Конструкционные материалы химического машиностроения.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ.

Данный раздел традиционно обязателен для курсов «Специальное технологическое оборудование», читаемых инженерам-химикам. Причины очевидны. Поскольку оборудование изготавливают из определённых материалов, постольку свойства этих последних определяют возможности техники.

Наверное, едва ли найдётся иная область машиностроения, потребляющая такое разнообразие конструкционных материалов, и при этом предъявляющая к ним столь разнообразные, противоречивые и жёсткие требования, - как химическое машиностроение. Здесь: высокая прочность - и пластичность; высокая теплопроводность - и теплоизоляционные свойства; возможность применения различных методов (механических, термических, электрических, химических, диффузионых, иррадиационных) обработки и формования - и высокая устойчивость химической структуры материалов в процессах обработки. Наиболее жёсткие требования предъявляются к коррозионной стойкости материалов в плане не только обеспечения надёжности и долговечности самого оборудования, но и предупреждении негативного действия продуктов коррозии на качество продукции.

Химическое машиностроение использует очень многие виды конструкционных материалов.

1. Металлы группы железа и их сплавы между собой и с другими элементами.

2. Медь и её сплавы.

3. Алюминий и его сплавы.

4. Титан, тантал, ниобий, цирконий, вольфрам и их сплавы.

5. Стекло, фарфор, полиоксидные керамики.

6. Полимеризационные пластмассы, каучуки и резины, углепластики.

7. Композиционные, наполненные и тканые материалы

ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Железо – двадцать шестой элемент Периодической Системы; 4 период; IV ряд; VIII группа. Электронная формула атома 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Является d-элементом с неполным заполнением подуровня.

Довольно твёрдый серебристо-белый металл. Плотность 7860 кг/м³. Существует в трёх аллотропных формах: α-

железо; γ-железо; δ-железо.

Рисунок 2 Пассивирующее действие добавок хрома на окисление железа в стали

 

В соответствии с этим коррозионностойкие стали делят на три класса: низколегированные (НЛС), среднелегиро-

ванные (СЛС), высоколегированные (ВЛС) (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация коррозионностойких сталей

Наименование	Массовая доля легирующих добавок, %
Низколегированные	менее 2
Среднелегированные	свыше 2 до 10
Высоколегированные	свыше 10 до 60

 

Обозначение легирующих элементов: Х –хром; Н – никель; Т – титан; М – молибден; Г – марганец; Ю – алюминий; Ф - вольфрам; С – кремний; Д – медь; Б – ниобий; А – азот.

Маркировка легированных сталей включает буквенное обозначение элемента и цифровое указание его массовой доли в %. Массовая доля углерода в таких сталях не превышает 0,12 %; углерод буквой не обозначают.

Пример маркировки:

10Х18Н10Т

| | | |__________________________ титан - < 2%

| | |_____________________________ никель – 10 %

| |_________________________________ хром - 18 %

|__________________________________ углерод – 0,10 %

 

НЛС ферромагнитны; коррозионностойкие ВЛС, как правило, парамагнитны или диамагнитны. Плотность и теплоёмкость их несколько выше, чем у чугунов и углеродистых сталей – (7900…7980) кг/м³; теплопроводность значительно ниже – (8…20) Вт/(м.К). Легированные стали, как правило, отличаются большей прочностью, твёрдостью и вязкостью, чем углеродистые (кроме броневых) – 6-8 баллов по шкале Мооса. Поэтому они сложнее поддаются термической и механической обработке и хуже поддаются литью (за исключением некоторых марок). Сварка (ЛС свариваются друг с другом, углеродистыми сталями, другими железосодержащими сплавами) требует специальных условий – лазерная или аргонно-дуговая, - в противном случае в сварных швах разрушается структура сплава и теряется коррозионная стойкость.

Для химического машиностроения наиболее важны аустенитные ВЛС: хромоникельтитановые - типа 10Х18Н10Т; хромоникельмолибденовые - типа 10Х17Н14ТМ2; хромоникельмарганцевые - типа 20Х13Н4Г9. На них приходится порядка 70 % всего потребления коррозионностойких сталей. Стали этого класса отличаются высокой устойчивостью к различным твёрдым, жидким и газообразным неорганическим и органическим реагентам (в том числе к их комбинированному действию) при температурах от (- 100) до (300…500) ^ОС [в некоторых случаях – до 1200 ^ОС]. Стойкость их соответствует классам “совершенно стойкий – высокостойкий”. Наиболее опасны для нержавеющих сталей молекулярные галогены (F₂; Cl₂; Br₂; J₂ - особенно в присутствии воды); в органических средах, особенно апротонных, опасен лишь фтор.

Высоколегированные коррозионностойкие стали – самый важный класс конструкционных материалов для химического машиностроения. Их них изготавливают все детали и узлы химического, нефтяного и пищевого оборудования, контактирующие со средой - разнообразные сосуды; корпуса, мешалки, теплообменные и статические внутренние устройства реакторов-котлов; колонные аппараты; теплообменники всех конструкций; фильтры; корпуса и роторы центрифуг и жидкостных сепараторов; рабочие органы насосов, газодувок и компрессоров; трубы и трубные детали; рабочие части трубопроводной арматуры; защитные узлы для устройств КИПСА.

Высокая прочность ЛС позволяет существенно уменьшать массу оборудования при равных технических характеристиках.

 

НИКЕЛЬ, КОБАЛЬТ И ИХ СПЛАВЫ

Никель и кобальт – элементы подгруппы железа. По свойствам они сходны с железом, однако имеют и ряд существенных отличий. Плотность их (около 8900 кг/м³) существенно выше плотности железа, чугунов и сталей [(7700…7900) кг/м³]. Оба металла также прочнее и твёрже, чем железо. Оба отличаются меньшей химической активностью и большей коррозионной стойкостью; особо ценное их качество – довольно высокая стойкость к газовой коррозии. Кроме того, оба элемента и их соединения высокотоксичны. Оба металла также значительно дороже железа и его сплавов.

Основное их использование – антикоррозионные наружные покрытия на изделия из железа и углеродистых сталей, наносимые электрохимически. Кроме того, из никеля и кобальта изготовляют детали и узлы пар скольжения и уплотнений. Особое значение имеют сплавы никеля и кобальта с железом – инвар, коинвар, маллой, пермаллой, супермаллой. Эти сплавы имеют высокие магнитные свойства и применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств.

 

МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ

Медь – двадцать девятый элемент Периодической Системы. Один из двух окрашенных металлов. Мягкий металл. Плотность 8910 кг/м³. Отличается высокой тепло- и электропроводностью; диамагнитна. Хорошо поддаётся термомеханической обработке, литью, пайке и сварке.

Стандартный потенциал основной реакции окисления меди U₀ (Cu⁰ Cu²⁺) = 0,34 В. Медь достаточно устойчива к действию воды и разбавленных водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчива в растворах аммиака и аминов (особенно алифатических). Также неустойчива к окислителям (азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, растворам бихроматов).

Медь как чистый металл в химическом машиностроении применяется для изготовления электроведущих деталей (провода, шины, электроды электрохимических реакторов); деталей и узлов пар скольжения и деталей уплотнений (вкладышей, гильз, колец, шайб) в аппаратуре высоких давлений и глубокого вакуума.

Большое значение имеют сплавы меди: латуни и бронзы.

Латуни. Сплавы меди, содержащие цинк (до 45 %).Кроме цинка, латуни легируют добавками Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr.

Бронзы. Любые сплавы меди, не содержащие цинка. Бронзы легируют добавками Sn, Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr, Ве.

 

Маркировка

Латуни. ЛАЖ 60-1-1 Бронзы. БрАЖН 10-4-4

| | | | | |____ (1…2) % Fe | | | | | | |____ (3,5…5,5) % Ni

| | | | |______(1…2) % Al | | | | | |______(3,5…5,5) % Fe

| | | |_________(59…61) % Cu | | | | |_________(9…11) % Al

| | |____________ железо | | | |____________ никель

| |_____________ алюминий | | |_____________ железо

|_______________ латунь | |_______________ алюминий

|__________________ бронза

 

Латуни и бронзы по коррозионной стойкости не уступают или превосходят медь (особенно по отношению к атмосферной коррозии). По механическим свойствам, как правило, превосходят медь. Наибольшей стойкостью отличаются алюминиево-бериллиевые бронзы. Применяются для изготовления труб, корпусов и внутренних деталей трубопроводной арматуры, уплотнительных деталей аппаратуры, теплообменных аппаратов, деталей КИПСА.

 

СВИНЕЦ

Восемьдесят второй элемент Периодической Системы. Мягкий белый металл. Плотность 11344 кг/м³. Свинец и все его соединения высокотоксичны. Стандартный потенциал основной реакции окисления свинца U₀ (Pb⁰ Pb²⁺) = - 0,126 В. Стойкость свинца определяется образованием оксидных плёнок. Малостоек в растворах окисляющих, а также низших органических кислот. Достоинство свинца – стойкость в электрохимических процессах и стойкость к фторидам. Особое значение имеет сплав свинца с (6…12) % олова – гартблей («твёрдый свинец»). Применяется – ограниченно - в виде листов для наложения - плакирования рабочих поверхностей аппаратуры сернокислотного производства; процессов сульфирования, фторирования; а также для изготовления деталей насосов, арматуры и электродов. Верхний температурный предел для оборудования со свинцовыми покрытиями – 120 ⁰С.

 

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Тринадцатый элемент Периодической Системы. Самый распространённый из металлов – 7,4 % в земной коре; присутствует в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов. [ Кристаллический оксид - Al₂O₃ – корунд – второй по твёрдости минерал после алмаза (9 баллов по шкале Мооса)]. Тип кристаллической решётки – ОГЦ. Мягкий белый пластичный лёгкий металл. Плотность ρ²⁰=2702 кг/м³. Температура плавления Т_ПЛ = 660 ⁰С. Отличается высокой теплопроводностью (λ =188 Вт/м.К) и электропроводностью [σ= (1,6…2,6).10⁷ Сн/м). Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999999 %). Алюминий и его соединения малотоксичны. Стандартный потенциал основной реакции окисления алюминия U₀ (Al⁰ Al³⁺) = - 1,66 В. Стойкость алюминия определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH₃, H₂S. Малостоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также щелочей.

Достоинство алюминия – лёгкость; существенный недостаток – низкая прочность. В технике, в т.ч. – химическом машиностроении большое значение имеют сплавы с кремнием, медью, магнием, марганцем, хромом, железом –

силумины, дюралимины, магналины. Дюралюмины имеют высокие прочностные свойства, но низкую стойкость; изделия из них защищают плакированием чистым алюминием. Силумины отличаются хорошей стойкостью к окислительным нейтральным и кислым средам, а также к газовой коррозии. Магналины имеют наилучшие из сплавов алюминия свойства. Особенность всех сплавов алюминия – нестойкость к контактной электрохимической коррозии –

особенно в парах со сплавами меди и железа.

Таблица 2 – Сплавы на основе алюминия

Наименование	Марки	Массовые доли легирующих добавок, %
Si	Cu	Mn	Mg	Cr, Ti	Fe
Алюминий	АВ, АД	<1,5 - в сумме
Дюралюмины	Д1-Д6	-	2…7	0,4…1,8	0,3…0,9	-	-
Силумины	АЛ1-АЛ7	0,8…13,0	0,2…4,5	-	0,5…13,0	-	-
Магналины	АМгМц, Амгб	-	-	<1	4,0…12,0	0,1	<0,25

 

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления реакторов, кристаллизаторов, сосудов, фильтров, теплооб

менников, дистилляционных и ректификационных аппаратов и труб, работающих под давлением до 0,6 МПа.

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Двадцать второй элемент Периодической Системы. Четвёртый по распространённости из металлов – 0,58 % в земной коре. Присутствует всегда вместе с другими элементами в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов в т.н полиметаллических рудах; относится к рассеянным элементам. Тип кристаллической решётки – ОГЦ. Твёрдый белый с синеватым отливом лёгкий металл [(7…8) баллов по шкале Мооса].. Плотность ρ²⁰=4550 кг/м³. Температура плавления t_ПЛ = 1725 ⁰С. Отличается умеренной теплопроводностью [λ²⁰ = (7…18) Вт/м.К] и электропроводностью [σ= (1,6…2,6).10⁷ См/м).

Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999 %). Тугоплавкость титана делает производство весьма энергоёмким и дорогим. Титан и его соединения малотоксичны.

Титан и его сплавы весьма прочны и тверды [6-8 баллов]. Поддаются всем основным видам термомеханической обработки: ковке, прокату, штамповке, резанию, сварке, обработке методами порошковой металлургии.

Стандартный потенциал основной реакции окисления титана U₀ (Ti⁰ Ti²⁺) = - 1,63 В. Стойкость титана определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Титан легируют добавками Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu, Pd, Pt. Титан устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH₃, H₂S; а также в растворах едкого натра и едкого кали при массовой доле до 20 %. Менее стоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также крепких щелочей. Нестоек в растворах HF и HCl при температурах выше 50^ОС; присутствие окислителей - бихроматов, перманганатов – в среде повышает коррозионную стойкость титана. Титан исключительно стоек в морской воде и морской атмосфере. Легирование – особенно цирконием, молибденом и танталом - повышает коррозионную стойкость титановых сплавов в (2…200) раз. В некоторых органических средах титановые сплавы более стойки, чем даже стали класса Х18Н10Т.

Титан и его сплавы имеют три фундаментальных достоинства: лёгкость (в 1,7 раза легче стали); прочность и высокая стойкость. Титан и его сплавы наряду с коррозионностойкими сталями являются наиболее ценными конструкционными материалами для химического машиностроения. Из титановых материалов можно изготавливать практически любые рабочие детали, узлы и агрегаты любых машин и аппаратов химических производств.

Широкое использование титана сдерживается его дефицитностью и большим потреблением в военной технике, особенно судостроении. Важно отметить, что почти 90 % мировых запасов и около 80 % мирового производства титана приходится на Россию.

 

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Так в целом называют все материалы, существенным компонентом которых является двуокись кремния. В основном это полиминералы: полиоксиды; полисиликаты; силикаты-карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и железа.

Общими свойствами таких материалов являются высокая твёрдость [(6…8) баллов по шкале Мооса]; хрупкость (кроме асбеста); высокая химическая стойкость в большинстве сред (особенно кислых), кроме крепких щелочей, фтора и фторидов.

 

12.1. ПРИРОДНЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Граниты. Гетерогенные минералы; состоят из (70…75) % SiO₂; (13…15) % Al₂O₃; (7…10) % Na₂O, CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость 6 баллов по шкале Мооса. Термостойки до 250^ОС.

Бештауниты (от названия горы Бештау). Содержат (60…70) % SiO₂; (30…40) % Al₂O₃, Na₂O CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость 6 баллов по шкале Мооса. Термостойки до 800^ОС.

Андезиты. Содержат (59…62) % SiO₂; (30…40) % Al₂O₃, Na₂O CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость (3…4) балла по шкале Мооса. Термостойки до 200^ОС.

Гранитные блоки и плитку применяют для футеровки аппаратуры бромного и йодного производства, абсорберов азотной кислоты и HCl, а также других кислых газов. Из гранита вытачивают корпуса электрофольтров.

Бештауниты используют как футеровочный материал для аппаратуры, контактирующей с кислыми средами.

Андезиты также применяют для футеровки и как наполнитель в кислотостойких цементах и бетонах.

Асбест. Дигидрат силиката магния 3MgO.2 SiO₂.2H₂O. Уникальный по структуре и свойствам минерал. Имеет линейную структуру макромолекул. Термостоек до 1700 ⁰С. До недавнего времени являлся основным теплоизоляционным материалом для наружных поверхностей аппаратуры и трубопроводов; в настоящее время вследствие токсичности используется ограниченно.

12.2. ИСКУССТВЕННЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

12.2.1. КАМЕННОЕ ЛИТЬЁ.

Материал, получаемый сплавлением горных пород при (1400…1450) ^ОС. Сырьём служат – базальты, диабазы, шихта, металлургические шлаки. Например, плавленый диабаз содержит (47…48) % SiO₂; (15…16) % Al₂O₃; (15…16) % FeO+ Fe₂O₃; (2…4) % K₂O; (11…12) % CaO и (6…7) % MgO. Стоек к любым реагентам, кроме HF. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса; износостоек. Термостойки до 150^ОС.

Из диабаза и каменного литья делают футеровочные плитки и блоки, трубы, фасонные изделия, желоба, литые

царги абсорбционных колонн.

12.2.2. СТЕКЛО

Общее название материалов, получаемых сплавлением двуокиси кремния с оксидами щелочных. и щелочноземельных металлов, Al₂O₃, В₂O₃, оксидами переходных металлов. Стёкла аморфны – являются твёрдыми растворами. Отличительная особенность стёкол – прозрачность и хрупкость. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность (2100…2600) кг/м³. Электропроводны. В химической технике широко применяются стёкла, отличающиеся минимальным линейным расширением, стойкостью и тугоплавкостью.

Алюмоборосиликатные стекла.

Содержат (60…65) % SiO₂; (15…16) % Al₂O₃; (15…16) % В₂O₃; (1…2) % Na₂O; (11…12) % CaO и (6…7) % MgO, а также до 15 % оксидов Mo, V, W - и до 2% F.

Основной тип химически стойких стёкол. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность ρ=(2400…2600) кг/м³. Электропроводны. Теплопроводность λ=(0,9…1,1) Вт/м.К. Выдерживают нагрев до t=(450…1000) ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты (при t>150 ^ОС). Оптически изотропны и прозрачны в области λ>300 нм. Отличаются малым линейным расширением α=(0,5…1,2).10^-6 К^-1.

Кварцевое стекло.

Содержит (98…99,5) % SiO₂. Получают электротермическим плавлением наиболее чистого кварцевого песка при t=(1750…1800) ^OC. Плотность ρ=(2100…2150) кг/м³. Электропроводно. Теплопроводность λ=(1,2…1,4) Вт/м.К. Выдерживает длительный нагрев до t=(1100…1200) ^OC; кратковременный - до t=(1300…1400) ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250 ^ОС). Газонепроницаемо при температурах до t=1300 ^OC. Оптически прозрачны в области λ>180 нм. Отличаются наименьшим линейным расширением: α=(0,3…0,7).10^-6 К^-1.

Ситаллы.

Стеклокристаллические материалы, получаемые путём направленной кристаллизации стекольных расплавов. При использовании в качестве присадок минерализаторов получают технические ситаллы, при использовании металлургических шлаков – шлакоситаллы.

Благодаря кристаллической структуре превосходят обычные стёкла по прочности в среднем в 5 раз. Термостойки при температурах до t=1000 ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250 ^ОС).

Стёкла и ситаллы -исключительно ценные материалы для химической техники. Поддаются плавлению, литью, пайке, склеиванию. Из химически стойких стёкол и ситаллов изготавливают сосуды и реакторы вместимостью до 160 л, кристаллизаторы, фильтры, дистилляционые и ректификационные установки, трубы, арматуру, защитные гильзы для датчиков КИПСА; и даже подшипники скольжения. Аппаратура выдерживает давление до 1 МПа и температуру до t=(300…1000)^OC. Стеклянное оборудование прекрасно подходит для получения высокочистых продуктов и полностью соответствует требованиям GMP. Стекло, ситаллы и, особенно, кварц - исключительно важны для

изготовления фотохимических и СВЧ-реакторов.

12.2.3 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Фарфор

Низкопористый высокоплотный материал, получаемый из тонкой алюмосиликатной шихты спеканием и обжигом при t=(1300…1450) ^OC.

Содержит (60…67) % SiO₂; (20…22) % Al₂O₃; до 0,5 % Fe₂O₃; до 0,5 % CaO и (6…7) % MgO, а также до 5 % оксидов Mo, V, W - и до 2% F.

Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность ρ=(2200…2500) кг/м³. Электропроводен. Теплопроводность λ=(0,9…1,1) Вт/м.К. Выдерживают нагрев до t=(450…1300) ^OC; особо важна способность фарфора выдерживать перепады температур до 1000 ^OC. Один из наиболее химически стойкий материалов: стоек к любым реагентам, в том числе - HF, крепким щелочам при t≤150 ^ОС; газонепроницаем. Отличается малым линейным расширением α=(3…7).10^-7 К^-1.

Из фарфора изготавливают сосуды и реакторы вместимостью до 160 л, кристаллизаторы, фильтры, дистилляционные и ректификационные установки, трубы, арматуру, защитные гильзы для датчиков КИПСА; и даже подшипники скольжения. Аппаратура выдерживает давление до 1 МПа и температуру до t=(300…1000)^OC. Фарфоровое оборудование прекрасно подходит для получения высокочистых продуктов и соответствует требованиям GMP.

 

Кислотоупорная керамика.

Материалы, получаемые спеканием при t=(1300…1450) ^OC. Содержат (50…70) % SiO₂; (15…35) % Al₂O₃; (15…16) % Fe₂O₃; (1…2) % Na₂O; (0,5…2,5) % CaO. Подразделяют на высокопористую [(2..8) %]; среднепористую [(1…2) %] и низкопористую (плотную) [<1 %] керамику. Отличаются высокой термостойкостью и твёрдостью. Стойки к любым реагентам, кроме HF, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты. Недостаток – хрупкость и низкая термомеханическая прочность.

Керамики используют для изготовления труб; арматуры; защитных гильз; фильтрующих элементов; облицовочных плиток и кирпичей; диафрагм для электролизёров.

 

Кислотощёлочеупорные эмали.

Стеклообразные вещества, получаемые спеканием кварцевого песка, глин, мела, буры, соды, поташа при t=(1250…1300) ^OC. Содержат (55…65) % SiO₂; (15…35) % Al₂O₃; (5…6) % Fe₂O₃; (1…2) % Na₂O; (0,5…2,5) % CaO; (15…16) % В₂O₃; а также TiO₂.,ZrO₂, SnO_2, Cr₂ O₃.

Эмали отличаются высокой химической стойкостью в кислых, щелочных и окислительных средах при температурах до t=(300…350)^OC в жидкостях и до t=(600…700)^OC в газах. Основное назначение эмалей – нанесение защитных покрытий на металлические поверхности. Покрытия стойки на чугунной аппаратуре при температурах от (-30) до 300 ^OC; на стальной - от (-70) до 350 ^OC.

Эмалевые материалы разделяют на стеклокристаллические и стеклоэмалевые.

Стеклокристаллические имеют указанный выше состав и по структуре приближаются к ситаллам. Стеклоэмалевые получают спеканием стекла с металлическими порошками при температуре размягчения стекла – т.н. технология остекловывания. Стеклокристаллические эмали отличаются большей коррозионной стойкостью; стеклоэмалевые же в свою очередь имеют лучшие термомеханические свойства – выдерживают нагрев до 650 ^OC и

даже допускают производить сварку эмалированных деталей.

Огнеупоры

Один из видов пористых керамик, отличающихся повышенной термостойкостью. Существует несколько видов таких керамик: динасовые (кислые); полукислые; шамотные; тальковые – и т.д. Они различаются химическим составом, технологией изготовления и свойствами. Каждый вид огнеупоров предназначен для работы в определённых условиях. Основное применение – изготовление футеровочных материалов для печей, котлов и аппаратов, работающих при наиболее высоких температурах – до 1600 ^OC.

 

Вяжущие материалы

Кислотощёлочестойкие цементы.

Обычные строительные цементы, получаемые обжигом глин-мергелей, содержат двухкальциевый силикат, трёхкальциевый силикат; четырёхкальциевый алюмоферрит; оксиды кальция и магния. Это щелочные материалы; весьма стойкие к щелочным средам.

Для получения кислотостойких цементов в клинкер добавляют значительные количества кремнезёма и силиката натрия. Получаемые из них материалы стойки к кислым и окисляющим средам (кроме плавиковой и ортофосфорной). Кислотостойкие цементы более прочны, чем строительные, но менее стойки в щелочных средах. Все цементы обладают хорошей адгезией к различным материалам, в т.ч. – к металлам.

Основное назначение цементов – связующие материалы для выполнения конструкций из блочных строительных и

футеровочных изделий; герметизация стыков и щелей; заделка трещин, пусто.т и полостей в изделиях и конструкциях.

Кислотощёлочестойкие б етоны.

Бетоны получают отверждением (гидратацией) смесей цементов с наполнителями – песком, гравием, мелким гранитным щебнем. Для получения кислотостойких бетонов в клинкер добавляют значительные количества кремнезёма; силиката натрия; гексафторсиликата натрия; порошков андезита, диабаза, маршаллита, кварца.

Обычные бетоны имеют щелочную реакцию: рН=(11,5…12,7), - что обеспечивает пассивацию стальной арматуры железобетонных изделий и конструкций. Бетоны пористы, имеют удельную поверхность порядка 200 м²/г и гигроскопичны.

Бетоны - твёрдые камневидные тела. Плотность ρ=(2300…2600) кг/м³. Электропроводны. Теплопроводность λ=(0,7…1,1) Вт/м.К. Выдерживают нагрев до t=(350…800) ^OC Бетоны прочны к сжатию – предел прочности достигает 60 МПа, но хрупки, - и потому непрочны при растяжении и изгибе.

Основное назначение бетонов – строительные конструкционные материалы. Кроме того, кислото-стойкие бетоны (как и цементы) используют для защиты металлических поверхностей футерованием.

 

ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Химическое машиностроение использует большое количество разнообразных материалов органичес-кой природы, в основном синтетитческих.

Наиболее важные классы этих материалов.

1. Полимеризационные пластмассы. 2 Каучуки и резины 3. Элементоорганические (кремнийорганичес-

кие, германийрганические, оловорганические) полимеры. 4. Углеродные материалы.

ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫЕ ПЛАСТМАССЫ.

Так традиционно называют материалы из синтетических полимеров, получаемых полимеризацией моноенов и поликонденсацией.

Наиболее широкое применение из них получили:

- полиэтилен высокого давления (ПЭВД);

- полипропилен высокого давления (ППВД);

- полистирол и его сополимеры;

- поливинилхлорид (ПВХ);

- полиэтилентерефталат (лавсан);

- полиакрилонитрил (нитрон);

- полифторэтилены – в первую очередь: политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт-4).

 

Таблица 4 – Физико-механические свойства некоторых пластмасс

Свойство	Полиэтилен	Полипро- пилен	Полистирол	Поливинил-хлорид	Фторопласт-4
Плотность, кг/м^3	920…930			1330…1430	2160…2260
Предел прочности при растяжении, МПа	12…17	25…40	35…50	40…60	14…25
Относительное удлинение, %	500…600	350…800	1,5…2	10…25	250…500
Рабочие температуры, ^ОС	(-70)…100	(-35)…160	(-20)…100	(-20)…160	(-270)…320
Удельное электрическое сопротивление, Ом.м	10^15	8.10^13	10^14…10^15	10^12…10^14	10^16…10^16
Диэлектрическая проницаемость (50 Гц)	2,2…2,3	2,0…2,5	2,6	4,1	1,9…2,2

 

Как видно из таблицы 4, по сравнению с металлами и даже силикатными материалами пластмассы отличаются низкой плотностью (наиболее плотен фторопласт). Они значительно пластичнее – удлинение до восьми раз (наименее пластичен полистирол). Для пластмасс характерно сохранение механических свойств при низких температурах – уникален в этом отношении фторопласт, спосбный «работать» при температурах, близких к абсолютному нулю.

Пластмассы сравнительно малопрочны, нетвёрды и нестойки к истиранию. Практически все пластмассы – диэлектрики и хорошие электроизоляторы.

Пластмассы отличаются довольно высокой стойкостью к водным растворам солей, оснований и неокисляющих кислот. Окислители, галогенангидриды и другие реагенты, генерирующие радикалы, быстро разрушают большинство пластмасс. Кроме того, многие органические реагенты – полигалогеналканы, ароматические углеводороды, нитропроизводные – вызывают набухание полимеров с быстрой потерей прочности.

Уникальной стойкостью отличаются полифторэтилены – особенно фторопласт-4: они более инертны, чем даже фарфор. Только фтор и бром вызывают набухание фторопласта.

Низкая прочность и термостокость, а также ограниченная стойкость к органическим средам до настоящего времени существенно ограничивают применение пластмасс в химической технике. Из них изготавливают сосуды, не работающие под давлением; теплообменники; фильтры; трубы, трубные детали и трубопроводную арматур; уплотнительные детали. Важные изделия из пластмасс – плёночные материалы, используемые для упаковки продуктов, а также для изготовления фильтровальных мембран.

Наиболее ценная во всех отношениях пластмасса – фторопласт. Помимо уникальной стойкости, он отличается малой адгезией и низким коэффициентом трения. Из фторопластов изготавливают не только все указанные виды оборудования, но и детали узлов трения скольжения; особо важно также изготовление микропористых и ультрамикопористых мембран для фильтрования под давлением до 10 МПа.

 

ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Из материалов этого класса следует в первую очередь упомянуть три типа пластмасс.

1. Фенолоформальдегидные смолы (фенопласты) и композиционные наполненные материалы на их основе.

Наиболее многотоннажная по потреблению в химическом машиностроении сложная пластмасса. Получают поликонденсацией (полиалкилированием) замещённых фенолов с формальдегидом.

В условиях кислотного катализа при избытке фенола получают термопластичные новолаки;

Схема реакции

 

 

При избытке формальдегида в условиях основного катализа получают термореактивные резольные смолы (резолы, резитолы и резиты).

Схема реакции

 

 

Основное их использование – производство композиционных пластиков – пресс-порошковых; волокнитовых (асбоволокнит, фаолит, стекловолокнит); слоистых (текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит).

Из асбоволокнита изготавливают

фаолит

 

Эпоксидные смолы.

Продукты поликонденсации жирноароматических эпоксидов с алифатическими или ароматическими полиаминами. Отличаются высокой прочностью, но, как правило, жёстки и хрупки.

Превосходные клеи. Стойки к большинству неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям. Также стойки к углеводородам, спиртам, карбоновым кислотам.

Эпоксидные смолы очень широко применяют в качестве универсальных клеев и антикоррозионных покрытий, а также в качестве связующего при изготовлении ударопрочных слоистых пластиков.

 

КАУЧУКИ И ЭЛАСТОМЕРЫ.

Каучуки – продукты полимеризации 2-R-1,3-бутадиенов [R= H (бутадиен); Cl (хлоропрен); Me(изорпрен)] или сополимеризации их с замещёнными этиленами (изобутен; акрилонитрил, стирол).

Принципиальная структурная особенность каучуков – сохранение в макромолекуле этиленовых фрагментов; кроме того, эта особенность даёт возможность синтеза стереорегулярных структур: все-транс (типа натурального

каучука) или все-цис (типа гуттаперчи)

(-СН₂-СН=СR-СН₂-)_N - монополимеры

(-СН₂-СН=СR-СН₂- СН₂- СR'-)_N - сополимеры

 

Эластомеры – продукты вулканизации каучуков - реакции с серой и оксидами металлов при температурах (150…200) ^ОС.

Таблица 4 – Типы вулканизованных материалов

Класс продукта	Тип продукта	Массовая доля серы, %
Эластомеры	Мягкая резина	2…4
Полужёсткая резина	12…20
Эбонит	Жёсткая резина	30…50

 

Специфичность структуры сообщает каучукам и эластомерам уникальную эластичность и упругость. Каучуки и резины обладают хорошей адгезией к металлам. Стойки к действию большинства неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям – кроме галогенов и галогенангидридов. Также стойки к спиртам, карбоновым кислотам; нестойки к углеводородам, алкил- и арилгалогенидам. Диапазон рабочих температур от (-30) до (100…150) ^ОС.

Особое место в этом классе материалов занимают т.н. силиконовые каучуки - полидиалкилсилоксаны общей формулы [O-SiR₂-O-]_N. Кремнийорганические полимеры отличаются не только высокой прочностью и упругостью, но и уникальной, сопоставимой с фторопластами – химической стойкостью к действию почти всех агентов. Диапазон рабочих температур: от (-60) до (200…300) ^ОС.

Каучуки и резины в основном применяют для изготовления уплотнительных деталей оборудования, шлангов, труб, а также в качестве клеев и герметиков.

Важнейший аспект – использование в качестве защитных покрытий стальной аппаратуры: реакторов, сосудов, фильтров, центрифуг, труб. Защита резиновыми покрытиями называется гуммированием. Гуммируемые детали обкладываеют листами сырой резины и вулканизуют в среде острого пара или воздуха при температуре порядка 150 ^ОС. Гуммированное оборудование работоспособно при температурах до 100 ^ОС в неабразивных средах.

 

УГЛЕРОДНЫЕ (ГРАФИТОВЫЕ) МАТЕРИАЛЫ – УГЛЕПЛАСТЫ.

Из четырёх известных в настоящее время аллотропных форм углерода – сажи, фуллерена, графита и алмаза лишь графит нашёл широкое применение в химическом машиностроении.

Графит – основная форма существования углерода. Характеризуется sp²-гибридизованными связями. Структура – слоистая. Плотность 2265 кг/м³. Является одним из стандартных, базовых веществ химической термодинамики: DH_O=DG_Oº0. Теплоёмкость С_р=8,54 Дж/моль.К. Отличается уникальной тугоплавкостью: Т_СУБЛ» 3700 ^ОС. Как металлы, графит электропроводен; отличается также высокой (электронной) теплопроводностью: l.» 90 Вт/м.К. Уникальна также химическая стойкость графита – по существу. он разрушается только концентрированной серной кислотой и фтором. Недостаток графита – хрупкость. Поэтому в основном используют графитопласты – композиции графита с фенопластами (в основном – фаолитом и бакелитом)

Из графитопластов изготавливают корпуса и лопатки химических насосов; трубы; уплотнительные детали, детали пар скольжения; электроды и корпуса электролизёров; теплообменники для работы в среде паров галогенов и гидрогалогенидов.

 

Типичные виды коррозии

Следует отметить, что коррозия проявляется принципиально в двух формах.

1. Нарушение макроструктуры материала, приводящее к потере прочности.

Сюда можно отнести такие явления как набухание полимеров во многих органических средах; межкристаллитное растрескивание сплавов (в первую очередь, сталей), бетонов и иных микрокристаллических материалов; растрескивание слоистых материалов (пластиков, древесины); водородная хрупкость сталей, вызываемая насыщением сплава гидридами металлов.