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