Poznaj zastosowanie i właściwości stali kotłowej

Korzystanie z gatunków stali ściśle dopasowanych do potrzeb konkretnego zastosowania daje największe szanse pełnego wykorzystania możliwości oferowanych przez dany stop. W różnych branżach istnieją odmienne oczekiwania co do poszczególnych cech stali – np. jej plastyczności, wytrzymałości na temperaturę, podatności na korozję albo różne formy obróbki. 

W przypadku stali kotłowej ważne będą parametry umożliwiające budowę urządzeń zdolnych do pracy w bardzo wysokich temperaturach, nierzadko w obecności substancji agresywnych chemicznie, a także przy znacznym ciśnieniu. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom stali kotłowej i sprawdźmy, jakie są jej główne zastosowania.

Podstawowe właściwości stali i jej rodzaje

Stal jest podstawowym materiałem wykorzystywanym do budowy wszelkiego rodzaju konstrukcji nośnych, instalacji i wsporników, ale również do produkcji maszyn, urządzeń oraz pojazdów. Za sprawą swoich właściwości – przede wszystkim znakomitej wytrzymałości mechanicznej na znaczne obciążenia oraz umiarkowanej w stosunku do niej masy – może być używana w niemal wszystkich zastosowaniach od przedmiotów codziennego użytku po elementy pracujące pod dużym obciążeniem. Wielkie znaczenie ma również jej odporność na działanie czynników zewnętrznych – wysoką temperaturę, chemikalia i wibracje. Stal charakteryzuje się ponadto znakomitą sprężystością oraz podatnością na różne metody obróbki – od cieplnej, przez plastyczną aż po ubytkową. Co ważne, własności stali w poszczególnych obszarach mogą być znacznie poprawione dzięki wprowadzeniu do niej odpowiednich dodatków stopowych.

Każda stal jest mieszaniną żelaza, niewielkiej ilości węgla oraz różnych pierwiastków, które są pozostałością po składnikach obecnych w rudzie czy śladami substancji pochodzących z procesów technologicznych związanych z wytopem i obróbką termiczną. Domieszkami będącymi w istocie zanieczyszczeniami stali mogą być – w zależności od metody wytopu – siarka, potas glin, mangan oraz krzem. Zdarza się również, że w stali znajdą się śladowe ilości tlenu, azotu oraz wodoru, a niekiedy także arsen i cyna. W stali węglowej poza żelazem i węglem, a także pewną ilością zanieczyszczeń nie ma innych substancji, w stalach stopowych będą obecne celowo wprowadzone dodatki. Zawartość węgla w stali nie jest większa od 2%, natomiast ilość dodatków stopowych zależy od tego, jakie właściwości ma ona uzyskać. W większości przypadków ich udział kształtuje się między 3,5 do nawet 55%.

Wprowadzanie dodatkowych substancji pozwala na ulepszenie określonych właściwości stali, kluczowych z uwagi na jej planowane zastosowanie. Istotne są również proporcje składników wówczas, gdy dodatków stopowych jest więcej. Istnieje wiele typów stali specjalnych, do najczęściej wykorzystywanych należy stal nierdzewna, pozyskiwana za sprawą dodatku chromu, stal kwasoodporna wytwarzana dzięki zwiększonej zawartości niklu oraz chromu, czy stal szybkotnąca produkowana przez dodanie wolframu, molibdenu i wanadu. W wielu zastosowaniach niezbędne jest też używanie różnych rodzajów stali żaroodpornych, które są w stanie radzić sobie nie tylko z wysoką temperaturą, ale także działaniem gazów.

Kluczowe parametry stali żaroodpornych

Stale żaroodporne to bardzo obszerna kategoria, w której znajduje się wiele gatunków stali o różnym składzie chemicznym. Są one wykorzystywane przy produkcji urządzeń, które pracują w podwyższonych temperaturach, a nierzadko także z wysokim ciśnieniem oraz przy obecności różnych, niekiedy bardzo agresywnych substancji chemicznych. Wśród stali żaroodpornych znajdziemy stale kotłowe używane do produkcji elementów, które składają się na kotły grzewcze, parowe, piece przemysłowe i grzewcze, a także aparaturę chemiczną, palniki, turbiny, zawory czy elementy układów wydechowych i przemysłowych systemów odprowadzania spalin.

Stale żaroodporne muszą wyróżniać się odpornością na działanie gazów, które są bardzo aktywne w wysokich temperaturach i mogą doprowadzić do przyspieszonego utleniania przez tworzenie się tlenków żelaza – wusytu (FeO), magnetytu (Fe₃O₄) oraz hematytu (Fe₂O₃), które przyspieszają dyfuzję tlenu, czyli jego przenikanie w głąb struktury metalu w wyniku kontaktu następującego w podwyższonej, przekraczającej 560–600°C temperaturze.

Zagrożeniem dla stali, znacznie przyspieszającym procesy korozyjne jest obecność gazów, mających działanie utleniające, do których można zaliczyć tlenek i dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, azot oraz parę wodną. Drugą kluczową właściwością stali przeznaczonej do działania w podwyższonej temperaturze jest żarowytrzymałość, przejawiająca się wysoką odpornością na odkształcenia wskutek oddziaływań mechanicznych, utrzymującą się w temperaturach przekraczających 550–600°C. Stal, której własności ulegają zmianie przy wysokiej temperaturze, odznacza się dużym pełzaniem, czyli zmianą wymiarów przy stałym działaniu ciepła.

Zarówno poziom żaroodporności, jak i żarowytrzymałości zależy wprost od rodzaju i ilości dodatków stopowych wprowadzonych do stali. W przypadku żaroodporności kluczowym pierwiastkiem stopowym okazuje się chrom. Z uwagi na swoje większe podobieństwo do tlenu jest on w stanie łatwo tworzyć tlenek chromu (Cr₂O₃), chroniąc tym samym obecne w stali żelazo. Dodatek chromu na poziomie 5% oznacza wytrzymałość na temperatury rzędu 600°C, 10% to już 900°, a 20–30% nawet 1100°C. Podobne działanie ma aluminium, które tworzy tlenek w postaci Al₂O₃ oraz krzem przekształcający się w tlenek SiO₂. Niestety pierwiastki te są zwykle stosowane w ilości nieprzekraczającej 3% z uwagi na zmniejszanie twardości stali i jej wytrzymałości na odkształcenia mechaniczne. W przypadku żarowytrzymałości najważniejszymi dodatkami stopowymi są nikiel, a także molibden, wanad, wolfram, kobalt i tytan, jak również współodpowiedzialne za żaroodporność chrom i krzem.

Charakterystyka i zastosowanie stali kotłowej

Stal żaroodporna wykorzystywana jako stal kotłowa poza parametrami określającymi jej wytrzymałość na podwyższone temperatury powinna się cechować także innymi cechami pozwalającymi na jej wykorzystanie w konkretnych zastosowaniach. Podobnie jak przy innych gatunkach stali istotna będzie jej wytrzymałość na odkształcenia mechaniczne. Liczy się m.in. charakterystyka zmęczeniowa, wysokość wydłużenia względnego wynikająca z ciągliwości i plastyczności, ale też udarność przejawiająca się odpornością na pękanie, twardość oznaczająca możliwość punktowego odkształcenia czy wytrzymałość statyczna i dynamiczna.

Bardzo duże znaczenie mają charakterystyki wiążące się z możliwościami zastosowania poszczególnych metod obróbki. Do najważniejszych należy spawalność, określająca podatność na łączenie przy wykorzystaniu różnych metod spawalniczych i zachowanie odpowiedniej charakterystyki odpornościowej po wykonaniu spoiny. Liczyć może się również hartowność, pokazująca możliwość przeprowadzenie obróbki cieplnej umożliwiającej poprawę powierzchniowych lub całościowych parametrów wytrzymałościowych. W niektórych zastosowaniach ważne mogą być także możliwości obróbki cieplno-chemicznej, np. azotowania czy nawęglania.

Przy produkcji urządzeń wykonywanych zwykle ze stali kotłowej, np. zbiorników, pieców czy elementów instalacji znaczenie będzie miała plastyczność wpływająca na możliwość formowania metalu na zimno lub gorąco np. za pomocą gięcia albo walcowania. Przy wytwarzaniu np. armatury ciśnieniowej istotna okaże się także skrawalność, czyli możliwość toczenia, frezowania, wiercenia bądź dłutowania.

Istnieje wiele gatunków stali żaroodpornej wykorzystywanej jako stal kotłowa. Wśród rozpowszechnionych rodzajów stali tego typu można spotkać m.in. stale niestopowe P265GH (1.0425 oznaczana również jako St41K) albo P250GH (C22.8 lub 1.0460). Wyróżniają się one dobrą spawalnością, ich plastyczność wynosi odpowiednio 265 i 250 niutonów, co oznacza, że działanie takiej siły powoduje ich trwałe odkształcenie. Różnią się one zakresem temperatur, w jakich można je stosować – dla stali P265GH będzie to 600°C, a dla P250GH 480°C. Wykorzystywane są jednak również różne rodzaje stali stopowych, np. molibdenowe (choćby 16Mo3 i 15Mo3), a także molibdenowo-chromowe (jak 10CrMo9-10 albo 21CrMoV5-7).