Właściwości i zastosowanie stali kotłowych

Stal jest materiałem, który zmienia swoje właściwości w wysokich temperaturach, stając się bardziej podatnym na odkształcenia i uszkodzenia. W zastosowaniach, które wymagają pracy przy dużych obciążeniach termicznych, muszą więc być wykorzystywane gatunki, które będą w stanie utrzymać swoje parametry mimo tak niesprzyjających warunków. Do stali tego rodzaju zaliczane są przede wszystkim różne stale kotłowe.

Gatunki stali a ich przeznaczenie i odporność na czynniki zewnętrzne

Stal jest materiałem, który występuje w wielu różnych odmianach, co pozwała na łatwe dopasowanie właściwości konkretnego stopu do potrzeb wynikających z przeznaczenia lub warunków, w jakich będzie eksploatowany dany element. Różne proporcje węgla i żelaza, a także obecność dodatków stopowych sprawiają, że znacznym zmianom ulegają zarówno parametry związane z wytrzymałością mechaniczną, termiczną i chemiczną. Stal może być przystosowana do dużych obciążeń statycznych lub dynamicznych – dużego ciśnienia, rozciągania, skręcania, zginania, ściskania, a ponadto do użytku w podwyższonych lub obniżonych temperaturach albo obecności chemikaliów wpływających na jej podatność na korozję. Skład stopu wpływa także na możliwości obróbki stali – spawalność określającą podatność na łączenie elementów tą metodą, skrawalność i plastyczność pokazującą łatwość uzyskiwania określonych kształtów czy hartowność łączącą się z obróbką termiczną. Równie ważna może okazać się możliwość ulepszania cieplno-chemicznego np. azotowania bądź nawęglania – zauważa przedstawiciel firmy Steel Trans, zajmującej się hurtową sprzedażą stali.

Dużą grupą urządzeń, w przypadku których stal musi spełniać szczególne wymagania, są wszelkie instalacje, które pracują pod wysokim ciśnieniem, w podwyższonych temperaturach, a przy tym są narażone na działanie chemikaliów. W takiej sytuacji konieczne jest stosowanie dodatków stopowych, które mogą wpłynąć na poprawę wszystkich parametrów stali. Stale przeznaczone do wykorzystania w takich warunkach są najczęściej wzbogacane chromem, molibdenem, a często również niklem. Chrom to metal, który wyróżnia się wysoką temperaturą topnienia, wynoszącą ponad 1800°C. Ma również działanie przeciwkorozyjne. Nikiel jest metalem, który poprawia odporność stopu na działanie chemikaliów, w tym kwasów, poprawiając właściwości antykorozyjne. Za sprawą odporności na niskie temperatury ma wpływ na zwiększenie zakresu wytrzymałości stali na jej zmiany. Dodatek niklu poprawia też spawalność. Kolejnym metalem, który sprawdza się w tego rodzaju zastosowaniach, jest molibden. Jego obecność skutkuje znaczną poprawą odporności temperaturowej stopu, a jednocześnie uodparnia na korozję, podnosi spawalność oraz hartowność stali. Wprowadzenie do stopu molibdenu daje także ograniczenie kruchości.

Rodzajami stali, które zawierają tego rodzaju dodatki, są tzw. stale kotłowe. Ich najważniejszą cechą jest dobre znoszenie naprężeń powstających przy znacznych obciążeniach termicznych, zwłaszcza w stosunkowo wysokich temperaturach. Stale kotłowe są przeznaczone do wytwarzania elementów kotłów parowych, wymienników ciepła, komór spalania, rur i kolektorów pary, a także podzespołów turbin parowych i wodnych. Powstają z nich zbiorniki ciśnieniowe oraz ich armatura. Ze stali kotłowej są robione także elementy kotłów grzewczych różnych typów, piece przemysłowe, zawory i układy odprowadzania spalin od tradycyjnych wydechów w pojazdach oraz kominów aż po systemy przemysłowe. Może ona być użyta również do produkcji aparatury chemicznej czy palników, a ponadto do wytwarzania rur dla rurociągów przemysłowych.

Wybrane gatunki stali kotłowych

Stal kotłowa to wiele gatunków stali o różnym składzie chemicznym, parametrach wytrzymałościowych oraz przeznaczeniu. Wśród nich można znaleźć m.in. stal 13CrMo4-5 (15HM/1.7335), charakteryzującą się znakomitą wytrzymałością na podwyższoną temperaturę sięgającą 550°C, dobrą spawalnością oraz zadowalającą skrawalnością. Jej wytrzymałość na rozciąganie wynosi powyżej 800 MPa, granica plastyczności jest ≥ 255 MPa, a wysłużenie osiąga A5 (%) ≥ 19, natomiast udarność to ≥ 27 J. Do stali kotłowych mogą być zaliczane także stale żarowytrzymałe, jak choćby wysokostopowa stal X22CrMoV12-1 (23H12MnF/ 1.4923), mogąca pracować w temperaturze do 600°C. Osiąga ona granicę plastyczności przy Re≥ 600 MPa, jej wytrzymałość na rozciąganie to Rm ≥ 800 MPa, wydłużenie wynosi A5 (%) ≥ 11, a udarność to KV≥20 J.

Stalami kotłowymi są także stale niskostopowe, w których podstawowy składnik stopu to pierwiastek występujący w ilości poniżej 2%, a łączna zawartość dodatków stopowych nie przekracza 3,5%. Stalą kotłową będzie również stal niskostopowa P250GH (ST44K/C22.8/1.0460), przeznaczona do użytku w temperaturach do 450°C, odznaczająca się granicą plastyczności na poziomie ≥ 230 MPa, wytrzymałością na rozciąganie ≥ 410 MPa oraz wydłużeniem A5 (%) ≥ 25. Udarność stali P250GH to ≥ 47 J. Kotłową stalą niskostopową będzie również gatunek 16Mo3 (16M/ 1.5415), znoszący obciążenie termiczne rzędu 600°C przy dobrej odporności na korozję i działanie rozgrzanych gazów i dobrej wytrzymałości zmęczeniowej oraz niskiej podatności na odkształcenia za sprawą wysokiej udarności KV ≥ 40 J. Wytrzymałość na rozciąganie to w tym przypadku ≥ 440 MPa, a granica plastyczności wynosi ≥ 275 MPa, zaś wydłużenie A5 (%) ≥ 24.

Do stali kotłowych zalicza się także stale węglowe. Dobrym przykładem może być drobnoziarnista stal niestopowa S355NL (1.0546) o Re ≥ 275 MPa, Rm ≥ 450 MPa oraz KV A5 (%) ≥ 21. Stal S355NL wykazuje się dobrą spawalnością. Stalą niestopową drobnoziarnistą zaliczaną do kategorii stali kotłowych jest także stal P355NH o granicy plastyczności ≥ 350 MPa, wytrzymałości na rozciąganie ≥ 450 MPa oraz wydłużeniu A5 (%) ≥ 22.

Stale kotłowe niezależnie od swego rodzaju wykazują się dobrą tolerancją wysokich temperatur sięgających od 400 do ponad 600°C przy dobrej wytrzymałości na odkształcenia mechaniczne. Różne stopy zaliczane do stali kotłowej mogą przy tym wykazywać wiele cech ułatwiających obróbkę, jak hartowność lub spawalność. Ważnym parametrem jest także na ogół dość wysoka udarność oraz odporność na działanie różnych agresywnych chemicznie substancji.