Основные виды конструкционных материалов и их выбор

Конструкционные материалы выбирают в зависимости от температуры, давления и коррозионного действия среды. Учитывают также стоимость и технологические свойства материала, т.е. возможность и простота изготовления из него изделия заданной формы. Одни и те-же конструкционные элементы, изготовленные из разных материалов, существенно отличаются друг от друга.

Для изготовления аппаратов в химической промышленности в качестве конструкционных материалов применяют:

1 – черные металлы и сплавы (чугун, стали),

2 – цветные металлы и сплавы, незащищенные и защищенные с поверхности покрытиями (Ме и не Ме),

3 – неметаллические материалы (пластмассы, материалы на основе каучука, керамики, углеграфитовые и силикатные материалы, дерево).

 

Черные металлы и сплавы

Сталь – сплав железа и небольшого количества углерода (до 2%). Примеси: сера, кремний, марганец, фосфор.

Углерод оказывает большое влияние на качество стали: чем его больше, тем больше предел прочности и текучести, твердость, но уменьшается пластичность, появляется склонность к старению, выше хрупкость, хуже свариваемость.

Свойства сталей: прочность, вязкость, способность выносить динамические нагрузки, свариваться, хорошо обрабатываться резанием, низкая стоимость, доступность.

а) углеродистая сталь

По назначению и характеристикам делится на:

А – поставляется по механическим свойствам,

Б – поставляется по химическому составу,

В – поставляется по механическим свойствам, соответствующим нормам для стали марки А и по химическому составу, соответствующему стали марки Б.

Марка стали, включающая буквы «Ст.» означает слово сталь, а цифры от 0 до 6 условный номер марки.

Изготавливают, стали следующих марок:

Группы А – Ст.0, Ст.1...Ст.6, Группы Б - Б Ст.0...Б Ст.6, Группы В – В Ст.1...В Ст.5.

б) легированная сталь

Для улучшения физических, механических, технологических свойств стали в их состав вводят - легирующие элементы (никель, хром, марганец, титан...).

Например:

С – кремний, Т – титан, Г – марганец, Х – хром, В - вольфрам, Н – никель, М – молибден, Ю – алюминий, К – кобальт, Д – медь.

В обозначение марки стали:

- первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента,

- буквы за цифрами обозначают легирующий элемент,

- цифры стоящие после буквенного обозначения легирующего элемента указывают содержание его в % (при содержание до 1,5% цифра не ставится).

12Х18Н10Т – 0,12%углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1,5% титана.

15Х5М – 0,15% углерода, 5% хрома, до 1,5% молибдена.

20Х – 0,2% углерода, до 1,5%хрома.

Действие легирующих элементов

Х – повышает твердость, жаропрочность, устойчивость к коррозии,

Н – повышает вязкость, пластичность, прочность (но очень дорог),

М – повышает прокаливаемость, способность сохранять прочность при повышение температуры, улучшает обрабатываемость, стойкость к кислотам,

Т – повышает прочность и пластичность.

в) чугун

это высокоуглеродистые железный сплавы с содержанием углерода более 2%. Обычно не поддается ковке, имеет низкую стоимость и удовлетворительные механические свойства, что обеспечило широкое применение в технике как конструкционного материала. Он обладает хорошими литейными качествами, поэтому его применяют для изготовления корпусных деталей и узлов сложных конструкций.

 

Цветные металлы и сплавы

 

В химическом машиностроении применяют медь, алюминий, свинец, титан, никель и сплавы указанных метал­лов.

1. Медь. Из нее изготовляют т/о, емкостные аппа­раты, ректификационные колонны. Для химической аппаратуры применяют в основном медь с содержанием соот­ветственно 99,7 и 99,5% чистой меди. Медные аппараты исполь­зуют в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Прочность меди при низких температурах повышается, и при этом сохраняются ее пластические свойства, поэтому она является цен­ным конструкционным материалом в криогенной технике. Медные листы легко вальцуются, штампуются и гнутся.

В химическом машиностроении применяют сплавы меди - бронза и латунь.

Бронза – сплав меди с цинком и легирующими добавками (желтая).

Латунь – сплав меди с любым легирующим элементом, кроме цинка (н-р: олово).

2. Алюминиевая аппаратура. Ее используют в производ­стве азотной, фосфорной и органических кислот. Маx до­пустимая температура для алюминиевых аппаратов 200°С. Свар­ные швы делают только стыковыми, места сварки должны быть практически одинаковой толщины. И зготовляют: ре­зервуары, колонны, т/о, небольшие реакционные аппараты. Применение алюминия ограничивается его низкой механической прочностью.

3. Свинец. Его используют для изготовления отдельных изделий (змеевиков, гильз термометров и др.) и защиты стальных аппара­тов путем обкладки листовым свинцом или гомогенным освинцовыванием, которое заключается в том, что слой свинца толщиной 3—6 мм наплавляют на предварительно подготовленную поверхность. Устойчив во многих агрессивных средах, в разбавленной серной кислоте. В настоящее время его применение сокращается вследствие низкой механиче­ской прочности и высокой стоимости.

4. Никель. Он обладает: хорошими литейными свойствами, легко куется и штампуется. Его сваривают никелевыми электродами в атмосфере инертного газа. Аппаратуру из никеля применяют для процессов щелочного плавления, при переработке органических кислот, а также в тех случаях, когда требуется высокая чистота продукта Никель - очень дефицитный металл, и для хи­мической аппаратуры как самостоятельный конструкционный ма­териал он применяется редко.

5. Титан. Он находит все большее применение в химическом машиностроении. По прочности он немного уступает, стали, а удельный вес его почти в два раза меньше. С тоек к: азот­ной кислоте, в разбавленной серной кислоте и многих других корродирующих средах. Титан куется, штампуется и сваривается и хорошо поддается механической обра­ботке, что позволяет изготовлять: емкостные, колонные и т/о- аппараты, фильтры, насосы, трубопров. арматуру и др.

 

Неметаллические материалы

Футеровка аппаратов - весьма эффективным и распространен­ным методом защиты оборудования от химических воздействий является футеровка штучными кислотоупорными материалами: ке­рамическим кислотоупорным кирпичом, керамической плитками. В химическом машиностроении применяют: пластмассы, резину, полиизобутилен и материалы на основе графита.

Пластмассы:

Они обладают высокой стойкостью к большин­ству электролитов (за исключением сильных окислителей и концентрированной серной кислоты), во многих случаях оказываются хорошими заменителями металлов. Пластмассы подразделяют на Термоплавкие и термореактивные. Термоплавкие размягчаются при нагревании и снова застывают при охлаждении. При нагревании не размягчаются. Из многих пластмассе в химическом машиностроении наиболее широко применяются фаолит, винипласт, полиэтилен, фторопласт.

 

1. Фаолит. Его изготовляют из резольной смолы и наполнителя. При нагревании 12О...13О°С сырой затвердевает, приобретает достаточ­ную механическую прочность и поддается всем видам механиче­ской обработки. Устойчив к растворам различных минеральных и орг. кислот и ко многим органическим растворителям. В щелочных средах фаолит нестоек. Температура его применения от —30 до +130°С. В сыром виде он легко формуется и режется ножом. Изготовляют емкостные и колонные аппараты, панны, трубопроводы, газоходы.

2. Винипласт. Это термоплавкая пластмасса, которую выпу­скают в виде труб, стержней и листов толщиной до 20 мм. Стоек к воздействию многих корродирующих сред, за исключением сильных окислителей и концентрированной серной кислоты. Тем­пература его применения от —10 до +60°С. Хорошо поддается обработке - легко гнется и штампуется в горячем состоянии, обрабатывается на станках, части соединяют склейкой или сваривают.

3. Полиэтилен. Он представляет собой термоплавкую пласт­массу. Его химическая стойкость и термостойкость (не превышает 60°С) примерно такая же, как у винипласта. Так же как и вини­пласт, он хорошо поддается механической обработке, штамповке, сварке, но менее хрупок.

4. Резиновые покрытия (гуммирование). Для защиты химических аппаратов от агрессивных сред и абразивного износа широко применяют листовые покрытия резиной, которые устойчивы во многих агрессивных средах (в соляной кислоте любой концен­трации, в растворах серной кислоты концентрации до 70%, в ат­мосфере влажного хлора, во многих растворителях и др.). Темпе­ратурные пределы применения от —50 до + 100°С. Резиновые покрытия отличаются высокой стойкостью к вибрации и резким температурным перепадам. При­меняют: для защиты емкостных и колонных аппаратов, железно­дорожных цистерн, мешалок, деталей трубопроводов, центрифуг и многих других изделий.

5. Полиизобутилен. Этот каучукоподобный материал применяют для защиты аппаратов. В отличие от резины он не нуждается и вулканизации, что значительно упрощает нанесение покрытия. Термостойкость полиизобутилена невелика - не превышает 60°С, нижний температурный предел —20°С, что необходимо учитывать при защите аппаратов, установленных под открытым небом. Очень непрочен, при повышенной температуре раз­мягчается и может сползти со стенок аппарата. Применяют для защиты небольших аппаратов, а также в качестве непрони­цаемого подслоя под футеровку.

6. Графит. Обладает высокой химической стойкостью и термо­стойкостью. Отличается пористостью, поэтому для получения плотных изделий его пропитывают смолами. Вместе с тем применяют изделия, прессованные из смеси графитового порошка с различ­ными смолами.

 

 

Основные детали аппаратов.