Тема 2.2 «Конструкционные материалы химического машиностроения». Силикатные материалы

Так в целом называют все материалы, существенным компонентом которых является двуокись кремния. В основном это полиминералы: полиоксиды; полисиликаты; силикаты-карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и железа.

Общими свойствами таких материалов являются высокая твёрдость; хрупкость (кроме асбеста); высокая химическая стойкость в большинстве сред (особенно кислых), кроме крепких щелочей, фтора и фторидов.

Природные силикатные материалы

Граниты. Гетерогенные минералы; состоят из (70…75)% SiO₂; (13…15)% Al₂O₃; (7…10)% Na₂O, CaO и MgO. Кислотостойкие, твердые, термостойкие до 250°С.Гранитные блоки и плитку применяют для футеровки аппаратуры бромного и йодного производства, абсорберов азотной кислоты и HCl, а также других кислых газов. Из гранита вытачивают корпуса электрофольтров.

Бештауниты (от названия горы Бештау). Содержат (60…70)% SiO₂; (30…40)% Al₂O₃, Na₂O,CaO и MgO. Кислотостойкие, твердые, термостойкие до 800°С.Бештауниты используют как футеровочный материал для аппаратуры, контактирующей с кислыми средами.

Андезиты. Содержат (59…62)% SiO₂; (30…40)% Al₂O3, Na₂O,CaO и MgO. Кислотостойкие, менее твердые, чем граниты и бештауниты, термостойкие до 200°С.Андезиты также применяют для футеровки и как наполнитель в кислотостойких цементах и бетонах.

Асбест. Дигидрат силиката магния 3MgO·2 SiO₂·2H₂O. Уникальный по структуре и свойствам минерал. Термостоек до 1700°С. До недавнего времени являлся основным теплоизоляционным материалом для наружных поверхностей аппаратуры и трубопроводов; в настоящее время вследствие токсичности используется ограниченно.

Искусственные силикатные материалы

Каменное литьё

Материал, получаемый сплавлением горных пород при (1400…1450)°С. Сырьём служат – базальты, диабазы, шихта, металлургические шлаки. Стоек к любым реагентам, кроме HF. Твёрдый, износостоек, термостойкий до 150°С.

Из диабаза и каменного литья делают футеровочные плитки и блоки, трубы, фасонные изделия, желоба, литые царги абсорбционных колонн.

Стекло

Общее название материалов, получаемых сплавлением двуокиси кремния с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, Al₂O₃, В₂O₃, оксидами переходных металлов. Стёкла аморфны – являются твёрдыми растворами. Отличительная особенность стёкол – прозрачность и хрупкость. Твёрдость, электропроводность. В химической технике широко применяются стёкла, отличающиеся минимальным линейным расширением, стойкостью и тугоплавкостью.

Алюмоборосиликатные стекла. Содержат (60…65)% SiO₂; (15…16)% Al₂O₃; (15…16)% В₂O₃; (1…2)% Na₂O; (11…12)% CaO и (6…7)% MgO, а также до 15 % оксидов Mo, V, W – и до 2% F. Основной тип химически стойких стёкол. Твёрдость, электропроводность, теплопроводность. Выдерживают нагрев до t=(450…1000)°C. Стойки к любым реагентам, кроме HF, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты (при t>150°С).

Кварцевое стекло. Содержит (98…99,5)% SiO₂. Получают электротермическим плавлением наиболее чистого кварцевого песка при t=(1750…1800)°C. Электропроводность, теплопроводность. Выдерживает длительный нагрев до t=(1100…1200)°C; кратковременный – до t=(1300…1400)°C. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250°С). Газонепроницаемо при температурах до t=1300°C. Отличаются наименьшим линейным расширением.

Ситаллы. Стеклокристаллические материалы, получаемые путём направленной кристаллизации стекольных расплавов. При использовании в качестве присадок минерализаторов получают технические ситаллы, при использовании металлургических шлаков – шлакоситаллы.

Благодаря кристаллической структуре превосходят обычные стёкла по прочности в среднем в 5 раз. Термостойки при температурах до t=1000°C. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250°С).

Стёкла и ситаллы – исключительно ценные материалы для химической техники. Поддаются плавлению, литью, пайке, склеиванию. Из химически стойких стёкол и ситаллов изготавливают сосуды и реакторы вместимостью до 160 л, кристаллизаторы, фильтры, дистилляционые и ректификационные установки, трубы, арматуру, защитные гильзы для датчиков КИПА; и даже подшипники скольжения. Аппаратура выдерживает давление до 1 МПа и температуру до t=(300…1000)°C. Стеклянное оборудование прекрасно подходит для получения высокочистых продуктов.

Керамические материалы

Фарфор. Низкопористый высокоплотный материал, получаемый из тонкой алюмосиликатной шихты спеканием и обжигом при t=(1300…1450)°C. Содержит (60…67)% SiO₂; (20…22)% Al₂O₃; до 0,5% Fe₂O₃; до 0,5% CaO и (6…7)% MgO, а также до 5% оксидов Mo, V, W – и до 2% F. Твердый, теплопроводный, электропроводный материал. Выдерживает нагрев до t=(450…1300)°C; особо важна способность фарфора выдерживать перепады температур до 1000°C. Один из наиболее химически стойкий материалов: стоек к любым реагентам, в том числе - HF, крепким щелочам при t≤150°С; газонепроницаем. Отличается малым линейным расширением.

Из фарфора изготавливают сосуды и реакторы вместимостью до 160 л, кристаллизаторы, фильтры, дистилляционные и ректификационные установки, трубы, арматуру, защитные гильзы для датчиков КИПиА, подшипники скольжения. Аппаратура выдерживает давление до 1 МПа и температуру до t=(300…1000)°C. Фарфоровое оборудование прекрасно подходит для получения высокочистых продуктов.

Кислотоупорная керамика. Материалы, получаемые спеканием при t=(1300…1450)°C. Содержат (50…70)% SiO₂; (15…35)% Al₂O₃; (15…16)% Fe₂O₃; (1…2)% Na₂O; (0,5…2,5)% CaO. Подразделяют на высокопористую [(2..8) %]; среднепористую [(1…2) %] и низкопористую (плотную) [<1 %] керамику. Отличаются высокой термостойкостью и твёрдостью. Стойки к любым реагентам, кроме HF, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты. Недостаток – хрупкость и низкая термомеханическая прочность.

Керамики используют для изготовления труб; арматуры; защитных гильз; фильтрующих элементов; облицовочных плиток и кирпичей; диафрагм для электролизёров.

Кислотощёлочеупорные эмали. Стеклообразные вещества, получаемые спеканием кварцевого песка, глин, мела, буры, соды, поташа при t=(1250…1300)°C. Содержат (55…65)% SiO₂; (15…35)% Al₂O₃; (5…6)% Fe₂O₃; (1…2)% Na₂O; (0,5…2,5)% CaO; (15…16)% В₂O₃; а также TiO₂,ZrO₂, SnO₂, Cr₂O₃.

Эмали отличаются высокой химической стойкостью в кислых, щелочных и окислительных средах при температурах до t=(300…350)°C в жидкостях и до t=(600…700)°C в газах. Основное назначение эмалей – нанесение защитных покрытий на металлические поверхности. Покрытия стойки на чугунной аппаратуре при температурах от (-30) до 300°C; на стальной – от (-70) до 350°C.

Эмалевые материалы разделяют на стеклокристаллические и стеклоэмалевые. Стеклокристаллические имеют указанный выше состав и по структуре приближаются к ситаллам. Стеклоэмалевые получают спеканием стекла с металлическими порошками при температуре размягчения стекла – т.н. технология остекловывания. Стеклокристаллические эмали отличаются большей коррозионной стойкостью; стеклоэмалевые же в свою очередь имеют лучшие термомеханические свойства – выдерживают нагрев до 650°C и даже допускают производить сварку эмалированных деталей.

Огнеупоры. Один из видов пористых керамик, отличающихся повышенной термостойкостью. Существует несколько видов таких керамик: динасовые (кислые); полукислые; шамотные; тальковые – и т.д. Они различаются химическим составом, технологией изготовления и свойствами. Каждый вид огнеупоров предназначен для работы в определённых условиях. Основное применение – изготовление футеровочных материалов для печей, котлов и аппаратов, работающих при наиболее высоких температурах – до 1600°C.

Вяжущие материалы.

Кислотощёлочестойкие цементы.Обычные строительные цементы, получаемые обжигом глин-мергелей, содержат двухкальциевый силикат, трёхкальциевый силикат; четырёхкальциевыйалюмоферрит; оксиды кальция и магния. Это щелочные материалы; весьма стойкие к щелочным средам.

Для получения кислотостойких цементов добавляют значительные количества кремнезёма и силиката натрия. Получаемые из них материалы стойки к кислым и окисляющим средам (кроме плавиковой и ортофосфорной). Кислотостойкие цементы более прочны, чем строительные, но менее стойки в щелочных средах. Все цементы обладают хорошей адгезией к различным материалам, в т. ч. – к металлам.

Основное назначение цементов – связующие материалы для выполнения конструкций из блочных строительных и футеровочных изделий; герметизация стыков и щелей; заделка трещин, пустот и полостей в изделиях и конструкциях.

Кислотощёлочестойкие бетоны. Бетоны получают отверждением (гидратацией) смесей цементов с наполнителями – песком, гравием, мелким гранитным щебнем. Для получения кислотостойких бетонов в клинкер добавляют значительные количества кремнезёма; силиката натрия; гексафторсиликата натрия; порошков андезита, диабаза, маршаллита, кварца.

Обычные бетоны имеют щелочную реакцию: рН=(11,5…12,7), – что обеспечивает пассивацию стальной арматуры железобетонных изделий и конструкций. Бетоны пористы и гигроскопичны.

Бетоны – твёрдые камневидные тела. Электропроводны, теплопроводны. Выдерживают нагрев до t=(350…800)°C Бетоны прочны к сжатию – предел прочности достигает 60 МПа, но хрупки, – и потому непрочны при растяжении и изгибе.

Основное назначение бетонов – строительные конструкционные материалы. Кроме того, кислото-стойкие бетоны (как и цементы) используют для защиты металлических поверхностей футерованием.