Автор работы: Пользователь скрыл имя, 22 Апреля 2014 в 14:49, реферат
Цветная металлургия – отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на благородные, тяжелые, легкие и редкие.
К благородным металлам относят металлы с высокой коррозионной стойкостью: золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и осмий. Их используют в виде сплавов в электротехнике, электровакуумной технике, приборостроении, медицине и т.д.
При одном и том же химическом составе у стали, выплавленной в электрических печах, длительная прочность выше, чем в мартеновской. Однако электроплавка дорогой способ. Ее применяют главным образом для выплавки высоколегированных сталей.
Внешний вид деталей котлов и турбин, разрушившихся в результате кратковременного перегрева, сильно отличается от вида деталей, разрушившихся вследствие длительной перегрузки при рабочей температуре или длительного перегрева. Это необходимо иметь в виду при анализе причин аварий.
Если необходима только высокая химическая стойкость, то применяют высоколегированные стали ферритных классов 1X13, Х17Н, Х25Т и т. д. Стали, содержащие более 12% хрома, относятся к нержавеющим.
Для изготовления лопаток паровых турбин, бандажей и бандажной проволоки используют нержавеющие стали 1X13 и 2X13. Термическая обработка этих сталей — закалка с высоким отпуском. Получаемая после этого структура — сорбит.
Стали 1X13 и 2X13 целесообразно применять до 450—500° С. Они хорошо гасят колебания, что особенно необходимо для турбинных лопаток. Стали 1X13 и 2X13 обладают невысокой жаропрочностью, но весьма пластичны. С повышением содержания углерода жаропрочность и технологичность 12%-ных хромистых сталей заметно снижается.
Для изготовления лопаток, роторов, дисков, диафрагм и Других деталей турбин применяют стали 1Х12ВНМФ (ЭИ802) и 15Х12ВМФ (ЭИ952). Максимальная рабочая температура этих деталей 570° С.
Для паропроводов и пароперегревателей сверхкритических параметров нашла применение сталь 1Х11В2МФ (ЭИ756). Эта сталь относится к феррито-мартенситному классу, удовлетворительно сваривается и обладает более высокими жаропрочными свойствами, чем стали перлитного класса.
При более высоких параметрах пара следует применять аустенитные стали. Они немагнитны, обладают низкой теплопроводимостью по сравнению с углеродистыми, имеют большой коэффициент линейного расширения. Это нужно учитывать при сопряжении Деталей из сталей перлитного и аустенитного классов. К аустенитному классу относятся стали Х18Н12Т, 1Х14Н14В2М (ЭИ257).
Аустенитные стали Х18Н12Т и Х14Н14В2М применяют изготовления пароперегревателей и паропроводов. Недостатком сталей аустенитного класса — образование трещин в зоне термического влияния сварных швов паропроводов. Несмотря на что проведены многочисленные исследования по выяснению причин и устранению трещинообразования, в этом деле пока успех достигнуть не удалось. Дальнейшее повышение параметров пара экономичности тепловых электростанций требует применения аустенитных сталей. Поэтому проходят промышленное опробование на паровых котлах сверхвысоких параметров [650° С и 31 Мн/м (315 am)] трубы из аустенитных сталей марокЭП17 (IX16Н14В2БР ЭП184 (1Х16Н16МВ2БР) и ЭИ695Р (Х13Н18В2БР).
Стали аустенитного класса применяют для лопаток, диско и роторов паровых турбин. Из стали Х16Н13М2Б (ЭИ405 и ЭИ680 изготовляют, например, роторы и лопатки паровых турбин, работающие при температуре до 600° С.
Температура направляющих и рабочих лопаток газовых турбин выше, чем паровых турбин, поэтому детали газовых турбин необходимо делать из более жаропрочных сталей. Лопатки газовых турбин и крепежные детали, работающие при 650° С, изготовляют из стали ЭИ612 (Х15Н35ВЗТ). Для деталей, работающих при еще более высоких температурах, применяют сплавы на никелевой основе, называемые нимониками.
Легированные стали требуют более точного соблюдения технологии и режима термической обработки и дороже обычных углеродистых сталей. Чем выше легирована сталь, тем тщательнее нужно выдерживать технологические режимы выплавки, разливки и обработки давлением, а также термической обработки.
Для изготовления литых элементов корпусов турбин и арматуры (вентилей, задвижек, предохранительных клапанов и др.) работающих на паре с температурой выше 450° С, применяют литейные легированные стали. Содержание углерода в литейных перлитных сталях составляет 0,15—0,25%. Это обеспечивает лучшие литейные свойства: повышает жидкотекучесть, уменьшает усадку и т. д. Дальнейшее повышение содержания углерода целесообразное с точки зрения улучшения литейных свойств приводит к резкому ухудшению свариваемости. Так как вся арматура присоединяется сваркой, то содержание углерода боле 0,25% в легированных перлитных литейных сталях недопустимо.
Сталь 20ХМФЛ используют для изготовления корпусов турбин и арматуры, работающих на паре с температурой до 540° С Для отливок с рабочей температурой до 570° С применяют сталь 15Х1М1ФЛ.
Для работы при более высоких температурах или обеспечении высокой коррозионной стойкости применяют литую аустенитную сталь 1Х18Н9ТЛ и ЛАЗ. Отливки из этих сталей удовлетворительно работают при температурах до 600° С, а из сталей ЛА1, ЛА4 и ЛА5 при 650—700° С.
Стали ЛА1, ЛАЗ, ЛА4 и ЛА5 имеют нестандартную маркировку. Буква Л указывает, что данная сталь предназначена для литья; буква А — что она аустенитная; цифра, стоящая после букв, определяет химический состав. Все три стали содержат по 15% хрома и никеля, около 2% молибдена, порядка 3% кобальта, 1% ванадия и менее 1% титана. Стали ЛА5 и ЛАЗ содержат, кроме того, до 1,2 и 0,5% ниобия соответственно. Эти стали обладают большой вязкостью в жидком состоянии и повышенной усадкой. Получение отливок из ЛА1, ЛА4 и ЛА5 представляет определенные трудности. Сварка этих сталей возможна, но они свариваются сложнее, чем стали ЛАЗ и 1Х18Н9ТЛ.
На жаропрочность стали, кроме легирования, могут оказывать значительное влияние различные технологические операции. В частности, пластическая деформация, вызывающая наклеп, может приводить как к повышению жаропрочности, так и к ее снижению.
Влияние его зависит от марки стали, степени наклепа и рабочей температуры.
Необходимо иметь в виду, что между скоростью ползучести и пределом длительной прочности нет однозначной зависимости. Иногда сталь со структурой, обеспечивающей меньшую скорость ползучести, может разрушиться под действием одинаковых напряжений раньше, чем та же сталь со структурой, обусловливающей большую скорость ползучести.
Важную роль играет суммарная деформация до разрушения — ресурс пластичности стали. Желательно иметь ресурс пластичности возможно большим. В этом случае разрушению предшествуют большие остаточные деформации. Уменьшается вероятность внезапного разрушения.
Предел длительной прочности зависит в сильной мере от структуры стали.
Для повышения предела длительной прочности стали стремятся, чтобы твердый раствор содержал достаточное количество элементов, повышающих порог рекристаллизации. В процессе эксплуатации при высоких температурах происходит перемещение этих элементов из твердого раствора в карбиды и интерметаллические соединения. Применяя рациональное легирование и выбирая соответствующие режимы термической обработки, стремятся замедлить обеднение твердого раствора (феррита или аустенита).
Мелкодисперсные карбиды и включения интерметаллических соединений затрудняют процесс ползучести и повышают предел Длительной прочности.
На пределе длительной прочности стали при одном и том же химическом составе сказываются способы производств и раскисления. Сталь, полученная в электропечах, лучше мартеновской.
Усталость металла или сплава — разрушение в результате многократных повторных нагружений.
В процессе многократных повторных нагружений в металл может возникнуть трещина, которая постепенно развивается, по не приведет к хрупкому внезапному разрушению. В ряде случаев усталостное разрушение вызывают напряжения меньше предела текучести и даже меньше предела упругости.
В турбине изменяющиеся во времени нагрузки приложенные к лопаткам, валу, деталям подшипников. Когда лопатка турбины находится перед соплом, струя пара ударяет в нее. Когда же он оказывается в промежутке между соплами, то сила, приложенная к лопатке со стороны пара, ослабевает. На лопатки действует изменяющаяся во времени нагрузка. Необходимо при расчете лопатки выбрать ее размеры таким образом, чтобы возникающие в ней напряжения не привели к разрушению за весь срок службы.
Максимальное напряжение, которое еще не приводит к разрушению за сколь угодно большое количество циклов, называется физическим пределом усталости.
Он существует только у сталей при комнатной температуре. Цветные металлы и сплавы, а также стали при высоких температурах не обладают физическим пределом усталости. Поэтому для них приходится определять условный предел усталости.
Детали, работающие на усталость, стараются выполнять с плавными переходами, чтобы не вызывать заметной концентрации напряжений. Поверхность их шлифуют, а иногда и полируют. Чем чище обработана поверхность, тем выше предел усталости.
При повышении рабочей температуры предел усталости обычно уменьшается.
Рассмотрим подробнее механизм усталостного разрушения. Разрушение от усталости даже у очень пластичных сталей происходит без заметной пластической деформации. На усталостном изломе можно наблюдать две характерные зоны: одна с гладкой фарфоровидной поверхностью, другая с кристаллическим строением. Первая зона — притертая в процессе циклических нагружений поверхность развивавшейся трещины. На ней видны концентрические линии, расходящиеся от места зарождения трещины. Вторая зона — зона мгновенного разрушения. Она напоминает хрупкий излом при статическом нагружений.
Металл состоит из отдельных произвольно ориентированных кристаллов неправильной формы — зерен. Свойства кристалл анизотропны. При переменных нагрузках в отдельных наименее благоприятно ориентированных зернах, расположенных в зоне действия максимальных напряжений, возникают сдвиги. При повторных нагружениях в противоположные стороны в неблагоприятно ориентированных зернах по линиям скольжения постепенно развиваются трещины. Образовавшаяся трещина проходит через все зерно, пересекает границу его и распространяется на соседние зерна. Постепенно трещина растет. Сечение неослабленного металла все уменьшается, и при каком-то очередном нагру-жении металл внезапно разрушается. Происходит разрушение от усталости.
Поломка таких деталей, как ротор турбины или ее лопатки, может привести к тяжелой аварии. Поэтому контролю качества металла роторов и лопаток уделяется большое внимание как в процессе изготовления, так и при эксплуатации.
Тепловая усталость — разрушение металла вследствие повторных нагревов и охлаждений. В некоторых деталях парового котла возникают изменяющиеся во времени тепловые напряжения, которые могут вызвать тепловую усталость.
К образованию тепловых напряжений приводит разность температур в детали. Так, в нагреваемом стержне наружные слои нагреваются сильнее. Если бы они не были связаны с внутренними, то длина их увеличилась бы в соответствии с законом линейного расширения металла, однако внутренние, более холодные, слои препятствуют такому расширению. В результате этого наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние растянутыми. При охлаждении характер напряжений изменяется в обратном порядке.
Чередующиеся нагревы и охлаждения могут происходить при пульсации границы раздела между паром и водой в переходной зоне прямоточного котла, при периодической подаче относительно холодной питательной воды в барабан котла, при движении пароводяной смеси по горизонтальным или слабонаклонным обогреваемым топочными газами трубам.
Трещины, возникающие вследствие тепловой усталости в трубе, Могут быть продольными и кольцевыми.
Углеродистые стали менее стойки против тепловой усталости чем низколегированные стали перлитного класса.
Изменение свойств металла в результате облучения вызывается столкновением нейтронов или осколков атомов с атомами металла, в результате чего образуются вакансии, дислокации смещения. В металле вследствие захвата нейтронов ядрами атомов облучаемого металла и процессе деления атомов появляются новые атомы — примеси. Ввиду этих изменений структуры металла его пластичное и ударная вязкость резко снижаются, а предел текучести и твердость повышаются; модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона остаются практически неизменными.
С повышением температуры изменение механических свойств в результате облучения сказывается в меньшей степени. По-видимому, с повышением температуры увеличивается подвижность дефектов кристаллической решетки, возникающих при облучении.
Облучение всегда вызывает повышение прочности и снижение пластичности, при этом предел текучести растет в ходе облучения интенсивнее предела прочности. С увеличением потока влияние облучения постепенно ослабевает. При величине потока в 1010—1020 нейтронов/см2 достигается относительное насыщение дефектами, и дальнейшее усиление потока на механических свойствах аустенитных сталей практически не сказывается.
Цветные металлы и их сплавы нашли широкое применение в строительстве благодаря своей прочности, легкости, высокой антикоррозийной стойкости. Они подразделяются на легкие (в большинстве своем на основе алюминия) и тяжелые (на основе меди, латуни, олова и т.п.).
Цветная металлургия является одной из наиболее конкурентоспособных отраслей промышленности России, причем российские компании в ряде подотраслей (алюминиевой, никелевой, титановой) входят в группу мировых лидеров. Достижения участников рынка в мировом масштабе стало возможным благодаря активной инвестиционной политике предприятий отрасли. Так, например, объем инвестиций в 2006 году по сравнению с показателями 2000 года увеличился в 2,5 раза, и составляет 80 млрд. руб., а объем иностранных инвестиций вырос почти в 10 раз, достигнув 4,5 млрд. долл. При этом суммарный объем инвестиций в строительство и реконструкцию металлургических мощностей составляет в 2007-2010 гг. более 220 млрд. руб.