ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Виды конструкционных материалов

Конструкционные материалы, используемые в химическом маши­ностроении, условно делятся на четыре класса:

• стали;

• чу гуны;

• цветные металлы и сплавы;

• неметаллические материалы.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, со­держание которого не превышает 1...2%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.

Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

• углеродистые обыкновенного качества;

• углеродистые конструкционные;

• легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в за­висимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ L6523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий -1,2, 3, 4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий из­готавливают кипящими (кп), полу спокойными (пс) и спокойными (сп).

В табл. 12.1 приведены примеры использования углеродистой ста­ли обыкновенного качества в химическом машиностроении.

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значитель­но повышаются после термической обработки, которая для проката мо­жет выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.

Таблица 12.1

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок СтЗ, СтЗкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком 15...26 % относительном удлинении.

Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, Юкп, Юпс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

Таблица 12.2

В табл. 12.2 приведены примеры использования углеродистой кон­струкционной стали в химическом машиностроении.

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаро­стойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

• хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и кор­розионную стойкость, термостойкость;

• никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;

• вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее са­мозакаливание ;

• молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении вязкости, улучшает свариваемость;

• марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозион­ную стойкость, понижает теплопроводность;

• кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы теку­чести и упругости, кислотостойкость;

• ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при рас­тяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стой­кость к водородной коррозии;

• титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (>800 °С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входит несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

• низколегированные - с содержанием добавок до 3 %;

• среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10 %;

• высоколегированные - с содержанием добавок > 10 %.

В табл. 12.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.

Таблица 12.3

Существенное значение для улучшения качества стали имеет хи­мико-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности ста­ли различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.

К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:

• цементация - процесс насыщения поверхностного слоя угле­родом, что улучшает его прочность и твердость;

• азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азо­том, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной кор­розии;

• алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхно­стного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при тем­пературах 800... 1000 °С;

• хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при вы­соких температурах.

Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в про­цессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака. Тол­щина слоя при этом увеличивается до 1...2 мм и более, возрастает его твердость.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углеро­да и других металлургических добавок кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7 %, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8... 0,9 % находится в связанном состоянии в виде цемен­тита (карбида железа - FeC). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен.

По микроструктуре различают:

• чугун серый, в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;

• чугун белый, в структуре которого углерод выделяется в свя­занном состоянии;

• чугун отбеленный, в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;

• чугун половинчатый, в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и ме­таллических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигура­ции, которые невозможно получить другими методами, например ков­кой или резанием.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими ме­ханическими свойствами.

Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагре­том состоянии невозможна.

Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое ха­рактеризует предел прочности на растяжение, второе - предел прочно­сти на изгиб, например СЧ 12-28, СЧ 18-36 и др.

Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3... 10 %). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высо­копрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.

Широкое применение в химическом машиностроении имеют ле­гированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др. По суммарному со­держанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:

• низколегированные - сумма легирующих добавок до 3 %;

• среднелегированные - сумма легирующих добавок от 3 до 10 %;

• высоколегированные - сумма легирующих добавок более 10%.

Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и

придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, мо­либдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5... 6 %) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30 % Сг) устойчивы к действию азот­ной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чу­гун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо противостоит дей­ствию соляной кислоты.

Цветные металлы и их сплавы. Применяют для изготовления ма­шин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрес­сивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, ни­кель, свинец, титан, тантал и их сплавы.

Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органиче­ских кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной ки­слоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образова­нием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в зна­чительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 до 200 °С значение допускаемого напряжения на рас­тяжение снижается в 3...3,5 раза, а на сжатие - в 5 раз. Верхняя пре­дельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.

Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при ком­натной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и удар­ную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое при­менение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно ус­тойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свин­цом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распро­страненными являются сплавы меди с цинком (латуни), оловом (брон­зы), никелем (ЛАН), железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10 % цинка - томпак; до 20 % - полутомпак; более 20 % - константаны, ман­ганины и др.).

Свинец. Обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, осо­бенно к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности за­щитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мяг­кость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использовани­ем свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свин­цовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).

Никель. Обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к дейст­вию азотной кислоты. Широко применяется в различных отраслях тех­ники, главным образом для получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы об­ладают улучшенными механическими свойствами и повышенной корро­зионной стойкостью.

Никелъхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислительных средах. Никелево-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к дей­ствию соляной кислоты.

Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитра­тов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8... L0 раз дороже изделий из хромоникеле­вых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей со­ляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Од­нако не обладает стойкостью к действию щелочей.

Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоко­легированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Неметаллические конструкционные материалы. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных мате­риалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.

Фторопласт (тефлон). Элементы конструкций из фторсодержа­щих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех аг­рессивных средах в широком интервале температур.

Углеграфитовые материалы - графит, пропитанный фенолфор­мальдегидной смолой, или графитопласт - прессованная пластмасса на основе фенолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Об­ладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.

Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промыш­ленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур (от -15 до +250 °С) при давлениях до 0,6 МПа.

Керамика. Выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов ба­шенного типа, например в производстве серной кислоты. Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из ки­слотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.

Фарфор. Обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за ис­ключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фар­фор используется в качестве конструкционного материала в производст­вах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.

Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой ус­тойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключе­нием азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в ин­тервале температур 0.. .40 °С при давлении до 0,6 МПа.

Асбоеинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обла­дающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства ки­слот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 °С.

Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стой­кие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:

• полиэтилен - температура от -60 до +60 °С, давление до 1 МПа;

• полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до 0,07 МПа.

Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и дав­лении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том чис­ле серной (концентрацией до 50 %), соляной (всех концентраций), ук­сусной, муравьиной (до 50 %), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.

Текстолит по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30 %), соляной (до 20 %), фос­форной (до 25 %), уксусной (всех концентраций). Верхний температур­ный предел применения текстолита 80 °С.

Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки ка­менноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенол­формальдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др.

Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопровод­ной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически актив­ных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксус­ной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.

Жаропрочный кислотостойкий бетон применяется для бетони­рования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900... L200 °С. В последнее время находят применение поли­мербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.

Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит. Обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к дейст­вию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико­механическими свойствами и широко используются в качестве конст­рукционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.