Aço para caldeiras para aplicações em altas temperaturas

Aços para caldeiras, vasos de pressão e permutadores de calor para a indústria energética - características e aplicação

Também conhecidos como ligas e aços carbono para funcionamento a altas temperaturas ou como aços para a indústria energética, são usados em ambientes com temperaturas de funcionamento até 600 ℃, onde a condição é manter resistências semelhantes à temperatura ambiente. Na metalurgia, temperaturas de 600 ℃ são consideradas temperaturas elevadas.

Ao contrário do aço estrutural para tratamento, aço para molas ou aço de cementação, as espécies de caldeiras têm de lidar com uma tarefa bastante responsável - principalmente para prevenir ou encurtar a progressão da deformação e fadiga do componente exposto durante a operação, ao ambiente operacional, carga que ocorre durante a operação e a frequência e tempo de tensão de carga no componente.

Portanto, ao selecionar um tipo específico deste subgrupo, é importante verificar se o material desta classe terá resistência suficiente aos efeitos dos gases quentes, ductilidade adequada, soldabilidade, resistência à corrosão e relaxamento, e propriedades de resistência suficientes à temperatura de operação. As propriedades mencionadas acima, como o ponto de escoamento a uma determinada temperatura de operação, a resistência à deformação, o limite de deformação e, além disso, a resistência ao calor, são determinadas primeiro.

Composição química e uso do aço para caldeiras

Os aços para caldeiras são usados principalmente em centrais elétricas convencionais ou nucleares e na indústria química, por exemplo, em caldeiras de vapor superaquecido, coletores de vapor, discos de direção, tubos, permutadores de calor, parafusos, porcas e rebites para cargas pesadas, caldeiras a vapor, para componentes (por exemplo, pás) e acessórios para turbinas a água, gás e vapor.

Um dos elementos mais importantes que faz com que os aços para caldeiras possam funcionar a temperaturas elevadas e apresentem propriedades de resistência adequadas é o cromo-Cr, o vanádio-V e o molibdénio-Mo. Com o aumento do cromo na composição química do produto, a resistência à corrosão e a capacidade de usar o componente a temperaturas de operação mais elevadas aumentam. Com um teor de crómio de 1,00-2,50%, podem ser usados continuamente a uma temperatura de cerca de 580 ℃. O teor de crómio acima de 2,5% até 13% não melhora significativamente a resistência à deformação. Em atmosferas oxidantes, os aços carbono apresentam resistência até cerca de 500 ℃.

Como se pode ver, o teor de carbono de vários tipos de aço para caldeiras é comparável e, consequentemente, propriedades de resistência como o limite de elasticidade e a resistência à tração não afetam significativamente o carbono, mas outros elementos de carboneto, como vanádio, molibdénio e até aditivos de tungsténio - N, nióbio - Nb e titânio - Ti, que contribuem simultaneamente para o aumento da resistência à deformação ao longo do tempo.

Classificação do aço para caldeiras com base na estrutura do material

Os aços para trabalhar em temperaturas altas são divididos em dois grupos básicos:

• aços ferríticos para caldeiras, ou seja:
  • aços ferríticos-perlíticos para caldeiras,
  • aços ferríticos-bainíticos para caldeiras,
  • aços ferríticos-perlíticos-bainíticos para caldeiras,
  • e aços bainíticos para caldeiras
• e aços martensíticos:
  • aços bainítico-martensíticos,
  • aços com estrutura martensítica altamente temperada

Considerando a composição química do aço para caldeiras, distinguimos:

• aços para caldeiras com baixo teor de carbono, com um teor de carbono até 0,25%, e
• aços para caldeiras com teor médio de carbono, com um teor de carbono superior a 0,25%

que, por sua vez, dividimos em:

• aços para caldeiras de baixa liga para funcionamento a temperaturas elevadas
• aços para caldeiras de média liga para funcionamento a temperaturas elevadas
• aços para caldeiras de alta liga para funcionamento a temperaturas elevadas

Tratamento térmico, condições de entrega e estrutura de cada tipo

No que diz respeito ao tratamento térmico de aços resistentes a temperaturas mais altas e à estrutura do material após a usinagem, os aços para chapas de caldeiras, tubos de caldeiras e hastes de potência são entregues às centrais elétricas no estado normal após o alívio de tensões ou no estado normal, o que resulta numa estrutura ferrítica feltrada mista e, consequentemente, apenas um ligeiro aumento na resistência (ferrítico-perlítico-bainítico, ferrítico-perlítico ou ferrítico-bainítico).

Por sua vez, um grande grupo de aços ligados pode ser endurecido até uma estrutura martensítica e, em seguida, aliviado até a estrutura de sorbita, como é o caso dos tipos de ligas de aço para melhoria. Portanto, dependendo da composição química, você pode encontrar contradições na nomenclatura de certos tipos - entre aços para caldeiras e aços para melhoria (por exemplo, 25HM). As ligas tratadas termicamente são geralmente ligadas e de alta liga, e em particular ligas de alto cromo na forma de produtos com seções transversais muito maiores, como peças forjadas, eixos ou barras forjadas. Observe, no entanto, que em tipos com baixa temperabilidade, os produtos de seções menores devem ser melhorados para obter propriedades mecânicas adequadas.

Para forjados de eixos e rotores de turbinas e forjados de pás de turbinas, são utilizados aços bainíticos. Para obter essa estrutura, são utilizados aços que não podem ser temperados após a austenitização. Eles são caracterizados pelos parâmetros de durabilidade mais elevados deste grupo.

Resistência à deformação, relaxamento e fadiga do aço para caldeiras

As propriedades de resistência dos aços para caldeiras puderam ser claramente determinadas em temperaturas de operação de até 200 ℃. No entanto, o uso e a nomenclatura do aço para altas temperaturas motivaram fortemente os testes de resistência em temperaturas de operação de 500-600. É necessário que o aço para caldeiras tenha a maior resistência à deformação ou o maior parâmetro de resistência à deformação possível, ou seja, o maior tempo de carga constante para um componente com o menor grau de deformação. Os testes de deformação e os testes foram realizados de acordo com a norma PN-75/H-04330 e os requisitos da norma PN-75/H-84024.

A fadiga dos rotores de turbinas na engenharia de energia é um processo que ocorre à temperatura ambiente e a temperaturas elevadas. Como resultado das grandes diferenças de temperatura (ou seja, aquecimento e arrefecimento frequentes) ou do trabalho apenas a altas temperaturas, alterações nas tensões, pressões e pressões de carga associadas à rotação dos elementos, o aço é suscetível a deformação, relaxamento e fenômeno de entalhe. O fator básico para o ensaio de fadiga é o ciclo de carga de trabalho e o tempo de trabalho do elemento. Fadiga do aço e determinação de nomes de acordo com a norma PN-64/H-04325.

O terceiro fator bastante importante na determinação da utilidade do aço na indústria energética é o fenómeno de relaxamento, ou seja, a diminuição ou perda de tensões elásticas nas peças das máquinas, resultante da operação a temperaturas mais elevadas durante um período de tempo mais longo, resultando na fuga dos tubos da caldeira; nos parafusos e porcas, estão presentes «folga» irregulares. Esta propriedade é testada e utilizada em flanges de aço de tubagens de vapor, componentes de aço para parafusos de casco de turbinas, componentes de aço para juntas de contração e pressurizadas e componentes de aço para recipientes e equipamentos sob pressão.

Aço para caldeiras - ambiente de trabalho e aplicação

Os meios gasosos mais comuns em sistemas de energia são ar, vapor e gases de combustão. A resistência ao calor depende do tipo e da composição do gás que aparece durante a operação do subconjunto. Ar, gases de escape, vapor superaquecido e altas temperaturas, e a combinação desses fatores, agem sobre o aço de oxidação.

Os óxidos resultantes na superfície do aço para caldeiras para a indústria de energia acumulam-se com o aumento da temperatura. Nos aços para caldeiras, a camada de óxido decompõe-se rapidamente e, ao mesmo tempo, torna a camada de óxido mais difícil de produzir, resultando na destruição do material (por exemplo, classes St36K, St44K, K18, K20 - máx. 400-500 ℃). Um elemento para impedir esse fenômeno é o cromo - Cr, cuja adição de mais de 0,5% na composição protege por mais tempo o componente exposto ao avanço do fenômeno de oxidação dos aços para equipamentos de geração de energia a uma temperatura de aproximadamente 550 ℃ (por exemplo, 10CrMo9-10 - máx. 580 ℃). Os óxidos de cromo cobrem rápida e precisamente as superfícies das barras e chapas de caldeiras, e as peças forjadas de aços para caldeiras aumentam à medida que a temperatura de operação aumenta. Após a cobertura completa, a superfície de óxido de cromo é praticamente imóvel e resistente a mais destruição do material. O crómio também exibe resistência a vários compostos de enxofre nos gases de escape e, juntamente com a sua composição química, também aumenta a sua temperatura de trabalho. Outras amostras de grau 12Ni19 / X12Ni5 / 1.5680.