Материалы для изготовления аппаратуры

Разнообразие условий эксплуатации химического оборудования и, следовательно, требований, предъявляемых к конструкционным материалам, в том числе носящих экономический и тех­нологический характер, обусловливает необходимость примене­ния большого числа разных по своей природе и свойствам мате­риалов. Классификацию конструкционных материалов, применя­емых в химическом машиностроении, иллюстрирует схема, при­веденная на рис. 2.1.

Железо и его сплавы называются черными металлами, все ос­тальные металлы и их сплавы — цветными. Следует отметить, что на рис. 2.1 указаны общие наименования материалов. В действи­тельности под каждым наименованием скрыто многообразие со­четаний материалов, составленных с целью получения требуемых свойств для различных условий их применения. Например, раз­личные марки стали, изначально представляющей собой железо­углеродистый сплав, могут содержать добавки тех или иных цвет­ных металлов и химических элементов-неметаллов. Цветные ме­таллы обычно используют в виде сплавов с другими элементами и лишь как исключение — в чистом виде. Очень широк круг матери­алов, называемых пластмассами.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа (Fe) с углеродом (С), причем содержание углерода в ней невелико (0, 05...2, 14%).

Рис. 2.1. Классификация конструкционных материалов, применяемых в химическом машиностроении

Изменение содержания углерода даже в этом небольшом диапа­зоне приводит к перестройке кристаллической структуры стали, что отражается на ее физических свойствах: прочности, твердости и пластичности.

В состав стали в качестве примесей входят химические элемен­ты, неизбежно попадающие в нее из железной руды и других ма­териалов, применяемых при ее выплавке. Среди них кремний, марганец, сера, фосфор, а также случайные примеси (медь, мы­шьяк и др.).

Для направленного воздействия на свойства сталей при их вы­плавке вводят специальные примеси — легирующие элементы. Сталь со специальными примесями называют легированной. Для повышения прочности в сталь добавляют хром, кремний, вана­дий, молибден, вольфрам и никель.

В технике распространены стали, легированные одновременно двумя или более элементами, причем, как правило, в сочетании с хромом (хромоникелевые и хромомолибденовые стали). Корро­зионная стойкость сталей возрастает, если вместе с хромом ввес­ти никель, кремний, молибден, алюминий и титан.

Каждый тип стали имеет свою марку. Машиностроительная сталь общего назначения может быть просто углеродистой, причем с различным содержанием углерода, составляющим, например, в стали марки Ст10 0, 07...0, 14 %, а в стали Ст40 — 0, 37...0, 45 %. К сталям общего назначения относятся также сплавы с повышен­ным содержанием марганца. В обозначении марки такой стали кроме цифры, отражающей количество присутствующего в ней углеро­да, проставляют букву Г, указывающую на наличие марганца. Например, в состав стали марки 40Г входят 0, 37...0, 45 % углерода и 0, 7... 1, 0 % марганца.

Машиностроительные стали специального назначения — это легированные, в частности коррозионно- и жаростойкие, стали. Например, сталь марки 0X13 содержит до 0, 08 % углерода и 11... 13 % хрома. Ее используют в слабоагрессивных средах — вод­ных растворах солей и азотной кислоты. Значительно более доро­гостоящую сталь марки 0Х18Н10Т, которая кроме углерода (до 0, 08 %) содержит хром (17... 19 %), никель (9... 11 %) и некоторое количество титана, применяют для изготовления сварных изде­лий, эксплуатируемых в агрессивных средах. Для работы в сильно- агрессивных средах (серная и фосфорная кислоты и другие веще­ства) используют сталь еще более сложного состава, например марки 0Х23Н28МЗДЗТ, содержащую, %, углерод (до 0, 06), хром (22...25), никель (26...29), медь (2, 5...3, 5), молибден (2, 5...3, 0) и титан (0, 4...0, 7).

Сталь выпускают в виде проката различного профиля (круг­лый, квадратный, угловой, швеллерный и т.д.), листов и труб. Бесшовные холоднотянутые и холоднокатаные трубы из стали

общего назначения имеют диаметр 1...200 мм и толщину стенок (зависящую от диаметра) 0, 1... 12 мм. Диаметр горячекатаных труб из коррозионно-стойкой стали составляет 76... 325 мм при толщи­не стенок 4, 5...32 мм.

Для удешевления аппаратов, подверженных коррозионному воздействию со стороны перерабатываемой среды, их изготавли­вают из биметалла — листового двуслойного материала. Механи­ческую прочность аппарата обеспечивает толстый (основной) слой углеродистой машиностроительной стали, а защиту от коррозии —. тонкий слой более дорогостоящей коррозионно-стойкой стали. Такой слой называют плакирующим.

Чугуны. Чугун представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 1, 7 %. Наличие некоторых примесей приводит к изменению свойств чугунов. По химическому составу чугуны могут быть нелегированными (они содержат кремний, марганец, фосфор и серу) и легированными (легирующими эле­ментами служат никель, хром и молибден).

Чугуны обладают хорошими литейными свойствами, поэтому из них изготавливают тонкостенные детали сложной формы, в частности, трубопроводной арматуры (краны, вентили, задвиж­ки, предназначенные для использования при невысоком давле­нии), оборудование печей, некоторые детали насосов.

Наиболее широко распространен серый чугун (обозначения его марок начинаются буквами СЧ). Из него выполняют изделия, при­меняемые при давлении ниже 1 МПа и температуре -15... + 250 °С.

Присадки, вводимые в чугун в процессе литья, повышают его механическую прочность. Такой чугун называется модифициро­ванным. Из него изготавливают ответственные детали: корпуса насосов и арматуру, способные противостоять высокому давле­нию. Отливки из жаропрочного чугуна, получаемого также леги­рованием, можно использовать при температуре, характерной для газов дымовых печей и достигающей 1000 °С.

Для применения в условиях абразивного изнашивания пред­назначены чугуны с большой твердостью, получаемые легирова­нием хромом, никелем и молибденом. Из них изготавливают на­сосы, которые перекачивают жидкости с высоким содержанием твердых частиц (шлама), мелющие тела (шары) дробильно-раз­мольных машин и другие изделия.

Цветные металлы. В зависимости от плотности цветные метал­лы условно разделяют на две категории: легкие и тяжелые. К лег­ким относятся алюминий, титан, магний, имеющие плотность менее 5000 кг/м³, а к тяжелым — кадмий, кобальт, медь, никель, олово, цинк, свинец. Плотность алюминия составляет 2700 кг/м³, а свинца — 11 340 кг/м³.

Использование цветных металлов для изготовления химическо­го оборудования ограничено в количественном отношении, по­-

скольку они, как правило, дороже черных. Тем не менее благодаря специфическим свойствам, которые проявляются в определенных условиях эксплуатации, их применение оправданно и экономиче­ски целесообразно. Рассмотрим наиболее распространенные цвет­ные металлы, как технически чистые, так и сплавы на их основе.

Технический алюминий обладает довольно высокой коррози­онной стойкостью благодаря очень плотной оксидной пленке, образующейся на поверхности и предохраняющей основной ме­талл от дальнейшего окисления. Металл хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием. По прочности алюминий в не­сколько раз уступает стали. Его применяют для изготовления де­талей, которые испытывают небольшие нагрузки и должны об­ладать высокой коррозионной стойкостью и значительной теп­лопроводностью.

Сплавы алюминия с повышенным содержанием магния (АМгб) и добавлением ванадия (АМг5В) хорошо обрабатываются реза­нием, а их прочность примерно вдвое выше, чем у технического алюминия. Для изготовления деталей литьем используют силуми­ны — сплавы алюминия с 6... 12 % кремния, медно- и магниево­-алюминиевые сплавы.

Технический титан и его сплавы имеют высокую коррозион­ную стойкость в определенных средах. В частности, органические кислоты (уксусная, лимонная) не оказывают разрушающего дей­ствия на титан даже при нагревании. Однако разбавленные соля­ная, серная и азотная кислоты при нагревании растворяют титан. По прочности он не уступает сталям многих марок, а некоторые его сплавы заметно превосходят их. При этом титан более чем в 1, 5 раза легче стали.

Основным легирующим элементом для титановых сплавов яв­ляется алюминий, который повышает жаропрочность металла. Сплавы титана общего назначения применяют при температуре до 400 °С, а жаропрочные — до 600 °С.

Технически чистая медь отличается высокой электро- и тепло­проводностью и коррозионной стойкостью в атмосферных усло­виях, пресной воде, растворах некоторых солей, органических кислотах, спиртах и других средах. Она используется в электро- и теплотехнике, а также химическом машиностроении. Однако бо­лее широкое применение находят ее сплавы: медно-никелевые, а также латуни и бронзы.

Латунь — сплав меди с цинком — наиболее дешевый медный сплав. Из этого материала изготавливают трубы, листы и прутки. Из латуни выполняют, например, манометрические и капилляр­ные трубки, а также трубы радиаторов. Дополнительные легирую­щие добавки (алюминий, кремний, олово, никель, марганец и железо в разных сочетаниях) повышают коррозионную стойкость и механическую прочность сплавов, а добавка свинца улучшает

их обрабатываемость резанием. Литейные латуни применяют изготовления червячных винтов и иных деталей, работающих r неблагоприятных условиях, втулок и вкладышей подшипников деталей трубопроводной арматуры.

Бронзы по химическому составу могут быть оловянными и безоловянными. Основными легирующими компонентами этих спла­вов являются олово, цинк и свинец — для оловянных бронз и алюминий, железо, марганец, никель и свинец — для безоловянных. Литейные оловянные бронзы используют для изготовления трубопроводной арматуры, а оловянные бронзы, обрабатываемые давлением, — в качестве материалов для пружин, вкладышей под­шипников и сеток. Безоловянные бронзы по свойствам близки к оловянным.

Свинец и олово отличаются низкой температурой плавления и малой прочностью. Они очень пластичны, имеют высокую корро­зионную стойкость. Эти металлы и сплавы на их основе использу­ют для изготовления припоев. Свинец, обладающий высокой кис­лотоупорностью, служит для облицовки изнутри (футеровки) хи­мических аппаратов, изготовления кислотостойких труб и герме­тизации соединений труб путем зачеканки. Олово широко приме­няют для лужения жести. На основе свинца, с добавкой олова или без него, получают антифрикционные сплавы — баббиты, упо­требляемые для заливки подшипников скольжения.

Хром, никель, кадмий и цинк используют для легирования раз­личных сплавов и создания коррозионно-стойких покрытий на деталях, изготовленных из относительно дешевых и прочных ма­шиностроительных сталей. Благодаря тонкому защитному слою этих металлов значительно увеличивается срок службы деталей. Так, например, оцинкованное железо при наличии на нем такого по­крытия может противостоять воздействию атмосферы в течение 10 лет без покраски; оцинкованные водопроводные трубы значи­тельно более долговечны, чем незащищенные стальные.

Пластмассы. Пластмассы — это материалы, основой которых являются высокомолекулярные соединения — полимеры, представ­ляющие собой длинные молекулярные цепи, составленные из отдельных химических звеньев — мономеров.

Пластмасса может содержать только полимер. Например, всем известный полиэтилен состоит из длинных линейных цепей, об­разованных из простых молекул этилена (химическая формула — С₂Н₄). К пластмассам аналогичного вида относятся винипласт, фторопласт (тефлон), полистирол и смолы на основе различных химических соединений. Пластмассы другого вида представляют собой сочетания полимера с дополнительными компонентами: связующими, отвердителями, наполнителями или красителями. Наполнители вводят в виде порошков, волокон, тканей или слоистых материалов. Они улучшают те или иные свойства пластмассы.

Например, прессовочные порошки, применяемые для по­лучения различных бытовых и технических изделий методом го­рячего прессования, могут содержать каолин, повышающий проч­ность, асбест, увеличивающий теплостойкость, и графит, улуч­шающий

антифрикционные характеристики.

Волокнистые наполнители используют для повышения проч­ности изделий. Широко распространены стеклопластики, кото­рые являются сочетанием отверждаемых смол со стеклянными волокнами. При введении стекловолокна прочность материала воз­растает в 3—4 раза.

В случае применения в качестве наполнителя уложенной слоя­ми хлопчатобумажной ткани, пропитанной отверждающейся син­тетической смолой, получают текстолит. Так же, но с использо­ванием слоев крафт-бумаги изготавливают гетинакс.

В зависимости от характера изменения свойств полимеров при нагревании их подразделяют на термореактивные и термоплас­тичные. Термореактивные полимеры сначала переходят в текучее состояние (при котором можно формировать изделие), а затем в результате химических процессов — в твердое. При последующих изменениях температуры форма полученной детали сохраняется.

Термопластичные полимеры при нагревании становятся плас­тичными, а при охлаждении возвращаются в твердое состояние и вновь приобретают упругость. При последующем нагревании де­тали из такой пластмассы ее форму можно изменять. Процесс пе­рехода из твердого состояния в пластичное является обратимым.

Изделия из пластмассы получают литьем термореактивных смол (фенопласта и карболита — без отвердителя, эпоксидных смол — с отвердителем), применяя различные приемы формования и прес­сования, сваривание, склеивание, а также механическую обра­ботку резцами и абразивами.

Резина. Резину получают посредством вулканизации — специ­альной обработки в присутствии серы — каучука. При этом в со­став резиновой смеси вводят дополнительные вещества (напол­нители, пластификаторы, стабилизаторы и др.), улучшающие свой­ства резины. По сравнению с исходным каучуком резина имеет повышенную прочность, эластичность, твердость и теплостойкость. Эластичная резина способна выдерживать очень большие по ве­личине многократные деформации.

Комбинируя составы резиновых смесей, получают резины раз­ного назначения. Если резину общего назначения используют при температуре от -30 до +50 °С, то группу теплостойких резин мож­но применять при температуре от -80 до +90 °С, а в среде водяно­го пара — до 140 °С. Резина способна противостоять воздействию многих агрессивных сред (соляная, уксусная, плавиковая и лимон­ная кислоты; едкий натр и едкое кали; этиловый и метиловый спир­ты любой концентрации, а также серная и

Фосфорной кислоты с концентрацией соответственно до 50 и 75 %). Существуют бензо стойкие резины, предназначенные для использования в керосине, бензине и дизельном топливе, а также маслостойкие резины.

На основе резины выпускают различные технические изделия- шины, плоские и клиновые приводные ремни, транспортерные ленты, резинотканевые напорные рукава (в том числе армиро­ванные металлической сеткой) для разных сред и давлений, уплотнительные детали как для неподвижных, так и подвижных со­единений.

Керамические материалы. Материалы этого вида производят из минерального сырья — оксидов различного химического состава На их основе изготавливают огне- и кислотоупорные изделия. На­пример, из динаса и шамотного кирпича кладут печи, ими обму­ровывают топки. В зависимости от состава огнеупорные материалы выдерживают воздействие температуры, достигающей 2000 °С.

Для кислотоупорных изделий характерны высокая прочность газонепроницаемость, износостойкость и стойкость к действию кислот (кроме плавиковой) различной концентрации. Эти изде­лия обычно покрывают глазурью. Их выпускают в виде кирпича плиток и насадочных колец для колонных аппаратов. С использо­ванием кислотоупорной керамики изготавливают насосы, мешал­ки, вакуумные аппараты и другое оборудование. Кислотоупорным кирпичом или плиткой футеруют, технологические аппараты и емкости с агрессивными средами.

Металлокерамические материалы. Изделия из металлокерами­ческих материалов получают прессованием порошков в детали требуемой формы с последующим спеканием полученных изделий при нагревании. Среди таких материалов можно выделить антифрик­ционные, предназначенные для узлов трения различных машин (сплавы на медной или железной основе с добавлением графита), и, наоборот, фрикционные — для тормозных накладок (сплавы железа или меди с неметаллическими добавками, повышающими коэффициент трения, например с асбестом).

С точки зрения химического производства представляют инте­рес пористые материалы, получаемые спеканием железной, ни­келевой или другой дроби в форме колец, цилиндров или плас­тин. Их применяют в качестве фильтровальных перегородок, на­пример, в нутч-фильтрах (см. гл. 10). Фильтрующие материалы из­готавливают также из металловолокна.

Стекло. Это аморфный материал, получаемый из расплавов оксидов различных химических элементов (кремний, бор, фос­фор, кальций, натрий и др.).

Взависимости от состава стекло может приобретать определен­ные свойства. Различают две группы стекол: простые и техниче­ские. К простым относятся строительные, тарные и сортовые стек­ла. а к техническим — оптические, термостойкие и защитные.

Основными исходными материалами для производства простых стекол являются кремнезем, известняк, кальцинированная сода и сульфат натрия. В состав оконного стекла дополнительно вклю­чают оксиды магния и алюминия. Технические типы стекол со­держат различные примеси. Например, в состав термостойких сте­кол входят боросиликатные компоненты, а улучшенные опти­ческие свойства стеклу придают оксиды свинца и редких элемен­тов — лантана, тория, церия и др. Для получения цветных стекол вводят разные металлы и их соединения. Например, красное стек­ло содержит медь, а фиолетовое — оксид марганца.

Большинство технических стекол стойки к воде и кислотам (за исключением плавиковой и фосфорной), но разрушаются под действием щелочей. Для повышения химической стойкости в стекло добавляют один или несколько оксидов таких элементов, как бор, алюминий, цинк, цирконий и титан. В химическом машиностро­ении часто применяют кварцевое стекло, которое обладает не только повышенной химической стойкостью, но и очень высокой термостойкостью.

Для получения высокопрочного стекла используют различные технологические приемы: закалку, химическую обработку поверх­ности, термохимическую и комбинированную обработку.

Кроме «массивного» стекла выпускают стеклянное волокно, из которого получают тканевые материалы, применяемые в каче­стве фильтровальных перегородок в фильтрах (см. гл. 10).

Ситалл. Этот специфический кристаллический материал по­лучают методом каталитической кристаллизации аморфного стек­ла, предварительно сформированного в изделия. Ситалл отлича­ется повышенными механическими и тепловыми характеристи­ками. Его используют в качестве конструкционного материала в машиностроении и приборостроении для изготовления труб, под­шипников, химических аппаратов, изоляторов и других изделий.

Асбест. Это природный минерал из группы силикатов, имею­щий тонковолокнистую структуру. Характерными свойствами ас­беста являются высокая термостойкость, прочность и эластичность волокон, низкая теплопроводность и стойкость к агрессивным средам.

Для технических целей асбест выпускают в виде нитей, шну­ров, тканей и листового материала (бумага, картон). Асбест при­меняют в качестве теплоизоляционного и уплотнительного мате­риала.

Паронит. Для уплотнения неподвижных фланцевых соединений трубопроводов, крышек и люков аппаратов часто используют па­ронит — материал, в состав которого входят волокна асбеста и каучук в качестве связующего. Для уплотнения подвижных соеди­нений (штоки задвижек, валы насосов и др.) применяют сальни­ковые асбестовые набивки. Их выпускают в форме шнуров обычно

квадратного сечения, сплетенных из асбестовых нитей, с анти­фрикционной пропиткой и наполнителем (тальк, графит). Асбес­товые набивки некоторых марок используют при температуре д₀ 600 °С в средах, находящихся под давлением до 30 МПа.

Технический фарфор. В химическом производстве применяют технический фарфор, который обладает высокой механической прочностью, термостойкостью, а также коррозионной стойкос­тью и способен противостоять резким перепадам температуры от 20 до 200 °С. Из этого материала изготавливают вакуумные аппа­раты, аппараты для выпаривания нейтральных, кислых и щелоч­ных растворов при атмосферном или повышенном давлении, а также сосуды для травильных работ.

Пример использования разных видов конструкционных матери­алов для изготовления химического оборудования. На рис. 2.2 при­ведена схема аппарата с механическим перемешивающим устрой­ством.

Корпус 1 и крышка 7 аппарата изготовлены из биметалла. На­ружная часть корпуса выполнена из машиностроительной стали изнутри материал плакирован слоем коррозионно-стойкой стали. Вал 15 мешалки, который передает крутящий момент, изготов­лен из конструкционной стали и помещен в рубашку 16 — трубу из коррозионно-стойкой стали. Целиком из коррозионно-стой­кой стали выполнены труба-стояк 3, технологические

штуцеры 8

Рис. 2.2. Схема аппарата с механи­ческим перемешивающим устрой­ством (привод и узел крепления вала не показаны):

1 — корпус аппарата; 2 — рубашка аппарата; 3 —труба-стояк; 4 — фланец корпуса; 5 — прокладка; 6 — фланец крышки; 7 — крышка; 8, 19 — техно­логические штуцеры; 9 — корпус саль­ника; 10 — набивка сальника; 11 — нажимная втулка сальникового уп­лотнения; 12 — стойка привода; 13 — люк-лаз; 14, 20 — штуцеры для тепло­носителя; 15 — вал мешалки; 16 — ру­башка вала; 77—мешалка; 18 —опора аппарата

и 19, люк-лаз 13 и мешалка 17. Из машиностроительной стали изготовлены рубашка 2 аппарата, заполняемая теплоносителем, фланцы 4 и о, корпус 9 сальника, стойка 12 привода, штуцеры 14 и 20 для теплоносителя и нажимная втулка 11 сальникового уп­лотнения. Прокладка 5 фланцевого соединения корпуса с крыш­кой аппарата и аналогичные прокладки в штуцерах 8 и 19, а так­же люке-лазе изготовлены из листового паронита. Набивка /0 саль­ника набрана из колец, нарезанных из пропитанного и графити- зированного асбестового шнура квадратного сечения. Опоры 18 аппарата выполнены из листовой машиностроительной стали.

Контрольные вопросы

1.Какие условия эксплуатации химического оборудования учитывают при выборе конструкционных материалов?

2.Какими свойствами должны обладать конструкционные материа­лы, чтобы противостоять внешним разрушающим воздействиям?

3.С какой целью проводят легирование сталей?

4.Какие химические элементы служат легирующими добавками при выплавке коррозионно-стойких сталей?

5.Что представляет собой биметалл? В каких случаях его применяют?

6.В чем состоит принципиальное различие чугунов и сталей?

7.С какой целью и каким образом модифицируют чугуны?

8.Какие химические элементы и их сплавы называют цветными ме­таллами/

9- Какими свойствами обладают наиболее распространенные цветные металлы и как их используют в химическом оборудовании?

10. Какие неметаллические материалы применяют при изготовлении деталей химического оборудования? Приведите примеры их функцио­нальногоназначения.