Помоги проекту - поделись книгой:
Ступенька расширяется до края кристалла и переходит в совершенную кристаллическую поверхность. Последующий рост кристалла осуществляется за счет расширения новых ступенек из двухмерных зародышей. Искажение формы монокристалла (приводящая к дендритной кристаллизации) происходит из-за искажения формы растущего кристалла под влиянием примесей, выделяющегося тепла, силы тяжести [12,с.150].
Приведем структуру монокристалла (по-видимому никелевого сплава) по данным
О.Г. Оспенниковой [13]:
Как видно из рисунков [13], монокристаллическая структура стали не имеет границ между зернами, которые снижают физические характеристики металла.
Монокристаллическую структуру, как отмечает Каменецкая [14,с.219], можно получить в большинстве случаев кристаллизацией из расплава или рекристаллизацией после критической пластической деформации. Для железа кристаллизация из расплава вследствие полиморфических превращений δ-γ- и γ-α- появляются центры кристаллизации, что приводит к измельчению α-фазы. Циклические нагревы и охлаждения с переходом температуры α-γ-равновесия предназначены для измельчения зёрен. Деформация и отжиг снимают стимул рекристаллизации. Вместе с тем, α-γ-превращение ограничивает температуру рекристаллизационного отжига и повышение этой температуры вызывает рост крупных кристаллов. Каменецкая отмечает, что в сплавах железа с кремнием (свыше 3,5%) кремний выклинивает область γ-фазы, в результате сплав может быть нагрет до более высоких температур и за счет этого легко формируются монокристаллы.
Также Каменецкая указывает [14,с.219], что монокристаллы можно получить при фазовых превращениях без критической деформации. Важным является создание высоких температурных градиентов. Каменецкая сообщает о формировании монокристалла при зонном плавлении в среде аргоно-водородной смеси. Необходимо соблюдение постоянства температурного режима, объема жидкости и скорости ее перемещения. Превращения δ-γ- и γ-α- не оказали деструкционного влияния на рост монокристаллической фазы.
Каменецкая указывает [14,с.221], что содержание углерода до 0,1% затрудняет получение монокристалла и необходим отжиг в водороде, снижающий содержание примесей. Но в железе высокой степени чистоты с содержанием углерода 0,001% формирование монокристалла связано с трудностями из-за перехода железа в стабильную полигональную структуру. Поэтому, резюмируя два обстоятельства, для получения монокристалла в железо следует ввести примеси углерода, азота, кислорода для препятствования процессу перехода железа в полигональную форму. Также необходим определенный размер исходного зерна и его однородность. По данным Каменецкой [14,с.222] размер зерна от 0,05 мм до 0,14 мм. И при соблюдении параметров технологического процесса (поддержание температуры, скорости перемещения через печь не выше 3-12 мм/ч – скорость роста зерна, малая скорость деформации, деформация до 3,5%) получаются монокристаллы размерами до 200 мм. При этом количество примесей было достаточным для рекристаллизации. Каменецкая приводит данные о получении монокристаллов длиной до 600 мм и диаметром 5 мм методом деформации и отжига. Существуют способы получения монокристаллов железа из газовой фазы разложением хлорида железа в атмосфере водорода.
В работе [15] поднят вопрос об изготовлении монокристаллических лопаток методом аддитивных технологий. В этом случае используется часть монокристаллической структуры (в виде затравки) с последовательным нанесением слоев сплава (порошков или капель) до получения нужной геометрии детали.
Теоретическая возможность изготовления оболочек корпусов аппаратов с использованием аддитивных технологий показана в публикациях [28], [29].
Заготовки из листовой стали
Листовой металл является полупродуктом, т.е. заготовкой для изготовления обечаек аппаратов, а также штампованных оболочек и гнутых деталей.
Листы выпускают поштучно (отдельными картами) или в виде рулонов. Рулоны используют для тонких листов. Лист как правило условно делят на тонкий до 4 мм и толстый свыше 4 мм (толщина 0,1 мм считается фольгой, 0,08…0,5 соответствует жести). Листы с толщиной 60…300 мм также называют плитами. При выборе толщины листа по результатам расчета следует также учитывать отбраковочные толщины по РУА95, ниже которых не рекомендуется закладывать толщины корпусов.
Размеры проката от 600 до 5300 мм при длине до 50 м для толщин 4…160 мм, при этом листы толщиной 4…16 мм выпускаются также в виде рулонов шириной до 2300 мм. На универсальных станах может выпускаться полосы 200…1050 мм для листов толщиной 6…60 мм. Тонколистовой прокат выпускается в виде рулонов шириной 600…2500 мм.
Отдельным видом проката являются биметаллические листы, состоящие из основного слоя углеродистой (или, например, марганцево-кремнистой) стали и тонкого слоя из легированной стали (нержавеющей типа 12Х18Н10Т). Такие листы используются в изготовлении оболочек нефтяных и химических аппаратов для защиты внутренней поверхности от агрессивной среды во избежание выполнения наплавки слоя.
Защитный слой биметаллического металла имеет меньшую толщину по сравнению с наплавленным слоем, выполненном на готовой оболочке на сварочном производстве. Стоит отметить, что наплавку на сферическую поверхность шарового днища выполнять технологически сложнее, чем на цилиндрическую обечайку. В этом случае находит применение покупной биметаллический прокат.
Для защитного слоя важна толщина чистого защитного металла. В зоне сопряжения слоев имеется металл переходной структуры. Толщина переходной структуры минимальная для биметаллического листа, полученного прокаткой по сравнению с биметаллическим листом, выполненным наплавкой электродом или электрошлаковым способом.
Отдельно рассматриваются листы из титановых сплавов, применяемые в изготовлении аппаратов для агрессивных сред. Титановые листы востребованы в авиационной и других важных отраслях промышленности. Перед изготовлением аппаратов следует проверить качество материала.
Находят применение листы с вторым слоем из сплава алюминия. Такие листы применяются также для оболочек топливовозов и цистерн.
Биметаллическая листовая сталь
Биметаллический листовой прокат получают сваркой давлением при соприкосновении свариваемых листов. Методы получения биметаллов согласно работе [19] делятся на пять групп:
– пакетный метод при горячей совместной пластической деформации листов,
– пакетный метод при холодной совместной пластической деформации листов,
– литейный метод при взаимодействии расплавленного металла с твердым основным металлом и последующей кристаллизацией на подложке твердого металла,
– электродуговая наплавка защитного слоя,
– взрывной метод при соединении слоев ударом взрывной волны.
Переходный слой между листами, а значит и толщина наплавки, минимальна для прокатного листа и имеет более толстый размер при наплавленном слое.
Механизм сварки биметаллического проката давлением [19]:
– сближение атомов листов на расстояние сил межатомного взаимодействия при микропластической деформации в зонах контакта под давлением,
– активация центров на поверхности более твердого листа,
– объемное взаимодействие с образованием химических связей между листами.
Электродуговой наплавкой можно получить биметалл «сталь+медь», например, для камер аппаратов воздушного охлаждения. Электрод может быть ленточным для повышения скорости процесса. Электродуговой наплавкой можно получить толстые слои металлов с одинаковыми величинами среза слоев.
Сварка корпусов аппаратов
Для процесса сварки в общем случае разрабатывается:
– документация на технологию сварочных работ специалистом III уровня НАКС;
– типовые карты сварочного производства;
– карты контрольных сварных соединений,
– сварка и наплавка контрольных образцов с составлением актов проверки.
Как было указано выше, оболочки аппаратов свариваются стыковыми швам и для полного задействования всех слоев листа для восприятия нагрузки от внутреннего давления. В случае расслоения верхнего слоя металла и приварки к нему строповочного устройства, при соответствующей нагрузке возможен вырыв части верхнего слоя строповочным устройством. По этой причине необходимо полное проплавление всей толщины листа.
Основные требованием к сварному шву является его равнопрочность с соединяемыми деталями. В случае неравнопрочности вводят понижающие коэффициенты в зависимости от технологии сварки.
Металл сварных швов должен иметь механические параметры не ниже, чем у свариваемых листов: удар на образцах с острым надрезом (Шарпи) при отрицательных температурах, прочность при рабочей температуре, высокую длительную прочность.
Для достижения таких показателей используются: правильный выбор сварочных материалов, разработанная технология сварки с нужными техническими решениями, подобранная послесварочная термическая обработка. Непосредственно качественное выполнение сварного шва обеспечивается квалификацией рабочего-сварщика на основании разработанной документации. После выполнения сварочных работ, сварщиком проставляется индивидуальное клеймо, по которому устанавливается исполнитель.
При разработке технологического процесса сварки стыковых швов необходимо подбирать режим, исключающий деформации свариваемых оболочек и растрескивание металла. Для этой цели может быть применена технология сварки в узко щелевую разделку шириной до 20 мм с углом 1°. Таким способом сваривают оболочки толщиной до 350 мм [14]. Для контроля используют системы слежения с оптическими тактильными или бесконтактными лазерными контролем недоступной для визуального контроля щели.
__
Наплавка защитного слоя (от коррозии) на внутреннюю поверхность оболочки выполняется электродуговым способом или электрошлаковым способом. В электрошлаковой наплавке используется лента шириной до 200 мм. По электрошлаковому способу наплавка производится в один слой, в электродуговом способе в два слоя. В результате этого для электрошлакового способа повышается производительность в 2,5 раза и снижается расход ленты в 1,5 раза, электрошлаковая наплавка более стойка к отслаиванию в условиях водородной среды [14].
Оборудование сварки аппаратов
Аппараты сваривают на сварочной установке, то есть на комплекте технологически связанного оборудования. Установка состоит из: сварочного оборудования (сварочный аппарат с источником питания и приборами регулирования), сборочно-сварочных приспособлений, вспомогательного оборудования для манипулирования аппаратом [21].
Корпуса аппаратов на заводах нефтяного машиностроения сваривают на установках автоматической сварки. Компоновка такой установки по данным академика Патона [21]:
Для крупногабаритных изделий единичного производства характерна стапельная сборка, то есть изделие в основном находится на одном месте и операции осуществляются на изделии без его перемещения (более подробно в работе [23]).
Ручная дуговая сварка выполняется для деталей небольших габаритов на одиночных сварочных постах, компоновка которых согласно работе академика Патона [21]:
Сварка разнородных сталей
Разнородными соединениями являются соединения сталей разных структурных классов или одинакового структурного класса, но разных марок, то есть с различными легирующими добавками, и биметаллические соединения. Кроме того, если для соединения сталей одного класса применяется металл шва другого класса, такое соединения будет являться разнородным.
Сварка и наплавка разнородных сталей может выполняться всеми существующими способами сварки. Сварка крупногабаритных оболочек аппаратов выполняется электродуговой сваркой. Для выполнения сварки необходим правильный выбор электродов и технологических режимов. Выбор электродов осложнен тем, что разнородные соединения имеют неоднородную структуру. Неоднородность структуры определяет надежность сварного шва.
Стали условно разделим на:
– углеродистые и низколегированные (перлитные),
– высокохромистые (феррритные и феррито-мартенситные),
– хромоникелевые (аустенитные и аустенито-ферритные).
В разнородных соединениях можно комбинировать:
– углеродные с низколегированными (перлитные с перлитными),
– высокохромистые (ферритные и феррито-мартенситные с такими же),
– хромоникилевые (аустенитные с феррито-аустенитными),
– углеродистые или низколегированные с высокохромистыми (перлитные с ферритными или феррито-мартенситными),
– углеродистые или низколегированные с хромоникелевыми (перлитные с аустенитными или феррито-аустенитными),
– высокохромистые с хромоникелевыми (феррритные с аустенитными).
Выбор сварочного материала обеспечивает:
– прочность соединения по уровню основного металла,
– сплошность сварного соединения, заключающуюся в отсуствии пор и включений,
– отсутствие трещин,
– соответствие свойств металла сварного шва заданным для металла оболочки таким как жаропрочность, коррозионная стойкость (для легированных сталей).
Металл сварного шва представляет собой сплав, полученный перемешиванием основного свариваемого металла (расплавленного при сварке) с наплавленным металлом. Доля основного металла, участвующего в формировании шва зависит от формы разделки, режима сварки. Доля основного металла изменяется между слоями и, соответственно, меняются физико-химические свойства по сечению шва.
Металл сварного шва должен иметь высокую пластичность вместе с равнопрочностью. Электроды могут быть подобраны с меньшей прочностью, но большей пластичностью [15,с.13]. При этом равнопрочность сварного шва получается за счет явления контактного упрочнения металла.
При растяжении металл сварного шва деформируется раньше основного металла. Но пластические деформации в шве являются стесненными и поэтому усилие для деформации увеличивается по сравнению с усилием для свободной деформации сварного шва (за счет контактного упрочнения металла сварного шва, являющегося прослойкой между свариваемыми основными металлами). Равнопрочность сварного шва достигается при более низкой прочности металла шва по сравнению с основным металлом, но при высокой пластичности шва и соответствующей толщине шва.
Термическая обработка
Изменения в структуре стали
В большинстве случае стали нагревается до перестроения кристаллической решетки сплава в аустенит. Например, в перлите (феррито-цементитная структура) при нагревании растворяется цементит по линии предельной растворимости на диаграмме железо-углерод. С дальнейшем нагревом концентрация углерода растет и неустойчивая структура переходит в устойчивый аустенит. В аустенит углерод поступает из карбида. Сначала происходит сдвиг границ α→γ перестроения, затем происходит механизм роста зерна. Затем происходит диффузия углерода от цементита к аустениту и тем самым сплав стабилизируется.
Добавление в сплав карбидообразующих хрома, молибдена, вольфрама, ванадия затрудняет аустенизацию так как образуется цементит с легированными добавками и карбиды легирующих элементов, которые мало растворимы в аустените. Процесс гомогенизации с легированными сталями требуется большего времени.
Зародыши аустенита образуются на границах раздела феррита с карбидом. С увеличением времени выдержки и с повышением температуры зерна увеличиваются (зерна растут за счет переходов атомов через большеугловые границы в решетке структуры). При охлаждении размер зерна не изменяется. По размерам зерен стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. Карбидообразующие легирующие добавки замедляют рост зерен аустенита так как их карбиды являются барьером для диффузии. При неправильном режиме стали возможен исправимый дефект перегрева и неисправимый дефект пережога с образованием окислов на границах зерен.
При охлаждении аустенита до точки мартенсита, диффузионные процессы перехода в цементит и феррит подавляются и сталь переходит в мартенсит , то есть происходит бездиффузиозное превращение.
Аустенит может перейти в перлит по диффузионному механизму. Зародыши цементита образуются на границах зерен аустенита. Полиморфное превращение γ → α происходит по сдвиговому механизму. Затем начинается рост пластин феррита. Два процесса протекают одновременно с образованием перлита.
Мартенсит имеет структуру пресыщенного раствора твердого внедрения углерода в α-решетку железа. Кристаллы мартенсита зарождаются в дислокационных узлах решетки аустенита и в местах обедненных углеродом. Кристаллы мартенсита ориентированно связанны с аустенитом, поэтому имеют форму пластин, которые в аустените имеют упорядоченную ориентацию.
Мартенсит делится на два типа: пакетный и пластинчатый. Пакетный получается в углеродистых и легированных сталях с высокой температурой мартенситного перехода на диаграмме. В зерне мартенсита образуется несколько пакетов из параллельных кристаллов. Пластинчатый мартенсит получается для высокоуглеродистых сталей при низкой температуре мартенситного перехода на диаграмме.
Аустенит стабилизируют задержкой охлаждения при температуре выше мартенситного перехода. При охлаждении после выдержки переход в мартенсит происходит мало интенсивно.
Поделиться книгой: