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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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 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.
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 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
منگنز اکسیژن زداست و به عنوان عامل احیا در همه فولادها به کار میرود. منگنز در فریت حل نمیشود و تشکیل کاربید میدهد.
نیکل در فریت حل میشود و کاربید و اکسید تشکیل نمیدهد.
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.
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 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.
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.
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.
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.
استحکام کششی، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت جوشکاری _ فولادهای کربنی C-Mo
استحکام خستگی - خوردگی، استحکام کششی، مقاومت در مقابل خوردگی، قابلیت جوشکاری_ فولاد های کربنی C-Mo و C-Mn
استحکام کششی، قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی _ فولاد کربنی C-Mo و C-Mn وCr-Mo
قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی، مقاومت در مقابل اکسیداسیون، ضریب انبساط حرارتی کم _ فولاد های Cr-Mo و فولاد های رنگ نزن آستنیتی
قابلیت جوشکاری، استحکام خزشی، مقاومت در مقابل اکسیداسیون، ضریب انبساط حرارتی کم _ فولاد های Cr-Mo و فولاد های رنگ نزن آستنیتی
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.
