第六章 化工設(shè)備材料及其選擇
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Nanjing University of Technology,《食品機(jī)械基礎(chǔ)》第二篇 化工設(shè)備材料,授課教師:仲兆祥,第六章 化工設(shè)備材料及選擇,,碳鋼,1,,2,低合金鋼及化工設(shè)備用特種鋼,4,非金屬材料,,,3,有色金屬材料,化工設(shè)備的使用環(huán)境: 壓力:真空—低壓—中壓— 高壓—超高壓 溫度:低溫—常溫—中溫—高溫 介質(zhì):腐蝕性;有毒;易燃;劇毒。 氨合成的壓力有的達(dá)到32MPa 高壓聚乙烯生產(chǎn)壓力為300MPa 乙烯生產(chǎn)工藝中裂解爐溫度高達(dá)1200℃ 乙烯深冷分離溫度需降到-167℃,高壓反應(yīng)器,6.1 碳鋼,一.碳鋼中雜質(zhì)對(duì)其性能的影響 1)錳(Mn) 來源——在冶煉過程中加入錳鐵。 作用——鋼材中錳含量高于0.8%時(shí),即為合金 元素存在——提高強(qiáng)度。有益元素。 2)硫(S) 來源——礦石和焦炭。 存在形式:FeS。 作用——FeS的熔點(diǎn)低于鋼材熱加工開始溫度,它過早熔化,導(dǎo)致工件開裂,稱為“熱脆性”。有害元素!,3) 磷(P) 來源——礦石。 作用——溶于鐵素體,使鋼材常溫下脆性增加,塑性、韌性下降,即所謂“冷脆性”。 有害元素! 4)氫(H) 來源——鋼由高溫奧氏體冷至常溫時(shí),氫的溶解度降低,來不及到鋼的表面逸出而積聚,并產(chǎn)生高壓力,在鋼材內(nèi)產(chǎn)生“白點(diǎn)”。 “白點(diǎn)”——裂紋源,有害元素!,二.碳鋼的分類、牌號(hào),(1)普通碳鋼 含P、S等有害雜質(zhì)較多(S≤0.055% P≤0.045%) 常用有:Q215-A, Q235-A, Q235-A.F Q235-B, Q235-C, Q275 式中 Q—普通碳鋼,“屈服”的拼音首位字母。 235——材料屈服點(diǎn)(MPa) A,B,C,D——鋼材質(zhì)量等級(jí),越后越高。 F——沸騰鋼,(2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 特點(diǎn):含硫、磷等雜質(zhì)較少,均≤0.04%,雜質(zhì)少,組織均勻, 表面質(zhì)量好。常用有:08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 數(shù)字--含C量的萬分?jǐn)?shù); g --鍋爐鋼; R --容器鋼; Mn ---含錳元素約1%。 (3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 特點(diǎn):磷硫雜質(zhì)極少 P,S含量≤0.03%。 表示法:如20A,6.2 低合金鋼及特殊性能鋼,合金元素對(duì)鋼的影響 ——為改善鋼材性能特意在碳鋼中加入合金元素,以改變鋼材性質(zhì),即為合金鋼。例如: 鉻:耐腐蝕抗氧化; 提高了強(qiáng)度硬度和耐磨性; 使鋼材的韌性和塑性降低。 錳:提高強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。 鎳:提高淬透性,保持良好塑性和韌性; 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性; 提高熱強(qiáng)性能。 硅:提高強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、耐熱性、耐H2S腐蝕; 降低了塑性和沖擊韌性。,1.成分特點(diǎn): ※由碳素鋼+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素組成; ※含碳量均較低,≤0.2%; ※合金元素總含量<5% 。 2. 相對(duì)于碳素鋼,其性能特點(diǎn): ※強(qiáng)度提高; ※耐腐蝕性能提高; ※低溫性能提高。,低合金鋼,,6.2 低合金鋼及化工設(shè)備用特種鋼,3.常用材料:板,管,圓鋼等型材。 4.用途: 廣泛用于造船,壓力容器,橋梁,高壓鍋爐,汽車,礦山機(jī)械,農(nóng)業(yè)機(jī)械等。 5.常用材料: 16MnR,15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR….,碳素鋼與低合金鋼比較,鍋爐鋼和容器鋼,1.工作環(huán)境: 鍋爐:中溫或高溫;中壓或高壓。 容器:壓力;溫度;介質(zhì)腐蝕;操作特點(diǎn)。 2.對(duì)材質(zhì)要求: 1)較高的強(qiáng)度; 2)良好的塑性、韌性和冷彎性能; 3)較低的缺口敏感性; 4)良好的焊接性能和其他工藝性能; 5)良好的冶金質(zhì)量。,3.常用的材料: 鍋爐鋼—— 20g;12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。 容器鋼——(GB150-1998 《鋼制壓力容器》推薦) Q235-B,Q235-C; 20R; 16MnR,15MnVR,15MnVNbR,18MnMoNbR。,7月20日上午天水方大建材有限公司某生產(chǎn)車間內(nèi)的4個(gè)壓力容器中一個(gè)不明原因脫離閥門,巨大的沖擊力將該容器彈射出十余米,撞向生產(chǎn)車間后墻并將墻撞了個(gè)窟窿后才停了下來。由于“肇事”容器射出時(shí)磨擦力擦出火花,加之巨大的沖擊力將電源震壞,因此事故現(xiàn)場(chǎng)上空火光一片。經(jīng)查,事發(fā)時(shí),生產(chǎn)車間有13名工人,其中4人不幸遇難,5人受傷。,壓力容器事故 一 甘肅天水壓力容器爆炸,山西嘉寶酒業(yè)鍋爐爆炸 壓力容器事故 二,事故經(jīng)過:2000年11月28日,寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸,造成2人死亡, 2人重傷, 2人輕傷,直接經(jīng)濟(jì)損失30萬元,間接損失20萬元。,事故原因:私自制造鍋爐,自行安裝投入使用,制造安裝人員均沒有專業(yè)方面的知識(shí)。,壓力容器事故 三 寧波北侖港電廠鍋爐爆炸,事故經(jīng)過:1993年3月10日,寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸,死亡23人,傷24人,直接經(jīng)濟(jì)損失778萬元,修復(fù)132天少發(fā)電近14億度。,事故原因:主要可能因?yàn)殄仩t嚴(yán)重結(jié)渣,落渣進(jìn)入水產(chǎn)生蒸汽,蒸汽進(jìn)入爐膛,造成壓力升高。,不銹耐酸鋼,不銹---耐大氣腐蝕; 耐酸---耐酸及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。 常用品種: 1)鉻不銹鋼---如1Cr13,2Cr13,0Cr13等。 第一個(gè)數(shù)字---含碳量的千分?jǐn)?shù); Cr13---含鉻13%。 ◎組織成分:鉻固溶于鐵素體的晶格中形成固溶體。,◎“不銹”的原因: 在氧化性介質(zhì)中,鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜,對(duì)鋼材起保護(hù)作用。,◎性能特點(diǎn): 碳的作用---與鉻生成碳化鉻(Cr23C6),消耗大量的鉻。為保證耐腐蝕性能,不銹鋼中碳含量越低越好。,鉻的作用: ——能提高耐腐蝕性能。實(shí)際鉻不銹鋼的平均含鉻量≥13%。 ——能提高鋼的淬透性,顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性,而塑性、韌性降低。 用作受載荷大的耐蝕零件,如軸類,活塞桿、螺栓、浮閥等。,鉻鎳不銹鋼,常用鉻鎳不銹鋼型號(hào):06Cr19Ni10 式中 06---含碳量的千分?jǐn)?shù),C≤0.08%; Cr19---含鉻量17-19%; Ni10---含鎳量8-11%左右。 通常以鉻鎳平均含量“18-8”標(biāo)志這種鋼。 組織特征:C、Cr、Ni固溶于奧氏體晶格中,是單一的奧氏體組織。,性能特點(diǎn): ①耐腐蝕性好 ※Cr含量≥13%,表面形成氧化膜; ※組織為單一的奧氏體,在電解液中不能形成微 電池,避免了電化學(xué)腐蝕。 ②力學(xué)性能優(yōu)異。 ③在400~850℃期間,碳生成碳化鉻在晶界析出,使晶 界附近貧鉻(鉻含量低于12%)導(dǎo)致晶間腐蝕。 !不能反復(fù)施焊,否則必須進(jìn)行熱處理。 ④不耐氯離子腐蝕。,耐熱鋼,高溫環(huán)境---原油加熱、裂解、催化等。如轉(zhuǎn)化爐爐管,工作溫度為650~800℃。 碳鋼使用溫度一般在400℃以下。 如20鋼 500℃時(shí)屈服點(diǎn)只有50MPa,變得很軟,鋼中的Fe3C分解出石墨碳(石墨化過程);同時(shí)鋼表面生成氧化皮,層層剝落。 ——碳鋼在高溫下強(qiáng)度和抗氧化性均下降。,高溫設(shè)備對(duì)材料的要求: ①化學(xué)穩(wěn)定性?!挚垢邷貧怏w(O2、H2S、SO2 等)腐蝕的能力。加入Cr、Al、Si等合金元素,鋼的表面能生成致密的氧化膜,保護(hù)鋼的表面。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。 ②熱強(qiáng)性——抗高溫蠕變能力 熱強(qiáng)鋼——抗蠕變,有一定抗氧化能力 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等,低溫用鋼,低溫環(huán)境——天然氣液化、空氣分離、潤(rùn)滑油脫脂、輕烴回收等。 普通碳鋼在低溫下(-20℃以下)變脆,沖擊韌性顯著下降。 低溫用鋼的基本要求: 具有良好的韌性(包括低溫韌性),良好的加工工藝性能和可焊性; 低溫用鋼的組織成分特點(diǎn): 含碳量盡可能低,以形成單相鐵素體組織,再加入適量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。,6.3.有色金屬,,1.特性:1)密度小,體輕; 2)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好。不產(chǎn)生火花; 3)塑性高,強(qiáng)度低; 4)易冷加工,可焊,可鑄; 5)耐低溫; 6)一定的耐腐蝕性; 7)不污染食物。 濃硝酸設(shè)備、熱交換器、食品工業(yè)設(shè)備等,鋁及其合金,銅及其合金,1.純銅(紫銅) 特性:1)塑性好,導(dǎo)電性好,導(dǎo)熱好; 2)低溫下保持較高塑性和沖擊韌性; 3)耐低濃度酸。 用途:深冷裝置;密封墊片。 常用材料:T2,T3,T4,TUP(用磷脫氧的無氧純銅)。,2.黃銅 ——銅與鋅的合金。 特性:鑄造性能好;較高的力學(xué)性能;易切削加工;可焊接;耐蝕性較好;有應(yīng)力腐蝕開裂傾向。 用途:深冷設(shè)備的筒體、管板、法蘭及螺母等。 化工常用材料:H80,H68,H62等。,,,,,,,銅含量%,,代號(hào),3.青銅 常用材料:錫青銅(銅錫合金) ——鑄造青銅用場(chǎng)較多。 特點(diǎn):良好的耐腐蝕性,耐磨性。 用場(chǎng):泵殼,軸承,渦輪,閥門等。,鈦及其合金,特點(diǎn):1)密度不大而強(qiáng)度高; 2)耐腐蝕性能近乎或超過不銹鋼; 3)耐熱。 用場(chǎng):航空工業(yè),化學(xué)工業(yè)。,6.4 非金屬材料,無機(jī)非金屬材料 1. 化工陶瓷 特點(diǎn):1)良好的耐腐蝕性能; 2)足夠的不透性、耐熱性; 3)一定的機(jī)械強(qiáng)度; 4)性脆易裂,導(dǎo)熱性差。 用場(chǎng):化工陶瓷設(shè)備及管道,管件等。,2.化工搪瓷,——含高硅的瓷釉經(jīng)900℃煅燒,密著在金屬胎表面而成。 特點(diǎn):1)優(yōu)良的耐腐蝕性能; 2)優(yōu)良的電絕緣性能; 3)易碎裂。 用場(chǎng):搪瓷設(shè)備,如反應(yīng)釜、儲(chǔ)罐、換熱器、塔、閥門等。,有機(jī)非金屬材料,1. 工程塑料 高分子合成樹脂+ 填料——提高力學(xué)性能; 增塑劑——降低硬度和脆性; 穩(wěn)定劑——延緩老化; 固化劑——加快固化速度。 特點(diǎn):1)良好的耐腐蝕性能; 2)一定的機(jī)械強(qiáng)度; 3)密度不大; 4)價(jià)格較低。,常用材料: 硬聚氯乙烯塑料 聚乙烯塑料 耐酸酚醛塑料 聚四氟乙烯塑料 玻璃鋼,塑料瓶底的數(shù)字,一般礦泉水瓶子,底部標(biāo)示 1,農(nóng)夫山泉4升裝, 底部標(biāo)示 2,,,,,,,,,2.涂料 ——高分子膠體的混合物溶液。 用途:設(shè)備防腐 常用涂料: 防銹漆; 底漆; 大漆; 環(huán)氧樹脂漆; 酚醛樹脂漆等。,3. 不透性石墨,——各種樹脂浸漬石墨,消除孔隙而成。 特點(diǎn):1)較高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)熱性,熱膨脹系數(shù)小,耐溫度急變性好; 2)不污染介質(zhì); 3)加工性能好,相對(duì)密度?。? 4)力學(xué)性能較低,性脆。 用場(chǎng):腐蝕性強(qiáng)的換熱器;泵,管道,機(jī)械密封環(huán),爆破片等。,- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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