1. Основные требования к выбору конструкционных материалов. Виды конструкционных материалов.

Специфические условия эксплуатации химического оборудования определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

1. высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах рабочих параметров.

2. высокая механическая прочность при заданном рабочем давлении, температуре, дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппарата.

3. хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств в сварных соединениях.

4. низкая стоимость и недефицитность материалов.

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, делятся на 4 класса:

- стали

- чугуны

- цветные металлы и сплавы

- неметаллические материалы

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2%, кроме того, в состав стали входят примеси кремния, магния, серы, фосфора.

По химическому составу делятся на несколько групп:

- углеродистая, обыкновенного качества

- углеродистые конструкционные

- легированные конструкционные и т.д.

Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий (1,2,3,4,5,6). Чем больше номер категории, тем выше механическая прочность стали и ниже её пластичность.

По степени раскисления стали изготавливают:

- кипящие

- полуспокойные

- спокойные

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышается после термической обработки (спец.нагрев и закалка). Термическая обработка низкоуглеродистых сталей улучшает механические свойства стали и приносит значительный экономический эффект.

Спокойные стали - содержат минимальное количество оксида железа, что обеспечивает спокойное застывание стали в изложнице.

Кипящие стали - полностью не раскислены, поэтому при застывании из металла выделяются пузырьки СО, образующиеся за счет реакции оксида железа с углеродом стали. Эти стали обладают худшими механическими и технологическими показателями, но они наиболее дешевы.

Полуспокойные находятся в промежутке между ними.

Для улучшения физико-химических характеристик стали и придания им особых свойств (жаростойкость, кислотостойкости, жаропрочность) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и др. металлургических добавок кремния, магния, фосфора, серы. Содержание углерода=0,28-3,7%, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит), около 0,8-0,9% находится в связанном состоянии в виде угментита (карбида железа). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:

- чугун серый, в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита.

- чугун белый, углерод выделяется в связанном состоянии.

- чугун отбеленный, в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина – структуру серого чугуна.

- чугун половинчатый, в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья земляных и металлических форм.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, т.к. имеет сравнительно низкую стоимость, он обладает хорошими механическими свойствами. Недостаток: низкая пластичность, поэтому ковка и штаммов серого чугуна даже в нагретом состоянии не возможна.

Марки серого чугуна содержат 2 числа: первое - характеризует предел прочности на растяжение; второе - предел прочности на изгиб.

Для получения качественного чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации низкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Чугун бывает ковкий (пониженное содержание С и кремния) и высокопрочный (присадка магния или его сплавов). Ковкий отличается от серого пониженным содержанием углерода кремния, что делает его более пластичным, т.е. имеет возможность выдержать значительные деформации.

Цветные металлы и их сплавы. Применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются:

Алюминий, Медь, Никель, Свинец, Титан, Тантал.

Алюминий обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированная азотная кислота, разбавленная серная кислота, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Механические свойства алюминия зависят от температуры, верхняя предельная температура применения 200⁰С. Алюминий не стоек к действию щелочей. Из него изготавливают почти всю аппаратуру для производства и хранения и транспортировки концентрированной кислоты.

Медь. Взаимодействие меди и кислорода начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красный цвет). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах, поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты. Относительно устойчива к действию органических кислот.

Свинец. Обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно в серной кислоте вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая легкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивает применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако, широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца качестве генерирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит.

Никель. Обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, и не стоек к действию азотной кислоты. Широко применяется для получения жаропрочных сплавов, и сплавов с особыми физико-химическими свойствами.

Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8-10 раз дороже изделий из хромоникелевых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей. Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколегированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении, как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Неметаллические конструкционные материалы.

Делятся на органические и неорганические. К неорганическим относятся: фосфор, асбест, эмаль, диабаз, керамика, стекло.

Диабаз получают обработкой определенных горных пород.

Асбесты - тонковолокнистые материалы, в основном состоящие из гидросиликатов магния. Важнейший из асбестов - хризотил.

Керамика - состоит из 50-75% кремнезема и 20-30 % глинозема. Устойчива к действию минеральных кислот, разрушается под действием щелочей.

К органическим относятся: графитовые материалы, Антегмиты, графитолиты, фаолит, винопласт, полиэтилен.

Графитовые материалы занимают одно из ведущих мест. Обладают высокой химической стойкостью, хорошей теплопроводностью и прочностью.

Фаолит - композиция фенолформальдегидной смолы и кислотостойкого наполнителя (асбеста, графита)

Винопласт - термопластичные конструкционный материал на основе поливинилхлорида с различными добавками.