Основные констукционные материалы приминяемые в химическом машиностроении

3.1 Общие положения

Выборнаиболее подходящего материала для зготовления химической аппаратуры является одной из первых и ответственных задач, возникающих в процессе констрyирования. При выборе материала должны учитываться следующие его важные свойства:

- прочностные характеристики;

- теплостойкость, жаропрочность;

- химическая стойкость против разъедания;

- физические свойства;

- технологические характеристики;

- состав и структура материала;

- стоимость

Свойства материала неразрывно связаны между собой и сильно зависят от условий, в которых находится материал. Достаточно изменить температуру, чтобы сейчас же изменились все механические свойства металла, его коррозионная стойкость, его обрабатывае­мость - способность штамповаться, коваться, шлифоваться. Достаточно увеличить чистоту поверхности при механической обработки, чтобы ощутимо улучшить коррозионную сопротивляемость металлов и сплавов. Достаточно термической обработкой, при том же самом составе сплава, изменить его структуру, чтобы совершенно изменить его прочностные характеристики.

Поэтому выбор МАТЕРИАЛА НАЧИНАЕТСЯ С УТОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ УСЛОВИЙ: температуры, давления, характера обрабатываемых веществ и других факторов, определяющих возможность того или другого материала.

Нет материалов, свойства которых можно считать абсолютно плохими или абсолютно хорошими. Например, большая теплопроводность материала является желательным свойством для теплообменной по­верхности, но безусловно отрицательным в случчае применения его для термоизоляции. Рассматривая совокуnность свойств материала, легко убедиться, что положительные свойства материала существуют рядом и с недостатками. Материал вполне химически стойкий может оказаться недостаточно термостойким или непрочным. Материал удовлетворительный вмеханическом и химическом отношениях и обладающий многими другими свойствами может оказаться слишком дорогим.

Стоимость сама по себе еще недостаточно характерезует мате­риал с точки зрени экономической целесообразности его применения.

Во-первых, дорогой, но прочный материал может оказаться выгоднее, дешевого из-за возможности изгоизготовления более тонкостенных и легких изделий и обладающих большей их долговечностью.

Во-вторых, стоимость обработки дешевого материала бывает иногда так высока, что изделия из него получаются очень дорогими. Например, стоимость тонны гранита в десятки раз меньше стоимости тонны высоколигированной стали.Однако абсорбционные гранитные башни обходятся дороже стальных из-за дорогивизны обработки гранита.

Поскольну каждый материал по отношению к каким-то определен­ным условиям характеризуется как желательными, так и нежелатель­ными свойствами, то выбор материала (как и другие констукторские за­дачи) сводится к нахождению какого-то компромисса. При этом ста­раются выбрать такой материал, который хорошо отвечал бы основным требованиям, продиктованным назначением и условиями работы обору­дования, мирясь при этом с некоторыми его нежелательными свойствами.

Основным требованием для материалов, предназначенных для изготовления химических аппаратов, в большинстве случаев коррозионная стойкость, так как от нее зависит долговечность аппарата. Для изготовления аппаратуры применяются материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1-0,5 мм в год. Имеется специальная шкала коррозионной стойкости металлов, по которой производится оценка пригодности материала в отношении химической стойкости.

При выборе материала для конструирования химических аппаратов, обычно, имеется несколько материалов, отвечающих основным условиям. В этих случаях материал выбирают, руководствуясь дополнительными условиями и соображения в данном случае является: температура и давление. Так паример, при низких температурах прекрасным материалом является органическое стекло; при более высоких – силикатное стекло, слюса, а при больших перепадах давления – горный хрусталь (прекрасный,но очень дорогой материал).

В химическом машиностроении приминяются следущие материалы:

- чугун;

- стали;

- цветные металлы и сплавы;

- неметаллические материаллы (неорганического и органического происхождения).

3.2 РАССМОТРИМ ВАЖНЕЙШИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.

Железо в технически чистом виде почти не применяется как конструкционный материал.Он отличается пластинностью и стоит дорого. Очень небольшое его колличество идет на изготовление прокладок для аппаратов высокого давления. Зато сплавы железа - чугуны и стали – являются самыми важными материалами для изготовления технологического оборудования.

ЧУГУНЫ

СЕРЫЕ ЧУГУНЫ представляют собой многокомпанентные сплавы железа с углеродом и другими элементами. Содержание компонентов в обычных серых чугунах примерно следующее: углерод - 2,8 - 3%, кремния - 1.6 - 2.4%, марганца – 0.5 - 1%, фосфора до 0.8%, серы до 0.13% остальное железо.

Детали изготовливаются из чугуна отливкой в земляные или металлические формы, что дает возможность в случае необходимости придавать изделиию сложные формы, гораздо бодее сложные, чем до­пускают другие технологические приемы (ковка, штамповка и др.).

Не менее крупным достоинством cepых чугунов является их низкая стоимость, что совместно с их неплохими механическими свойствами и обеспечило их повсеместное применение в технике, как одного из важнейших конструкционных материалов.

Чугуны пластичностью не обладают. Штамповка или ковка чу­гуна даже в нагретом состоянии совершенно невозможна. Обрабатывае­мость чугуна резанием хорошая.

Название марок серых чугунов по ГОСТ 1412-70 состоит из букв СЧ, что означает серый чугун, и двух двузначных чисел: первое характеризует предел прочиости чугуна на растяжение, второе – предел прочности на изгиб, в МПа.

Лучше всего чугун сопративляется сжатию, хуже изгибу. На растяжение чугун работает примерно в 4 раза хуже, чем на сжатие. Также плохо выдерживает серый чугун скалывающие нагрузки. Эти особенности чугунов обязательно должны учитываться не только при конструировании, но и при монтаже чугунной аппаратуры.

Наиболее часто для изготовления деталей и машин и аппаратов применяются чугуны марок СЧ 15 - 32, СЧ 13 - 36. При проектировании чугунных аппаратов и сосудов необходимо считаться с ограничениями инспекции ГОСГОРТЕХНАДЗОРА, которые допускают приминение серого чугуна для аппаратов, температура стенок которых не выше 250˚С при соблюдении следущих условий:

1) из чугуна СЧ 15-32 допускается изготовление сосудов диаметром до 1 метра при внутреннем давлении не выше 0,6 МПа и диаметром до 2 метров при давлении не выше 0,3 МПа.

2) из чугуна СЧ 18 - 36 и выше диаметром до 3 метров и внутреннем давлением до 0,3 МПа.

При наружном давлении до 0,8 МПа допускаемый максимальный диаметр сосуда 2 м.

Из чугунов марок СЧ 21 - 40 и выше изготавливают более ответственные детали, такие как цилиндры насосов и компрессоров, зубчатые и червячные насосы, звездочки для цепей, маховики и т.д.

Серые чугуны обладают весьма умеренной химической стойкостью, поэтому на заводах химического машиностроения выпускаются специальные щелочестойкие низколегирующие чугуны, марок СЧЩ-1,СЧЩ-2. Эти чугуны обладают хорошей стойкостью против растворов и сплавов едких щелочей.

Улучшение качества серого чугуна достигается модифинцированием, заключающимся введении небольших количеств графитизирующих добавок (силикокальция, силикоалюминия, ферросилида). Модифици­рованными выпускаются чугуны марок СМЧ 32-52, СМЧ 35-56, СМЧ 38-60.

Разновидност модифицированного чугуна является высокопрочный чугун, вкоторый введена специальная добавка магния.

Механические характеристики высоопрочного чугуна, его прочность, вязкость и усталостная прочность оказалось настолько хо­роши, что из него начали изготавливать такие ответственные детали как коленчатые валы малых компрессоров; которые ранее отковывались из стали. Марки выоокопрочного чугуна ВЧ 45 - О, ВЧ 50 - 1.5, ВЧ 60 - 2, где двухзначная первая цифра указывает предел прочности чугунa при растяжении, а вторая – относительное удленение в %.

Высокопрочный чугун вытесняет так называемый ковкий чугун. Конечно, «коваться» никакой «ковкий» чугун не может. В химическом и пищевом аппаратостроении ковкий чугун приминяется главным образом для изготовления небольших и тонких деталей, арматуры и фитингов. Ковкие чугуны с пониженным содержанием углерода по ГОСТ 1215-70 имеют марки КЧ 30-6, КЧ 35-4, КЧ 35-10 и др.

Для изготовления аппаратов и труб, подверженных воздействию азотной и соляной кислотой, приминяют высококремнистые чугуны, содержащие 15 - 17% кремния - это ферросилициды марок С - 15, С - 17 и «антихлор». Антихлор марки МФ-15 содержит 15% Si и 4% Mo. Он устойчив к действию горячей концентрированной соляной кислоты.

СТАЛИ

Обширной группой конструкционных материалов на железной основе являются стали. Стали занимают исключительно важное место в технике благодаря своей прочности, вязкости, способности выносить динамические нагрузки, способности отливаться, коваться, штамповаться, прокатываться, свариваться, хорошо обрабатываться резаньем, термически обрабатываться и, что черезвычайно важно, изменять свои свойства в широчайших пределах в зависимости от состава, способа обработки, а также благодаря своей дешевезне и доступности.

Для изготовления стальных аппаратов приминяется следущие стали:

- сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380-71, поставляемая в виде листового, сортового и фассоного проката, труб, паковок и т.д., премущественно группы В. По степени раскисления стали бывают – спокойные, полуспокойные, реже – кипящие и обозначаются соответственно: сп, пс, кп. По требованиям стали подразделяются от 2-ой до 6-ой категории. Марки сталей имеют следущие обозначения, последовательно указывается: группа и марка стали, степень раскисления, категория требований.

Группа стали, характерезующая поставку ее заводов изготовителем:

- А – по механическим свойствам;

- Б – по химическом составу;

- В – по механическому свойству и химическому составу.

«Полуспокойные стали» - это стали точного типа. Указанные виды сталей в маркировках обозначают соответственно: сп, пс, кп.

Саму сталь обыкновенного качества обозначают Ст и цифрами 0,1,2,3,..,6. Чем больше цифра, тем больше содержание углерода,выше прочность и ниже пластичность.Например: БСт2кп, ВСт4сп, Стали группы А обозначаются Ст2сп,Ст3пк, СТ6сп и т.д.

В зависимости от степени раскисления различают 3 вида сталей. «Спокойные стали» содержат минимальное количество FeO,что обеспечивает «спокойное» застывание стали в изложнице. «Кипящие стали» полностью нераскисленны, поэтому при застывании в изложнице из металла выделяются пузырьки СО, образующиеся за счет реакции FeO с углеродом стали. Эти стали обладают худшими механическими и технологическими показателями, но наиболее дешевы.

В сталях обыкновенного качества предназначеных для изготовления аппаратов сваркой, содержание углерода не должно превышать 0.4%. При большом содержании углерода стали склонны к воздушной заклки, в результате чего в зоне сварки при охлаждении могут возникнуть высокие напряжения и закалочные трещины.

Стали, подвергающие в процессе изготовления аппаратов чистке и вальцовке, должны иметь относительное удленение не менее 17%. Это вызвано, в частности, тем что при чистке и вальцовке обечаек, днищ материал подвергаются большим пластическим деформациям.

Условия приминяемости: эти стали могут работать в диапозоне температур -30 °С – 200°С и при давлениях не выше 1.6 МПа.

- сталь качественная углеродистая конструкционная, поставляемая в виде листового проката ГОСТ 5520- 79 и в виде сортового проката и труб ГОСТ 1050-74.

Обозначаются сталь и двумя цифрами, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях %. Эти стали выпускаются следущих марок: 05, 08, 10, 15 и так далее с шагом 5 до стали марки 85.Например: сталь 08, сталь 20, сталь 35. Для обозначения котельных марок сталей в конце ставится буква К. Например: сталь 15К.

Конструкционные качественные стали содержат 0,25- 0,80% марганца, порядка 0,2% хрома и кремния. Эти стали используют для изготовления аппаратов, работающих при давлении до 20 МПа, в интервале температур от -40 до 450˚С.

Углеродистые стали достаточно устойчивы к серной кислоте концентрацией 70-95% и температуре до 60˚С, к слабощелочным растворам и растворам некоторых солей. Поэтому они получили широкое распростронение в этих производствах, либо для изготовления корпусов аппаратов, которые футируют кислотоупорными материалами.

Легированные стали имеют обозначения следущее (комплекс цифр и букв, позволяющих сразу определить химический состав стали):

- первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях %, затем последовательно указываются буквы легирующего компанента, за каждой из букв одной или двумя цифрами указываются примерное содержание данного элемента в %. Отсутствие цифры за буквой означает, что содержание данного элемента меньше 1.5%.

Для изготовления оборудования, работающего в более агрессивных условиях и при высоких температурах используют легированные стали, содержащие никель, хром, ванадий и др.

Обозначение легирующих компонентов в марках сталей:

С- кремний Д – медь Т - титан

А – азот Е – селен Ф- ванадий

Б – ниобий М – молибден Х – хром

В – воьфрам Н – никиль К - кобальт

Г – марганец Р – бор Ц - цирконий

Ю – алюминий

«А» - азот в конце обозначения не ставится. Наличие в конце буквы «А» обозначает высокачественную сталь, а буква «Ш» через дефис – особо высококачественную.

Буква «Л» в конце обозначение стали означает литую сталь.

Пример сталь: 08Х17М15М3Т – содержт углерда – 0,8%,хрома – 17%, никеля – 15%, молибдена – 3%, титана до 1,5%.

Легированные стали в свою очередь подразделяются:

- сталь низколегированная - (с содержанием легирующего элемента до 2,5%);

- сталь легированная конструкционная (с содержанием легирующих элементов до 10%); эти стали поставляются в виде сортового проката, труб, паковок.

- сталь высоколегированная и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, с содержанием легирующих элементов более 10%, по ГОСТ 5632- 72, поставляемые в виде листового проката, труб и паковок;

- сталь теплоустойчивая по ГОСТ 20072 – 72, поставляемая в виде листового проката, труб, паковок;

- стали двухслойные, поставляемые в виде листового проката по ГОСТ 10885 – 75 и специальные ТУ с основным слоем из углероистых, низколгированных и легированных сталей и плакитирующим слоем из коррозионностойких материалов.

Поставляемая для изготовления аппаратов сталь большей частью производится выплавкой в мартеновских и электрических печах.

Рассмотрим примерную область приминения некоторых наиболее ходовых марок сталей.

Материал	Приминение
1.Сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380 – 71 Поставка:лист, трубы, паковки ВСт3сп4	Обечайки, днища, фланцы сварной неответственной аппаратуры, болты, шпильки, сортовой прокат для металлоконструкций: t = -20 - 200˚С, Р ≤ 5 МПа
2.Сталь углеродистая качественная конструкционная по ГОСТ 1050 – 74 Поставка:лист, трубы, паковки Сталь 10, Сталь20, Сталь 20К	Обечайки, днища, фланцы эмалированной аппаратуры, трубные пучки теплообменников, штуцера и др. элементы аппаратуры t = -40 - 450˚С, Р до 20 МПа
3. Сталь низколегированная по ГОСТ 5520 – 79 марок 09Г2С,10Г2С1, 16ГС Листы, сортовой и фасонный прокат трубы Сталь 12МХ ГОСТ 20072 – 74	Обечайки, днища, фланцы и др. детали ответственной сварной аппаратуры для нейтральных и слабоагресивных сред. t = -60 - 475˚С, Р до 25МПа Для корпусов, днщ, плоских фланцев, трубных решеток и др. детали нефтехимической аппаратуры t = -40 - 540˚С
4.Сталь высоколегированная, коррозионностойкая,жаростойка и жаропрочная по ГОСТ 5632 – 72 ОХ13,1Х17, 2Х13 Х17, 0Х17Т,Х25Т 12Х18Н10Т 08Х18Н10Т 08Х18Н12Б 08Х17Н15М3Т	Малонагруженные детали внутренних устройств аппарата для горячих серосодержащих сред. Болты, валы, оси, гайки и др. детали неподвергающиеся сварки. Обечайки, днища, трубные пучки, змеевики и др. детали неответственного назанчения не подвергающиеся удельным нагрузкам в производстве азотной кислоты, при переработке нефти, пищевых продуктов. Обечайки,днища, фланцы, трубные ршетки,валы, оси, болты, шпильки, трубные пучки, штуцера и др. детали химической аппаратуры ответственного назначения работающие со средами повышенной агрессивности.
5.Сталь двухслойная по ГОСТ 10885 – 75 и специальным ТУ. ВСт3сп+12Х18Н10Т20К+10Х17Н13М2Т	Детали сварной химической аппаратуры для сред высокой и средней агресивности.