. افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا
4. افزایش حساسیت به دی کربوره و گرافیته شدن

تاثیر وانادیم روی فولاد

وانادیم میل بسیار شدیدی به تشکیل کاربید دارد و به همین دلیل به مقدار بسیار کم به کار میرود. همچنین احیا کننده ای بسیار قوی است. از آنجا که وانادیم تا اندازه ای نامحلول در فریت است در چقرمگی فولاد بسیار موثر است. نرم کردن فولاد وانادیم دار با روش پخت بسیار دشوار است و بنابراین بیشتر در فولادهای ابزار سازی به کار میرود.

تاثیر تنگستن روی فولاد

تنگستن به مقدار بسیار زیاد در فولادهای ابزار سازی استفاده میشود زیرا سختی فولاد را حتی تا دمای سرخ شدن حفظ میکند. وجود آن در فولاد باعث ایجاد ساختار دانه ریز و متراکم و در نتیجه افزایش سختی و چقرمگی میشود. اثر تنگستن مانند مولیبدن است با این تفاوت که مقادیر بیشتری از آن را باید به فولاد اضافه کرد.

فاکتور های انتخاب مواد

موادی که برای قسمت های گوناگون بویلر انتخاب میشوند باید خواص لازم را برای مقاومت در شرایط کاری آن داشته باشند. یکی از این خواص مهم و موثر، قابلیت تحمل آلیاژ در دمای بهره برداری از ان آلیاژ است.

خواص لازم فولاد آلیاژی برای اجزای اصلی بویلر

لوله های دیواره ابی

استحکام کششی، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت جوشکاری _ فولادهای کربنی C-Mo

درام

استحکام خستگی - خوردگی، استحکام کششی، مقاومت در مقابل خوردگی، قابلیت جوشکاری_ فولاد های کربنی C-Mo و C-Mn

هدرها

استحکام کششی، قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی _ فولاد کربنی C-Mo و C-Mn وCr-Mo

سوپرهیترها و ریهیترها

قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی، مقاومت در مقابل اکسیداسیون، ضریب انبساط حرارتی کم _ فولاد های Cr-Mo و فولاد های رنگ نزن آستنیتی

لوله های بخار

قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی، مقاومت در مقابل اکسیداسیون، ضریب انبساط حرارتی کم _ فولاد های Cr-Mo و فولاد های رنگ نزن آستنیتی

کلام آخر

در انتخاب فولاد آلیاژی مورد استفاده در بویلر به طور کلی باید دقت زیادی کرد، منبع اصلی این مواد نیز سازمان ملی استاندارد ایران و استاندارد های تعیین کننده هستند که باید از آنها پیروی کرد تا بویلر ها مورد تایید این سازمان بوده و دارای پروانه ملی باشند و تست های مورد نظر این سازمان را از سر بگذرانند.