Марки сталей и их характеристика
Стали делятся на две большие группы:
– углеродистые – применяются для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными или слабоагрессивными средами;
– легированные – предназначены для аппаратов, работающих в агрессивных условиях или при высокой температуре.
Углеродистые стали делятся на обыкновенные, соответствующие ГОСТ 380–71, и качественные, соответствующие ГОСТ 1050–74.
Обыкновенные стали, применяются для изготовления обечаек, днищ, фланцев, люков, лазов и т. д., работающих при температуре от –20 до +425°С и давлении до 5МПа. В зависимости от гарантированных характеристик различают три группы сталей обыкновенных:
А – с гарантированными механическими свойствами;
Б – с гарантированным химическим составом;
В – с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.
Кроме того, по группам введены категории: для группы А – 3 категории, для группы Б – 2 категории, для группы В – 6 категорий.
Для сталей с номерами марок 1, 2, 3, 4 в зависимости от степени раскисления различают три вида. «Спокойные» стали (маркировка СП) содержат минимальное количество FeO и в изложнице застывают спокойно. «Кипящие стали» нераскислены и при застывании из металла выделяются пузырьки СО (маркировка КП); эти стали наиболее дешевы, но обладают худшими механическими и технологическими показателями. Согласно ГОСТ они не должны применяться для сосудов и аппаратов для сжиженных газов. «Полуспокойные» стали –промежуточный тип (маркировка ПС).
Маркировка обыкновенных сталей
Стали обыкновенного качества маркируются следующим образом. Стали группы А обозначают буквами Ст и цифрами 0, 1, …, 6. Цифры означают содержание углерода в десятых долях процента, чем выше цифра, тем выше прочность, но ниже пластичность. Для обозначения степени раскисления добавляются индексы, например: Ст 3 КП, Ст 4 ПС. Для маркировки сталей групп Б, В впереди ставится соответствующая буква: БСт 2 КП, ВСт 3 КП 2, где последняя цифра обозначает категорию.
Основными механическими свойствами углеродистых сталей являются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение. Все эти характеристики для различных марок сталей приведены в справочной литературе (Альперт, с. 38)
Качественные стали имеют марки 05, 10, …, 85 (т. е. 0,05, … 0,85% углерода) с шагом 5. Содержат дополнительно марганец (0,25–0,80%), хром и кремний (0,2%). Качественные стали используют для изготовления аппаратуры, работающей при давлении до 20 МПа и температуре от –40 до 450°С.
В кислотных цехах углеродистые стали используют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые футеруются кислотоупорными материалами.
Легированные стали имеют в своем составе легирующие элементы, основными из которых являются никель, хром, вольфрам, титан и другие металлы.
Никель повышает коррозионную стойкость стали, повышает ее механическую прочность.
Хром увеличивает жаропрочность стали, а при содержании 11–14% делает ее устойчивой к атмосферной коррозии (так называемая нержавеющая сталь).
Марганец при содержании 10–15% придает стали высокую сопротивляемость ударам и эрозии; такая сталь используется для изготовления деталей дробилок и мельниц.
Молибден повышает коррозионную устойчивость стали к горячим серной и фосфорной кислотам. Вольфрам повышает стойкость стали к водородной коррозии.
Маркировка легированных сталей
Для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система (пример маркировки: 10Х17Н13М2Т). Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:
| Ni | Cr | Mo | W | V | Mn | Cu | Ti | Al | Si |
| Н | Х | М | В | Ф | Г | Д | Т | Ю | С |
Первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв – содержание соответствующих элементов в процентах.
Если в сплаве легирующего элемента менее 2%, то его содержание не указывается.
Низколегированные стали содержат до 2,5% легирующих элементов. К ним относятся марганцовистые (14Г…, 19Г…), кремнемарганцевые (12ГС…, 09Г2С, 16ГС…), марганцево-ванадиевые (16ГФ) и другие.
Наиболее широкое применение в химической промышленности получили кремнемарганцевые стали. Помимо повышенной на 15–35% по сравнению со сталями СТ3, 20 прочностью и надежностью, они обладают хорошей пластичностью, ударной вязкостью и отличной свариваемость. Поэтому при изготовлении аппаратуры, рассчитанной на среднее давление и некоррозионных сред целесообразно использовать высокопрочные низколегированные стали, так как это позволяет уменьшить толщину стенок и, тем самым, сэкономить металл. Применение этих сталей рекомендуется и для изготовления аппаратов, работающих при пониженных до –70°С температурах, поскольку значительно повышается их надежность.
Высоколегированные стали применяют для изготовления аппаратов, предназначенных для работы с коррозионными средами и при высоких температурах. Содержание легирующих веществ в таких сталях превышает 10%. Высоколегированные стали подразделяют на три группы.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии. Наиболее широкое распространение в химической промышленности получила сталь марки 12Х18Н10Т, которая устойчива к воздействию азотной кислоты, нитратов, щелочей и к газовой коррозии, выдерживает воздействие температур до 800°С (одновременно относится и ко второй группе). В производстве фосфорной кислоты используются стали, содержащие молибден и медь, марок ЭИ-943 (ОХ23Н28М3Д3Т).
Жаростойкие стали обладают стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температурах свыше 550°С, работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (марки 12Х17, 15Х25Т).
Жаропрочные стали работают в течение определенного времени при высоких температурах при нагруженном состоянии.
Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до 100 МПа и в интервале температур от –195 до 700°С рекомендуется использовать сталь 10Х17Н13М2Т.
Высоколегированные стали вследствие высоких прочности и коррозионной стойкости широко используются в химическом машиностроении, но они намного дороже углеродистых сталей. Поэтому для снижения расхода дорогостоящих легированных сталей на изготовление аппаратов в настоящее время предлагаются следующие пути.
1. Использование двухслойных металлов. Для защиты от коррозии достаточен слой коррозионно-стойкого материала толщиной несколько миллиметров (обычно от 2 до 5 мм), а для обеспечения условий прочности стенка должна быть значительно толще. Поэтому используют двухслойную листовую сталь, состоящую из основного слоя, выполненного из углеродистой стали, и защитного (плакирующего) слоя из легированных сталей типа 12Х18Н10Т, а также из цветных металлов. В соответствии с ГОСТом 10885–75 двухслойные листы изготавливаются толщиной 4–160 мм. Однако в связи с различием в значениях температурных коэффициентов линейного расширения основного и плакирующего слоев ТУ регламентируют интервалы температур и давлений для работы аппаратов, изготовленных из двухслойных материалов.
2. Использование экономнолегированных сталей, имеющих пониженное содержание остродефицитного никеля. К таким сталям относятся марки 08Х22НGТ, 08Х13Н взамен стали марки 12Х18Н10Т.
3. Использование безникелевых сталей, к которым относятся коррозионно-стойкие аустенитовые стали. Они предназначены для изготовления аппаратов, которые работают в температурном интервале от –210 до 400°С. Такие стали устойчивы к действию разбавленной серной кислоты, 50%-й азотной кислоты, 10%-й уксусной кислоты.
Области применения различных марок сталей приведены в таблице на с. 26 [Тетеревков А. И.].