Основы проектирования химических производств

ВИДЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструкционные материалы, используемые в химическом маши - ностроении, условно делятся на четыре класса:

— стали;

— чугуны;

— 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 16523—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), полуспокойными (пс) непо­койными (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.

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.

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, вязкость, 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 входят 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.

Существенное значение для улучшения качества стали имеет хими­ко-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения се 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 800-5-1000 °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 лом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8-М),9% находится в связанном состоянии в виде цемен­тита (карбида железа — РеС). 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 (КЧ) 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.

17-4240

Широкое применение в химическом машиностроении имеют ле­гированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и лр.

По суммарному содержанию легирующих добавок чугупы делят на три группы:

— низколегированные — легирующих добавок до 3%;

— среднелегированные — легирующих добавок о г 3 до 10%;

— высоколегированные — 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. 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 ог дальнейшего окисления. Механические свойства алю­миния в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются 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), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с 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 поде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и темперагурах. 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.

Никедьхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окисли­тельных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и же­леза стойкие в неокислитсльных средах. Никель-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—10 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 фенолфор - мальдегидной смолой, или графитопласт, — прессованная пластмасса на основе фснолформальдегидной 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. Кера - мические 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 и давлении до 0,6 МПа.

Асбовинил — 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 СС 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 — фенол - форматьдегидными, 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 дниш башенного оборудования сернокислотного производства, дня изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 °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 физико-механи­ческими свойствами и широко используются в качестве конструкци­онных теплоизоляционных и футеровочных материалов.