Часть 5. Номенклатура неметаллических материалов для антикоррозионной техники

Выбор материалов для изготовления из них оборудования, эксплуатируемого в контакте с агрессивными средами, является одной из ответственных задач. Именно материалы обеспечивают работоспособность, надежность и долговечность конструкций. В этой связи, помимо необходимых физико-механических характеристик, материалы должны обладать достаточно высокой химической стойкостью к действию технологической среды. Немаловажным фактором в решении вопроса о выборе того или иного материала для проектируемого объекта является экономическая целесообразность.

На практике часто приходится прибегать к применению антикоррозионной защиты изделий, изготовленных из черных металлов или из материалов, недостаточно устойчивых к действию технологической среды. Среди мероприятий по антикоррозионной защите видное место занимают защитные покрытия из неметаллических материалов. Значительный технико-экономический эффект достигается при изготовлении многих технических объектов из конструкционных неметаллических материалов.

Таким образом, понятие «неметаллические материалы» включает в себя огромное разнообразие материалов как природного (естественного) происхождения (например, горные породы – граниты, бештауниты, андезиты, асбест, мрамор, древесина, натуральные каучуки, масла и т.п.), так и материалы, полученные искусственным путем (камне-керамические материалы, синтетические смолы и пластмассы, синтетические каучуки и резины, композиты и т.п.).

Вне зависимости от способа получения, назначения, методов переработки и применения все они могут быть условно разделены на материалы неорганического происхождения (силикатные материалы) и органического происхождения (синтетические смолы, каучуки и резины, пластмассы, лакокрасочные материалы и т.д.). Условность такой классификации становится очевидной, если обратить внимание на композиционные материалы, которые сочетают в себе компоненты, имеющие как неорганическое, так и органическое происхождение.

В настоящем разделе рассмотрены искусственные материалы, широко применяемые в антикоррозионной технике, относящиеся к классу неорганических (силикатные материалы) и к классу органических, включая композиты на полимерной основе.

Глава 19. Силикатные материалы

19.1. Классификация, методы изготовления, номенклатура изделий

Как отмечалось в главе 17, химическая стойкость неметаллов, в частности силикатных материалов определяется в первую очередь их химическим составом. Как правило, искусственные силикатные материалы предназначаются для эксплуатации в кислых средах. Поэтому в качестве сырья для их изготовления выбираются природные материалы, в составе которых преобладают кислотные оксиды – кремнезем, низкоосновные силикаты и алюмосиликаты. Чем выше содержание кремнезема SiO₂, тем выше кислотостойкость материала, исключая, конечно, плавиковую кислоту. С другой стороны, преобладание основных оксидов обуславливает высокую стойкость в щелочных средах, но вызывает их разрушение в кислотах.

Не меньшее значение имеет и минералогический состав силикатных материалов, количество отдельных его составляющих и их свойства. Необходимо также при выборе тех или иных изделий из силикатных материалов учитывать, благодаря каким веществам достигается монолитность изделия. Таким образом, при выборе изделий из силикатных материалов для реализации какой-либо конструкции следует руководствоваться соображениями и сведениями, изложенными в части 1 и в последующих разделах настоящего пособия.

Вне зависимости от химического состава искусственные силикатные материалы по методу их производства можно разделить на две группы:

1. Материалы, получаемые путем плавления горных пород или других природных веществ;

2. Материалы, получаемые путем спекания природных веществ.

Поскольку материал, как понятие, практически всегда реализуется в виде конкретного изделия, то для их изготовления в зависимости от способа получения материала и его свойств используются различные методы: формование, литье, прессование. Изделия могут иметь самостоятельное конструкционное назначение (трубы, элементы химических аппаратов, трубопроводная арматура и т.д.) или использоваться в качестве защитных покрытий по металлу или другим конструкционным материалам: различные плитки и фасонные изделия для футеровки, стеклоэмалевые покрытия и др.

В случаях, когда силикатные материалы используются для футеровки, необходимы вяжущие материалы, с помощью которых элементы футеровки прикрепляются к защищаемой поверхности и соединяются между собой. Для этой цели используются силикатные вяжущие материалы.

19.2. Материалы, получаемые плавлением природных силикатов

19.2.1. Каменное литье

Каменным литьем называются материалы, получаемые плавлением изверженных горных пород (базальты, диабазы, габрро и др.), шихт из осадочных горных пород или шлаков цветной и черной металлургии с различными добавками. Плавление обычно осуществляется в электрических печах. Расплавленная масса разливается в формы. Полученные изделия после остывания подвергаются термической обработке для снятия внутренних напряжений.

Основным сырьем для каменного литья является базальт, к которому добавляют 7 – 8% горной породы горнблендита (отходы титаномагнетитового рудника) и 1,5% хромистого железняка. Состав конечного продукта в изделии: 47 – 48% SiO₂; 15 – 16%Al₂O₃; 15 – 16%FeO+Fe₂O₃; 11 – 12% СаО; 6 – 7%MgO; 2 – 4% К₂О.

Несмотря на то, что содержание SiO₂в плавленом базальте не превышает 50% он обладает исключительной стойкостью к любым реагентам, кроме плавиковой кислоты. Кислотостойкость изделий из плавленого базальта во всех остальных минеральных и органических кислотах оценивается в 99 – 100%. Он устойчив также в щелочах любой концентрации при обычных температурах. Эта уникальная химическая стойкость плавленого базальта обуславливается весьма плотной кристаллической структурой (объемная масса равна его плотности – 2,9 – 3,0 г/см³), что обеспечивает непроницаемость изделия (открытая пористость равна нулю, а водопоглощение – 0,02%).

Плавленый базальт обладает высокой твердостью, износостойкостью и механической прочностью (разрушающее напряжение на сжатие достигает 500 МПа). Естественно, что сочетание всех перечисленных свойств в одном материале позволяет применять изделия из плавленого базальта в различных отраслях промышленности. Однако, материалу свойственны и существенные недостатки. Прежде всего, низкая термостойкость не позволяет эксплуатировать изделия из плавленого базальта при температурах выше 150⁰С. Значительная сложность отливки изделий больших габаритов ограничивает их размеры. Возникают трудности и при механической обработке рабочих поверхностей деталей из плавленого базальта, что требует применения алмазного инструмента.

Отечественная практика располагает опытом изготовления из плавленого базальта царг химических аппаратов диаметром до 350 мм, отдельных элементов аппаратов (распределительные решетки, тарелки и колпачки ректификационных колонн), центробежных насосов, труб и элементов трубопроводных систем (фасонные детали, пробковые краны) диаметром до 150 мм, шаров для шаровых мельниц, разнообразной номенклатуры плиток, кирпичей, блоков для футеровочных работ (так называемых, штучных изделий) и ряда других фасонных изделий и элементов.

В качестве примеров, эффективного использования плавленого базальта как футеровочного материала можно привести следующие объекты:

1. Аппараты емкостью 6 – 8 м³для перекачивания минеральных кислот (серной, азотной, соляной) и смесей, работающие при давлении 0,2 – 0,4 МПа и 80⁰С;

2. Сатураторы для получения аммиачной селитры и сульфата аммония, в которых осуществляется нейтрализация азотной или серной кислоты аммиаком, когда температура повышается до 150 ⁰с;

3. Шаровые мельницы для сухого и мокрого помола различных химических веществ, в которых корпус футеруется плитками из плавленого базальта, а рабочие элементы – шары - также изготовлены из этого материала;

4. Лопатки мешалок для экстракторов в производстве суперфосфата диаметром 120 мм и длиной 450 мм.

Плитки из плавленого базальта применяются в строительстве зданий и сооружений химических и родственных производств, в качестве верхнего покрытия полов, для защиты стен, колонн, фундаментов и других строительных конструкций от действия агрессивных кислых и щелочных сред. При устройстве сливных каналов и коллекторов для отвода агрессивных жидкостей эффективны желоба из плавленого базальта.

19.2.2. Плавленый кварц

Плавленый кварц или кварцевое стекло получают путем плавления в электропечах при температуре 1700 – 1800⁰С наиболее чистых природных разновидностей кристаллического кварца (горного хрусталя, жильного кварца или кварцевого песка), в котором содержаниеSiO₂достигает 98 – 99%. В зависимости от вида исходного сырья и технологии плавления различают прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло. В качестве самостоятельного конструкционного и футеровочного материала обеспечивающего химическую стойкость технических конструкций, применяют непрозрачное кварцевое стекло (плавленый кварц), получаемое из чистого кварцевого песка, содержащего 99,95%SiO₂(остальное – оксидыAl₂O₃;Fe₂O₃;СаО;MgO;Na₂О с содержанием от 0,004 до 0,04%).

Высокая вязкость расплавленной массы не позволяет изготавливать изделия методом литья. Для этих целей применяют прессование, вытяжку или литье под давлением (литьевое прессование). Для изготовления изделий сложной конфигурации применяют сварку отдельных деталей. Благо, что кварцевое стекло хорошо сваривается и не требует последующей термообработки сварного шва. Это свойство обусловлено весьма незначительным коэффициентом линейного термического расширения кварцевого стекла. Изделия из кварцевого стекла, нагретые докрасна, не трескаются при погружении в воду. Отсутствие внутренних напряжений в кварцевом стекле, в связи с незначительным коэффициентом линейного расширения, позволяет подвергать материал механической обработке.

Плавленый кварц устойчив к действию практически всех минеральных и органических кислот любых концентраций при высоких температурах. Исключение составляют плавиковая кислота, которая растворяет материал даже при комнатной температуре, и фосфорная кислота, разрушающая плавленый кварц при температуре выше 250 ⁰С.

Разбавленные растворы щелочей при комнатной температуре на кварцевое стекло не действуют, но концентрированные растворы, особенно при нагреве, заметно его растворяют. Однако этот процесс контролируемый, т.к. из-за высокой плотности кварцевого стекла взаимодействие идет только на поверхности материала. Высокая плотность обуславливает и низкую газопроницаемость кварцевого стекла даже при высоких температурах (500 – 700 ⁰С в зависимости от атомного веса газа).

Вследствие структурных превращений и ухудшении при этом физико-механических свойств, плавленый кварц возможно длительно эксплуатировать при температурах, не превышающих 1100⁰С.

В химических аппаратах плавленый кварц широко применяется для давлений 0,3 – 0,5 МПа. Трубопроводы из него диаметром 100 – 150 мм можно эксплуатировать при давлениях до 0,5 – 0,8 МПа.

19.2.3. Силикатные стекла

Силикатные стекла получают путем плавления шихты, состоящей из песка, алюмосиликатов, боросиликатов, соды и других компонентов. В зависимости от состава шихты температура ее плавления равна 1250 – 1450⁰С. Изделия из силикатных стекол получают методами литья, раздува, протяжки. Застывшая стекольная масса – это прозрачное, аморфное тело изотропного строения. Силикатные стекла отличаются высокой хрупкостью, низкой прочностью при растяжении и хорошей сопротивляемостью сжимающим нагрузкам.

Силикатные стекла легче переносят процесс нагревания, чем охлаждения. При резком охлаждении действуют растягивающие напряжения, приводящие к разрушению изделий из стекла.

По химическому составу силикатные стекла, применяемые для изготовления химической аппаратуры, трубопроводов, лабораторной посуды и различных приборов, можно разделить на три группы:

1. Натриево-кальциевосиликатные стекла, которые содержат 13 – 20% щелочных оксидов. Еще их называют щелочными стеклами. Эти стекла применяют для изготовления тонкостенной лабораторной посуды и крупногабаритной аппаратуры с толстыми стенками. Наличие в составе этих стекол большого количества щелочных оксидов обуславливает их сравнительную лекгоплавкость и легкость формования различных изделий. Однако, высокое содержание щелочей снижает термостойкость стекол; их можно применять при перепаде температур до 80 – 90⁰С.

2. Боросиликатные и алюмоборосилактные стекла, которые содержат 6 – 18 % В₂О₃и 4 – 10%Na₂О. Некоторые из них включают 5 – 6%Al₂О₃. Эти стекла используют для производства химической аппаратуры, т.к. их отличает хорошая термостойкость и высокая химическая стойкость. К этой группе относятся стекла типа «пирекс», которые содержат свыше 12% В₂О₃и небольшое количество щелочных оксидов (не более 5%).

3. Алюмосиликатные безборные или малоборные стекла, характеризующиеся пониженным содержанием щелочных оксидов (бесщелочные стекла). Алюмосиликатные стекла отличаются высокой температурой размягчения и сравнительно высокими механическими свойствами, что позволяет применять их для изготовления изоляторов, жаростойкой посуды, стеклянных волокон, труб промышленного назначения и других изделий.

Большинство изделий из силикатных стекол не рекомендуется эксплуатировать при температурах выше 250⁰С.

Химическая стойкость силикатных стекол такая же, как и плавленого кварца, хотя в определенной мере она зависит от их химического состава. В частности, повышенное содержание щелочных оксидов, увеличивает стойкость стекла к действию основных сред.

Отжиг стекол на 20% повышает их химическую стойкость. Обработка поверхности стекол кислотами (кроме плавиковой и фосфорной) с последующим нагреванием до 400⁰С также способствует повышению их химической стойкости.

Из стекла проектируют и выпускают сосуды, аппараты и комплектные установки для выпаривания растворов, дистилляции и перегонки химических веществ и экстракции. Выпускают реакционные аппараты грушевидной, цилиндрической и шарообразной формы. Применяя сварку, можно изготовить цилиндрический аппарат емкостью в 150 л. Для нагревания или охлаждения реакционной среды в аппараты помещают стеклянные змеевики с поверхностью нагрева до 1 м³. При необходимости их можно изготовлять из коррозионностойкой стали, меди, титана, серебра

Детали химической аппаратуры из стекла изготавливают стандартными, что дает возможность собирать из них необходимые установки.

Для процессов ректификации и абсорбции выпускают и стеклянную аппаратуру, состоящую из отдельных царг и решеток, на которые помещают кольца Рашига. Решетки устанавливают между фланцами, применяемыми для соединения царг, как и в случае керамической аппаратуры.

В различных отраслях, где приходится транспортировать агрессивные жидкости, чистота которых лимитируется чрезвычайно низким содержанием примесей, хорошо зарекомендовали себя трубопроводные системы, состоящие из стеклянных труб и фасонных деталей к ним.

Для перекачки жидкостей высокой степени чистоты отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают центробежные и другие типы насосов из стекла

19.2.4. Ситаллы

Ситаллами называются стекло-кристаллические материалы – продукты кристаллизации стекол с очень мелкими (0,01 – 1,0 мкм), равномерно распределенными по объему материала кристаллитами, сросшимися друг с другом или соединенными тонкими прослойками остаточного стекла.

В отличие от силикатных стекол, процесс кристаллизации которых неуправляемый и трудно осуществим, в ситаллах удается провести управляемую кристаллизацию. В результате возможно получить закристаллизованные материалы с весьма однородной микрокристаллической структурой.

Благодаря этому ситаллы обладают комплексом ценных физико-химических, механических и эксплуатационных свойств, которые позволяют успешно использовать их в качестве конструкционных и футеровочных материалов в химической промышленности. В числе выгодных свойств – высокая прочность, термостойкость, химическая стойкость в кислотах и щелочах. Ситаллы хорошо сопротивляются воздействию газовых сред при высоких температурах (хлор, хлористый водород, хлориды и бромиды некоторых металлов, сернистые газы и др.).

По способу производства, исходному сырью и важнейшим свойствам ситаллы подразделяются на два основных типа: технические ситаллы и шлакоситаллы. Технические ситаллы изготавливают из стекла, полученного на основе оксидов с добавками минерализаторов, подбираемых в зависимости от заданных требований к материалу и обеспечивающих нужный ход кристаллизации. Они предназначены для применения в машиностроительной, химической и родственных с ними отраслях промышленности.

Шлакоситаллы изготавливают из стекла, получаемого на основе металлургических шлаков и кварцевого песка. Они предназначаются для строительных работ на промышленных объектах. Основные свойства ситаллов даны в таблице 19.1.

Из ситаллов изготавливают плитки предназначенные для защиты химических аппаратов (футеровке), реакционные аппараты малой емкости и различные элементы химических аппаратов (горелки, колпачки ректификационных тарелок, царги колонных аппаратов, распределительные решетки, чехлы для термопар и др.).

Трубы из ситаллов диаметром 3 – 100 мм пригодны для теплообменников, особенно при больших перепадах температур и действию абразивных пульп и суспензий. Весьма эффективно применение подшипников скольжения из ситаллов, например подпятников валов перемешивающих устройств, эксплуатируемых в условиях контакта с агрессивными средами при температурах до 540⁰.

Таблица 19.1.