Лекция 2. Конструкционные материалы

Тема 2.1 «Конструкционные материалы химического машиностроения»

В химическом машиностроении потребляется большое количество разнообразных конструкционных материалов (КМ), к которым предъявляются разнообразные противоречивые и жесткие требования

Высокая прочность и пластичность; высокая теплопроводность и теплоизоляционные свойства; возможность применения различных методов (механических, термических, электрических, химических, диффузионных, 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.

Виды КМ

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

Самый важный класс конструкционных материалов всей техники. Железо – довольно твёрдый серебристо-белый металл.

Чистое железо использутся только в электротехнических изделиях.

В качестве конструкционных материалов для основных узлов применяются железоуглеродные сплавы: чугуны и углеродистые стали, а также стали с добавками иных металлов – легированные. Кроме того, определённое применение в не контактирующих со средой узлах находят железо-, кремне-, алюминеуглеродные сплавы – ферросилиций; силаль, сихромаль.

Чугуны

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода от 2,03 до 5,7 %. Получают в результате доменного процесса из железной руды. Чугуны, содержащие менее 4,25 % углерода, называют доэвтектическими; свыше 4,25 % углерода, называют заэвтектическими

По плотности и теплоёмкости чугуны почти не отличаются от сталей. Как правило, имеют большую теплопроводность. Высокоферромагнитны. Химическая стойкость чугунов в водных средах, особенно кислых, невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий-нестойкий».

Достоинства чугунов: хорошо льются, а также поддаются обработке резанием и шлифованием. Благодаря этому, на чугунном оборудовании формируют гладкие поверхности, что позволяет наносить на чугунные аппараты разнообразные устойчивые защитные покрытия; в первую очередь – эмалевые, которые на чугуне держатся лучше, чем на стали.

Основные недостатки чугунов – хрупкость и несвариваемость.

Из чугуна изготавливают корпуса трубопроводной арматуры; сосудов и реакторов-котлов, а также разнообразные детали и узлы механических агрегатов.

Тз-за хрупкости чугуна стенки сосудов приходится делать толстыми (не менее 18 мм). Поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной или титановой. Чугунные аппараты малопригодны для ведения высокоэнергетичных процессов. В настоящее время использование чугуна сокращается.

Углеродистые стали

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода не более 2,03 %. Получают в результате конвертерных процессов из чугуна или непосредственно из железной руды.

Как и чугуны – ферромагнитны.

Маркировка углеродистых сталей включает: аббревиатуру «Ст»; цифровое указание массовой доли углерода в десятых или сотых долях %; буквенное обозначение технологии удаления кислорода/раскисления (Сп–спокойная; Кип – кипящая).

Пример маркировки:

Ст10 Сп

В сталях жёстко ограничивают содержание серы (<0,02 %) и фосфора (<0,03 %).

Обладают высокими пластическими, прочностными и технологическими характеристиками. К ним хорошо применимы все методы механической, термической и оптической обработки.

Химическая стойкость углеродистых сталей в водных и водно-органических средах, особенно кислых, также невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий - нестойкий». Стали довольно устойчивы к щелочным и аммонийным средам. Органические кислоты, особенно муравьиная и уксусная, корродируют углеродистые стали.

Используют для изготовления всех видов и типов химического оборудования. Детали, предназначенные для контакта с агрессивными средами, подлежат антикоррозийной защите. В настоящее время использование углеродистых сталей сокращается.

Коррозионностойкие стали

Основной способ улучшения свойств углеродистых сталей – введение в состав сплава т. н. легирующих добавок – компонентов, обеспечивающих повышение отдельных или сразу многих качеств сплава. Стали, содержащие такие добавки, называют легированными.

Для химического машиностроения наиболее важно улучшить антикоррозионные свойства. Соответственно, коррозионностойкие стали представляют важнейший класс легированных.

Наиболее сильным пассивирующим действием на стали обладают хром, никель, титан, ниобий и марганец.

Коррозионностойкие стали делят на три класса: низколегированные (НЛС), среднелегированные (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 основных легирующих элементов: Х –хром; Н – никель; Т – титан; М – молибден;

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 %

Легированные стали, как правило, отличаются большей прочностью, твёрдостью и вязкостью, чем углеродистые. Поэтому они сложнее поддаются термической и механической обработке и хуже поддаются литью (за исключением некоторых марок).

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.