Przejdź do treści

Banery wysuwane

okładka
Nickel superalloys
Recent developments in liquid metal engineering

Kategoria produktu
Nauki techniczne » Inżynieria materiałowa
Nauki techniczne » Metalurgia
Nauki techniczne » Odlewnictwo
Specjalne kategorie
Zapowiedzi
ISBN
978-83-66727-49-6
978-83-963247-0-2
e-ISBN
978-83-66727-50-2
Typ publikacji
monografia
Format
B5
Oprawa
twarda
Liczba stron
450
Rok wydania
2022
Opis

Pomimo intensywnego rozwoju energetyki odnawialnej w wielu krajach węgiel wciąż pozostaje głównym źródłem energii elektrycznej. Niestety duże elektrownie i elektrociepłownie węglowe generują do jednej trzeciej wszystkich przemysłowych gazowych zanieczyszczeń powietrza (zwłaszcza dwutlenku węgla). Obniżenie poziomu emitowanych zanieczyszczeń przy jednoczesnej poprawie efektywności energetycznej elektrowni węglowych jest możliwe przez podniesienie temperatury pary nasyconej wytwarzanej w kotle do 700–760°C, przy znacznie wyższych wartościach ciśnienia roboczego w turbinach (zwiększonego z 25–30 MPa do 40 MPa). 
Aby kotły energetyczne i turbiny parowe mogły osiągnąć tak wysokie parametry pracy, muszą być wykonane z materiałów nowej generacji. Materiały te, określane jako zaawansowane materiały ultrasuperkrytyczne (AUSC – Advanced Ultra Super Critical), charakteryzują się wysoką odpornością na pełzanie, odpornością termiczną oraz zwiększoną odpornością na korozję wysokotemperaturową. Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest przejście od dotychczas używanych konwencjonalnych stopów na bazie żelaza (stali ferrytycznych i austenitycznych) do nadstopów niklu, wykorzystywanych przez najnowocześniejsze elektrownie węglowe. Badania przeprowadzone przez EPRI (Electric Power Research Institute) w Charlotte (USA) pokazują, że stopy AUSC mogą być pomocne w redukcji emisji dwutlenku węgla od 10% nawet do 35% drogą zwiększenia efektywności pracy elektrowni węglowych.
Najbardziej obiecującymi materiałami pod względem spełnienia tak wysokich parametrów krytycznych są obecnie wieloskładnikowe superstopy na bazie niklu, które mogą przenosić obciążenia w temperaturach przekraczających nawet 80% ich temperatury topnienia i pracować w agresywnych środowiskach, a tym samym mają odpowiednią wytrzymałość do pracy w ekstremalnych warunkach eksploatacji. Badania nad tak zaawansowanymi materiałami i ich praktycznym zastosowaniem w nowoczesnych elektrowniach węglowych prowadzone są w USA od blisko 20 lat w ramach sponsorowanego przez Departament Energii USA i Biuro Rozwoju Przemysłu Węglowego w Ohio programu badawczego „Advanced UltraSuperCritical Materials”. Jego głównym celem było opracowanie i przebadanie specjalnych gatunków stopów niklu, które mogłyby być przeznaczone do produkcji nowych rozwiązań konstrukcyjnych oraz technologicznych i materiałowych do pracy w wysokich temperaturach. Realizatorzy projektu uwzględnili również inne zastosowania wymagające użycia materiałów wysokotemperaturowych (w tym elektrownie fotowoltaiczne), a mające wspomóc przejście do strategicznej, innowacyjnej, proekologicznej i efektywnej produkcji czystej energii ze źródeł niekonwencjonalnych. 
Wykorzystanie w badaniach zaawansowanych i różnorodnych narzędzi pozwoliło na dogłębną interpretację mechanizmu i kinetyki zjawisk strukturalnych oraz ocenę właściwości eksploatacyjnych, a także modelowanie procesów i opracowanie praktycznych zaleceń. W szczególności skupiono uwagę na podstawach syntezy stopów niklu oraz wysokotemperaturowych interakcjach pomiędzy stopionymi stopami niklu a materiałami ogniotrwałymi. Zbadano praktykę odlewniczą w skali półtechnicznej oraz zademonstrowano komputerowe modelowanie procesu technologicznego odlewania w wariancie rozszerzonym, wykorzystując w tym celu systemy ProCast® i MagmaSoft®. Jednym z osiągnięć projektu AUSC było opracowanie technologii odlewania (w szczególności technologii wykonywania wielkoseryjnych odlewów dla tych elementów, które są potrzebne do zaworów i tarcz turbin) z nadstopów niklu Inconel 740 i Haynes® 282®, przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach. Po raz pierwszy szczegółowo przedstawiono technologię wytwarzania największego na świecie odlewu niklowego w amerykańskim przemyśle odlewniczym na potrzeby energetyki na przykładzie nośnika dyszy turbiny parowej o masie całkowitej 18 ton, odlanego ze stopu Haynes® 282®.
W tym ambitnym programie badawczym mogli uczestniczyć również polscy specjaliści. Przez blisko dziesięć lat (2007–2017) pracownicy byłego Instytutu Odlewnictwa w Krakowie mieli okazję zapoznać się z badaniami nad podwyższaniem parametrów krytycznych nośników energii oraz nad nowymi materiałami i technologią odlewania, a w ostatnich latach w projekcie uczestniczyli także specjaliści z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, którzy z sukcesem przeprowadzili modelowanie komputerowe procesu odlewania odlewów wysokotonażowych ze stopu Haynes® 282®. 
Podsumowaniem wieloletnich badań międzynarodowego środowiska naukowców i praktyków jest monografia, z którą chętnie zapoznają się studenci starszych lat specjalistycznych studiów akademickich – magisterskich, podyplomowych i doktoranckich. Publikacja będzie wartościowa również dla kadry naukowej i pracowników przemysłu, a jej anglojęzyczne wydanie z pewnością poszerzy krąg potencjalnych czytelników.
 

Spis treści

Abstract 9

List of acronyms, abbreviations, and symbols 11

Preface 15
Literature 17

CHAPTER I
Introduction 19
Robert M. Purgert

I.1. Historical background of United States’ AUSC Program 20
I.2. Alloy selection 21
I.3. Program successes and acknowledgements 22

CHAPTER II
Pure nickel 33
Zenon Pirowski

II.1. General data 33
II.2. Physical properties 36
II.3. Chemical properties 40
II.4. Mechanical properties 41
Literature 43

CHAPTER III
Nickel-based alloys 45
Jerzy Sobczak, Zenon Pirowski, Natalia Sobczak

III.1. Synthesis of alloys 45
III.2. Commercial alloys 49
III.2.1. General classifications of nickel alloys 49
III.2.2. Nickel superalloys 56
III.2.3. Corrosion-resistant cast alloys 62
III.2.4. Heat- and high temperature-resistant cast alloys 67
Literature 75

CHAPTER IV
High-temperature interaction between molten Ni alloys and refractory materials 77
Natalia Sobczak, Robert M. Purgert, Rajiv Asthana, Jerzy J. Sobczak

IV.1. State of the art 77
IV.2. Materials 80
IV.3. Methods and testing procedures 81
IV.4. Nickel/oxide systems 86
IV.4.1. Al/oxide and Ni/Al2O3 systems 86
IV.4.2. Ni/MgO system 98
IV.4.3. Ni/MgAl2O4 system 115
IV.4.4. Ni/Y2O3 system 121
IV.4.5. Ni/YAP and Ni/YAG systems 132
IV.4.6. Ni/Mg2SiO4 system 140
IV.4.7. Ni/ZrO2 system 144
IV.5. Conclusions and final remarks 150
Literature 153

CHAPTER V
Melting and casting 161
Zenon Pirowski, Zbigniew Stefański, Waldemar Uhl, Jerzy J. Sobczak

V.1. Melting techniques 161
V.1.1. Melting of nickel 163
V.1.2. Melting of Ni-Cu alloys 164
V.1.3. Melting of Ni-Cr-Fe alloys 165
V.1.4. Melting of highly reactive Ni-based alloys 166
V.2. Molding 166
V.3. Pouring and casting techniques 168
V.4. Casting defects and quality control 175
Literature 179

CHAPTER VI
Heat treatment and thermo-chemical treatment of cast nickel alloys 181
Zenon Pirowski

VI.1. Cast polycrystalline alloys 181
VI.2. Directionally solidified and single-crystal alloys 185
VI.3. Heat-resistant protective coatings 187
Literature 188

CHAPTER VII
Primary and secondary melt processing on example of Haynes 282 191
Zenon Pirowski, Małgorzata Warmuzek, Stanisław Pysz, Natalia Sobczak, 
Robert M. Purgert, Jerzy J. Sobczak

VII.1. Chemical composition and properties of as-received commercial alloy 191
VII.2. High-temperature interaction of molten Haynes 282 alloy with crucible 194
VII.3. Melting and casting trials 203
VII.3.1. Introduction 203
VII.3.2. Thermal analysis 206
VII.3.3. Step test 207
VII.3.4. Fluidity test 210
VII.4. Structure of castings (as cast) 215
VII.5. Effect of heat treatment on structures and properties of castings 220
VII.6. Effect of advanced post-processing HIP on structure-property relationships 228
VII.7. Foundry practice 234
VII.7.1. Computer simulation approximation 234
VII.7.2. Melting, pouring, and heat treatment 237
VII.7.3. Material testing of executed castings 241
VII.7.4. Practical recommendations 249
Literature 254

CHAPTER VIII
Mechanical properties of Haynes 282 casting 255
Xiang Chen, Ling Wang, Keyou Mao, Subrahmanyam Thangirala, Philip J. Maziarz

VIII.1. Introduction 255
VIII.2. Microstructure 255
VIII.3. Tensile testing and characterization 258
VIII.4. Creep testing and characterization 262
VIII.5. Environmental effect on creep tests 266
VIII.6. Low-cycle fatigue and creep fatigue tests 267
VIII.7. Summary and perspective 268
Literature 268

CHAPTER IX
Computer modeling – ProCAST® approach 271
Andriy Burbelko, Tomasz Wiktor, Daniel Gurgul, Robert M. Purgert, Jerzy J. Sobczak

IX.1. Preparation of simulation tasks 272
IX.2. Hot spots and choice of casting position 275
IX.3. Analysis of gating system and pouring 278
IX.4. Development of feeding system and chill system 282
IX.5. Correction of technological scheme. 285
IX.6. Final version 288
IX.7. Technical description of final version 290
Literature 294

CHAPTER X
Computer modeling – MagmaSoft® approach 295
Janusz Lelito, Paweł Żak, Michał Szucki, Robert M. Purgert, Jerzy J. Sobczak

X.1. Initial and boundary conditions 298
X.2. Simulation of casting-solidification process 298
X.3. Simulation of pouring and solidification process 301
X.4. Final conclusions 309

CHAPTER XI
Current achievements in Haynes 282 large-scale casting 311
Robert M. Purgert, Subrahmanyam Thangirala

XI.1. Casting the valve body casing 312
XI.2. Experimental procedure Haynes 282 nozzle carrier casting 333
XI.2.1. Stage 1 – molding and refractory coating trial 334
XI.2.2. Stage 2 – first pour of full-scale nozzle carrier casting 339
XI.2.3. Stage 3 – Haynes 282 nozzle carrier casting final pour 346
Literature 356
Appendix A 357
Appendix B 365
Appendix C 367

SUPPLEMENT 371
Zenon Pirowski
Information materials of manufacturers and suppliers of relevant products (public domains) 450
 

Spis treści
Cena
0,00 zł