Види конструкційних матеріалів

Конструкційні матеріали, використовувані в хімічному махай - ностроеніі, умовно діляться на чотири класи:

- кольорові метали і сплави;

Стали. Сталь являє собою сплав заліза з вуглецем, содер-жание якого не перевищує 1-2%. Крім того, до складу стали входять домішки кремнію, марганцю, а також сірки і фосфору.

Стали за хімічним складом поділяються на кілька груп:

- вуглецеві звичайної якості;

- леговані конструкційні та ін.

Таблиця 12.1. Вуглецева сталь звичайна

У табл. 12.1 наведені приклади використання вуглецевої сталі звичайної якості в хімічному машинобудуванні.

Властивості вуглецевої сталі звичайної якості значною але підвищуються після термічної обробки, яка для прокату може виражатися в його загартуванню або безпосередньо після прокату, або після спеціального нагріву.

Наприклад, термічне зміцнення листового прокату зі сталі марок СтЗ, СтЗкп при охолодженні у воді підвищує межа плинності більш ніж в 1,5 рази при високому (15 + 26%) відносному подовженні.

Термічна обробка низьковуглецевих сталей не тільки послабшають шает механічні властивості сталей, а й приносить значний еко-номический ефект.

Сталі конструкційні випускаються по ГОСТ 1050-74 наступних марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30,40,45, 55, 58 і 60. У завісімос-ти від ступеня розкислення по ГОСТ 1050-88 випускаються наступні марки стали : 05кп, 08кп, 08пс, Юкп, юпс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп і 20пс.

У табл. 12.2 наведені приклади використання вуглецевої конструкційної сталі в хімічному машинобудуванні.

Таблиця 12.2. Вуглецева сталь конструкційна

08кп, 08пс, 08, Юкп, юпс, 10, ИКЛ

Патрубки, днища, випарники, конденсатори, трубні решітки, трубні пучки, змійовики та інші деталі, працюю-щие під тиском при температурах від -40 до +425 "З

15кп, 15пс, 15, 20 км, 18кп, 20пс, 20, 25

Патрубки, штуцери, болти, трубні пучки, корпуси апаратів і інші деталі апаратів в котлотурбостроеніі та хі-зації машинобудуванні, що працюють під тиском при температурах від -40 до +425 "З, з киплячою стали - від -20 до +425 ° З

Патрубки, трубні пучки і решітки, змійовики і штуцера, що працюють при температурах до -70 "С під тиском

Для поліпшення фізико-механічних характеристик сталей і надання їм особливих властивостей (жаропрочность, кислотостійкість, жа-ростойкость і ін.) В їх склад вводять певні легуючі добавки.

Найбільш поширені легуючі добавки:

- хром (X) - підвищує твердість, міцність, хімічну і кор-розіонную стійкість, термостійкість;

- нікель (Н) - підвищує міцність, пластичність і в'язкість;

- вольфрам (В) - підвищує твердість сталі, забезпечує її са-мозакаліваніе;

- молібден (М) - підвищує твердість, межа плинності при розтягуванні, в'язкість, покращує зварюваність;

- марганець (Г) - підвищує твердість, збільшує корозійну стійкість, знижує теплопровідність;

- кремній (С) - підвищує твердість, міцність, межі теку-честі і пружності, кислотостійкість;

- ванадій (Ф) - підвищує твердість, межа плинності при рас-тяженіі, в'язкість, покращує зварюваність сталі і збільшує стій-кість до водневої корозії;

- титан (Т) - збільшує міцність і підвищує корозійну стійкість сталі при високих (> 800 ° С) температурах.

Зазвичай до складу легованих сталей входять кілька добавок. За загальним змістом легуючих добавок леговані стали ділять на три групи:

У табл. 12.3 наведені приклади використання легованих сталей в хімічному машинобудуванні.

Таблиця 12.3. Леговані конструкційні стали

Молочна, мурашина кислоти при температурі до 20 "С. Їдке калі концентрації до 68% при температурі 120 ВС. Азотна кислота концентрації 100% при температурі 70 "С. Соляна кислота, сухий йод концентрації до 10% при температурі до 20 ° С

Суттєве значення для поліпшення якості стали має хі-ко-термічна обробка, т. Е. Процес насичення поверхні стали різними елементами з метою зміцнення се поверхневого шару, збільшення поверхневої твердості, жаростійкості і хімічної стійкості.

До основних видів хіміко-термічної обробки виробів зі сталі відносяться:

- цементація - процес насичення поверхневого шару углер-будинок, що покращує його міцність і твердість;

- азотування - процес насичення поверхневого шару азо-том, що підвищує стійкість виробів до стирання і атмосферної корозії;

- алитирование - процес дифузійного насичення поверх-ностного шару алюмінієм, що підвищує стійкість до окислення при температурах 800-5-1000 ° С;

- хромування - поверхневе насичення виробів хромом, що значно підвищує твердість, зносостійкість і корозійно-ву стійкість у воді, азотній кислоті, атмосфері і газових середовищах при високих температурах.

Подальше поліпшення якості хіміко-термічної обробки сталей розвивається за двома напрямками: насичення диффузионно-го шару азотом і зміцнення деталей термоциклической обробкою в процесі насичення. Основою нових технологічних процесів ста-ла нитроцементация із ступінчастим зростанням витрат аміаку.

Товщина шару при цьому збільшується до 1-2 мм і більше, зростає його твердість.

- чавун сірий - в структурі якого вуглець виділяється у вигляді пластинчастого або кулястого графіту;

- чавун білий - в структурі якого вуглець виділяється в свя-занном стані;

- чавун вибілений - в виливках якого зовнішній шар має структуру білого чавуну, а серцевина - структуру сірого чавуну;

- чавун половинчастий - в структурі якого вуглець виділяється частково в зв'язаному, а частково в вільному вигляді.

Деталі з чавуну виготовляють методом лиття в земляних і ме-левих формах. З чавуну отримують деталі складної конфігу-рації, які неможливо отримати іншими методами, наприклад, куванням або різанням.

Сірий чавун є цінним конструкційним матеріалом, так як, маючи порівняно низьку вартість, він має непогані механічними властивостями.

Істотним недоліком сірих чавунів є їх низька пластичність. Тому кування і штампування сірого чавуну навіть в нагре-тому стані неможлива.

Марки сірих чавунів (СЧ) зазвичай містять два числа: перше характеризує межу міцності на розтяг, друге - межа міцності на вигин, наприклад, СЧ 12-28; СЧ 18-36 і ін.

Сірі чавуни мають низьку хімічну стійкість, і деталі з них не можуть працювати в агресивних середовищах.

Для підвищення якості чавуну його модифікують різними модифікаторами, які впливають на процеси кристалізації рідкого чавуну, змінюючи його механічні властивості.

Широке застосування в хімічному машинобудуванні мають ле-гірованного чавуни, до складу яких входять легуючі елементи: нікель, хром, молібден, ванадій, титан, бор і лр.

За сумарним вмістом легуючих добавок чугупи ділять на три групи:

- низьколеговані - легуючих добавок до 3%;

- середньолеговані - легуючих добавок о г 3 до 10%;

- високолеговані - легуючих добавок більше 10%.

Легування дозволяє істотно поліпшити якість чавуну і

Надати йому особливі властивості. Наприклад, введення нікелю, хрому, мо-ЛІБС, кремнію підвищує хімічну стійкість і жароміцність чавуну; нікелеві чавуни з добавкою міді (5-6%) надійно працюють з лугами; високохромние (до 30% Сг) стійкі до дії азот-ною, фосфорної і оцтової кислот, а також хлористих сполук; чавун з добавкою молібдену до 4% (антихлор) добре протистоїть дії соляної кислоти.

Кольорові метали та їх сплави. Кольорові метали та їх сплави при-міняють для виготовлення машин і апаратів, що працюють із середовищами середньої і підвищеної агресивності і при низьких температурах. У хімічній промисловості в якості конструкційних мате-ріалів використовуються алюміній, мідь, нікель, свинець, титан, тантал і їх сплави.

Алюміній. Має високу стійкість до дії органічних кислот, концентрованої азотної кислоти, розведеної сірчаної кислоти, порівняно стійкий до дії сухого хлору і соляної кислоти. Висока корозійна стійкість металу обумовлена ​​обра-ням на його поверхні захисної оксидної плівки, предохра-няющих його ог подальшого окислення. Механічні властивості алю-Мінія в значній мірі залежать від температури. Наприклад, при збільшенні температури від 30 ° С до 200 ° С значення допустимої напруги на розтягнення знижуються в 3-3,5 рази, а на стиск - в

5 разів. Верхня гранична температура застосування алюмінію 200 ° С. Алюміній не стійкий до дії лугів.

Мідь. Взаємодія міді з киснем починається при кімнат-ної температурі і різко зростає при нагріванні з утворенням плівки закису міді (червоного кольору). Мідь зберігає міцність і ударну в'язкість при низьких температурах і тому знайшла широке застосування в техніці глибокого холоду. Мідь не володіє стійкістю до дії азотної кислоти і гарячої сірчаної кислоти, щодо стійка до дії органічних кислот. Широке поширення набули сплави міді з іншими компонентами: оловом, цинком, свинцем, нікелем, алюмінієм, марганцем, золотом і ін. Найбільш поширеними є сплави міді з цинком (латуні), з оловом (бронзи), з нікелем (ЛАН), з залізом і марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинку - томпак; до 20% - полутомпакі, більше 20% - константан, манганін і ін.).

Свинець - має порівняно високу кислотостійкість, осо-бенно, до сірчаної кислоти, внаслідок утворення на його поверхні захисної плівки з сірчанокислого свинцю. Виключно висока м'якість, легкоплавкость і велику питому вагу різко обме-ють застосування свинцю як конструкційний матеріал. Однак широке застосування в машинобудуванні знайшли сплави із використанням користуванням свинцю в якості легуючого компонента: свинцева бронза, свинцева латунь, свинцевий бабіт (свинець, олово, мідь, сурма).

Нікель - має високу корозійну стійкість в поді, в розчинах солей і лугів при різних концентраціях і темперагурах. Повільно розчиняється в соляній і сірчаній кислотах, не стійкий до дію-вию азотної кислоти. Широко застосовується в різних галузях тих-ники, головним чином для отримання жароміцних сплавів і сплавів з особливими фізико-хімічними властивостями. Нікель-мідних сплавів мають поліпшені механічні властивості і пови-шенной корозійну стійкість.

Нікедьхромсодержащіе жароміцні сплави. Нікелеві сплави, леговані хромом і вольфрамом, є стійкими в окисли-них середовищах. Нікелеві сплави з добавкою міді, молібдену і ж-леза стійкі в неокіслітсльних середовищах. Нікель-мідних сплавів з додаванням кремнію стійкі в гарячих розчинах сірчаної кислоти, а сплави нікелю з молібденом володіють підвищеною стійкістю до дії соляної кислоти.

Титан і тантал. Титан хімічно стійкий до дії киплячої азот-ною кислоти і царської горілки всіх концентрацій, нітритів, нітратів, сульфідів, органічних кислот, фосфорної і хромової кислот. Однак вироби з титану в 8-10 разів дорожче виробів з хромонікеле-вих сталей, тому застосування титану як конструкційний матеріал обмежена. Тантал хімічно стійкий до дії киплячої соляної кислоти, царської горілки, азотної, сірчаної, фосфорної кислот. Однак не має стійкість до дії лугів.

Титан і тантал за механічними властивостями не поступаються високолег-гірованного сталей, а по хімічній стійкості набагато перевершують їх. Ці цінні метали знаходять широке застосування в хімічному машинобудуванні як в чистому вигляді, так і у вигляді сплавів.

Неметалеві конструкційні матеріали. Застосування в хі-зації машинобудуванні неметалевих конструкційних матері-теріалів дозволяє економити дорогі і дефіцитні метали.

Фторопласт (тефлон) - елементи конструкцій з фторсодер-службовців полімерів мають високу стійкість практично у всіх агресивних середовищах в широкому інтервалі температур.

графіт, просочений фенолфор - мальдегідной смолою, або графітопласт, - пресована пластмаса на основі фснолформальдегідной смоли з графітовим наповнювачем. Мають високу корозійну стійкість в кислих і лужних середовищах.

Скло та емалі. Скло застосовується як конструкційний матеріал в виробництвах особливо чистих речовин. Емалі - спеці-альні силікатні скла, що володіють хорошою адгезією з металом. Промисловістю випускаються чавунні і сталеві емалюють-ванні апарати, що працюють в широкому інтервалі температур від -15 до +250 ° С при тисках до 0,6 МПа.

Кераміка - випускається кислототривкий цегла для футерування хімічного обладнання, великоблочна кераміка для апаратів баштового типу, наприклад, у виробництві сірчаної кислоти. Кера - вів економічні матеріали мають високу стійкість до багатьох агресивних середовищ, виняток становлять лужні середовища. Труба-проводи з кислотостійкої кераміки широко застосовують для транс-портування сірчаної та соляної кислот.

Фарфор - має високу стійкість до всіх кислот, за винятком плавикової. Недостатньо стійкий до дії лугів. Фарфор використовується як конструкційний матеріал в про-виробництвах, де до чистоти продуктів пред'являються підвищені вимоги.

Вініпласт - термопластичная маса, що володіє високою устої-тична майже у всіх кислотах, лугах і розчинах, за исключени третьому азотної і олеума. Деталі з вініпласту надійно працюють в інтер-валі температур 0-40 ° С і тиску до 0,6 МПа.

Асбовініл - композиція з кислотостойкого азбесту і лаку, обла-дає порівняно високою стійкістю до дії більшості кислот і лугів в інтервалі температур від -50 до + 110 ° С.

Поліетилен, поліпропілен - термопластичні матеріали, стійкі до дії мінеральних кислот і лугів при умовах:

- поліетилен - температура від -60 до +60 "С, тиск до 1 МПа;

- поліпропілен - температура від -10 до + 100 ° С, тиск до

Фаоліт - кислотостійка пластмаса з наповнювачами: азбест, графіт, кварцовий пісок. Використовують при температурі до 140 СС і давши-лення до 0,06 МПа. Фаоліт стійкий до дії багатьох кислот, в тому чис-ле сірчаної (концентрацією до 50%), соляної (всіх концентрацій), оцтової, мурашиної (до 50%), фосфорної, а також бензолу, але не стійкий в розчинах лугів і окисників.

Текстоліт - по механічної міцності перевершує фаоліт і відрізняється високою стійкістю до агресивних середовищ, в тому числі до кислот - сірчаної (концентрацією до 30%), соляної (до 20%),

Фосфорної (до 25%), оцтової (всіх концентрацій). Верхній темпе-ратурний межа застосування текстоліту 80 ° С.

Просочений графіт - графіт, отриманий після прокалкі ка-менноугольной смоли і просочений сполучними смолами - фенол - форматьдегіднимі, кремнеорганічною, епоксидними і ін.

У результаті хорошою теплопровідності просоченого графіту його широко застосовують для виготовлення теплообмінників і трубопро-водної арматури. Просочений графіт стійок в багатьох хімічно активних середовищах, в тому числі в кислотах - азотної (низькою концент-рації), плавиковою (концентрацією до 40%), сірчаної (до 50%), солячи-ної, оцтової, мурашиної, фосфорної. Деякі сорти просочений-ного графіту стійки до дії лугів.

Жароміцний кислотостойкий бетон - застосовується для бетонують-вання дніше баштового обладнання сірчанокислотного виробництва, дня виготовлення фундаментів під обладнання. Надійно працює в умовах 900-1200 ° С. Останнім часом знаходять застосування полі-мербетони на основі органічних смол, які мають високу стійкість до дії концентрованих кислот, лугів, бен-зола, толуолу і фторсодержащих середовищ.

Природні силікатні матеріали: діабаз, базальт, азбест, хризотил, андезит мають високу кислотостійкість, виняток становить хризотил, який не стійкий в кислотах, але стійкий до дію-вию лугів. Всі ці матеріали мають гарні фізико-механічні-востями і широко використовуються в якості конструкци-ційних теплоізоляційних і футеровочних матеріалів.