第四节 化工设备常用材料
一、材料的性能
化工设备中广泛使用着各种材料,这些材料各有其性能特点。材料的性能可分为两类:工艺性能和使用性能。
工艺性能也称制造性能,反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性。对应不同的制造方法,工艺性能分为铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性能等。化工设备的制造通常要经过锻压、焊接和切削加工,所以,对锻压性能、焊接性能和切削加工性能有较高要求。
使用性能反映材料在使用过程中所表现出来的特性,包括物理性能、化学性能和力学性能。物理性能是材料所固有的属性,包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等。化学性能是指材料抵抗各种化学介质作用的能力,包括高温抗氧化性、耐腐蚀性等。化工设备通常在高温和腐蚀性环境下工作,所以对化学性能提出了较高要求。
化工设备是由零、部件所组成,而零、部件在使用时都承受外力的作用,因此,材料在外力作用下所表现出来的性能就显得格外重要,这种性能称为力学性能。力学性能包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳等。
1.强度
强度反映材料在外力作用下抵抗破坏的能力。这里的破坏对应两种情况:一是发生较大的塑性变形,在外力去除后不能恢复到原来的形状和尺寸;另一种情况是发生断裂。不论哪一种情况发生,都将导致零部件不能正常工作。反映材料强度高低的指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度用σs表示,反映材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力,σs越高则越不易发生塑性变形;抗拉强度也称强度极限,用σb表示,反映材料在外力作用下抵抗断裂的能力,σb越高则越不易发生断裂。
2.塑性
塑性反映材料在外力作用下发生塑性变形的能力。如果材料能发生较大的塑性变形而不破坏,即能拉得很长,压得很扁,弯得很弯,扭得很曲,则称材料的塑性好。常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ,δ和ψ的值越大,则材料的塑性越好。
材料塑性的好坏,对零件的加工和使用都具有十分重要的意义。例如,低碳钢的塑性较好,可进行锻压加工;普通铸铁的塑性很差,不能进行锻压加工,但能进行铸造。同时,由于材料具有一定的塑性,不致因稍有超载而突然破断,这就增加了材料使用的安全可靠性。因此,对于材料的塑性指标是有一定要求的。
3.硬度
硬度反映金属抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。由于硬度高的金属不易压入,也不易形成压痕或划痕,所以,也把硬度定义为金属抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度用HBW表示,如200HBW表示布氏硬度值为200。洛氏硬度用HRA、HRB或HRC表示,常用HRC。如60HRC表示洛氏硬度值为60。
4.冲击韧性
以很快的速度作用于工件上的载荷称为冲击载荷。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。反映韧性高低的指标为冲击吸收能量δk。δk越大,则材料的韧性越好,材料抗冲击能力越强。
材料的韧性随温度的降低而减小,当低于某一温度时冲击韧性会发生剧降,材料呈现脆性,该温度称为脆性转变温度。对于低温工作的设备来说,其选材应注意韧性是否足够。
5.疲劳
许多机械零件,如各种轴、齿轮、弹簧等,经常受到大小不同和方向变化的交变载荷作用。这种交变载荷常常会使材料在应力小于其强度极限,甚至小于其弹性极限的情况下,经一定循环次数后,并无显著的外观变形却发生断裂。这种现象叫做材料的疲劳。疲劳断裂与静载荷下断裂不同,无论在静载荷下显示脆性或塑性的材料,在疲劳断裂时,事先都不产生明显的塑性变形,断裂往往是突然发生的,因此具有很大的危险性,常常造成严重事故。
反映材料抵抗疲劳能力的指标主要是疲劳极限σD。当金属材料承受的交变应力σ小于σD时,应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂;当σ大于σD时,材料在经过一定循环次数后,将发生疲劳断裂。
二、钢的热处理
热处理就是将钢在固态范围内加热到给定的温度,经过保温,然后按选定的冷却速度冷却,以改变其内部组织结构,从而获得所需要的性能的一种工艺。
通过热处理可以充分发挥金属材料的潜力,改善金属材料的性能,延长使用寿命和节省金属材料。绝大部分重要的机械零件,在制造过程中都必须进行热处理。
热处理的工艺过程是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。随着热处理三个阶段进行的具体情况不同,则材料内部组织和性能的变化也就不同,这样构成了各种热处理方法,以满足各种要求。
热处理分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等;表面热处理包括表面淬火、化学热处理等,这种热处理只改变工件表面层的成分、组织和性能。
热处理又分为预先热处理和最终热处理,它们在零件生产工艺过程中的使用顺序及目的不同。一般零件的生产工艺过程为:锻造→预先热处理→机械加工(粗加工)→最终热处理→机械加工(精加工)。预先热处理通常为退火和正火,目的是消除上道工序产生的缺陷(如硬度过高而无法切削),为后面的工序做准备;最终热处理有淬火和回火、表面淬火等,目的是获得零件使用时所要求的性能。
1.退火和正火
退火是将钢加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却(炉冷、坑冷)的热处理工艺。正火是将钢加热到适当温度,保温一定时间,然后出炉空冷的热处理工艺。
退火和正火主要用作预先热处理,目的是:软化钢材以利于切削加工;消除内应力以防止工件变形;细化晶粒,改善组织,为零件的最终热处理做好准备。
与退火相比,正火冷却速度较快,得到的组织比较细小,强度和硬度也稍高一些。正火的生产周期短,节约能量,而且操作简便。生产中常优先采用正火工艺。
对力学性能要求不高的零件,可用正火作为最终热处理。
2.淬火和回火
淬火是将钢加热到适当温度,保温一定时间后,快速冷却(水冷或油冷)的热处理工艺。淬火后的钢硬而脆,组织不稳定,而且有内应力,不能满足使用要求。因此,淬火后必须回火。
按照温度范围不同,回火分为三类:低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的回火温度范围为150~250℃,回火后的钢具有高硬度和高耐磨性,主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件;中温回火的回火温度范围为350~500℃,回火后的钢具有较高的弹性极限和屈服强度,一定的韧性和硬度,主要用于各种弹簧和模具等;高温回火的回火温度范围为500~650℃,回火后的钢具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能,广泛用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构零件,如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。通常将淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质。
3.表面热处理
某些机械零件如齿轮、曲轴、活塞杆、凸轮轴等,工作时承受较大的冲击和摩擦,因此要求工件表层具有高的硬度、耐磨性以抵抗摩擦磨损,心部具有足够的塑性和韧性以抵抗冲击,即具有“外硬内韧”的性能。为满足这一要求,生产中广泛采用表面热处理。表面热处理方法有表面淬火和化学热处理。
(1)表面淬火
表面淬火是将钢的表面快速加热至淬火温度,并立即快速冷却的淬火工艺。表面淬火后一般进行低温回火,以满足工件表层的高硬度、高耐磨性要求。表面淬火不改变钢表层的成分,仅改变表层的组织,且心部组织及性能不发生变化。为满足对心部的塑性和韧性要求,表面淬火前一般进行调质处理。表面淬火用于中碳钢和中碳低合金结构钢。
(2)化学热处理
化学热处理是向工件表层渗入某种元素的热处理工艺。按照渗入元素的不同,化学热处理分为渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗(氰化)、渗金属等。
渗碳是向工件表层渗入碳元素的热处理工艺,适用于低碳钢和低碳合金钢。渗碳后由于工件表层和心部的含碳量不同,再经过淬火和低温回火热处理,便获得了外硬内韧的性能。
渗氮是向工件表层渗入氮原子的热处理工艺。渗氮用钢大都含有Cr、Mo、Al、V等元素(如38CrMoAlA钢),经渗氮后工件表层形成各种高硬度的、致密而稳定的氮化物如AlN、CrN、MoN等,从而使钢具有高的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。心部的塑性和韧性要求通过渗氮前的调质处理获得。
三、金属材料
在所有应用材料中,凡是由金属元素或以金属元素为主形成的、具有金属特性的物质称为金属材料;由两种或两种以上不同性质或不同组织的材料组合而成的材料称为复合材料;除金属材料和复合材料外的所有材料称为非金属材料。
金属材料是最重要的机械工程材料,它包括:铁和以铁为基的合金(俗称黑色金属),如钢、铸铁和铁合金等;非铁合金(旧称有色金属),如铜及其合金、铝及其合金、铅及其合金等。钢铁材料应用最广,占全部结构材料、零件材料和工具材料的90%左右。钢分为非合金钢(旧称碳钢)、铸造碳钢、低合金钢和合金钢四类。
1.非合金钢
非合金钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。按钢的用途、质量等级等,将非合金钢分为碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢等。
(1)碳素结构钢
这类钢的牌号由代表屈服强度的字母“Q”(“ 屈”的汉语拼音字首)和屈服强度的数值(单位MPa)组成。例如,Q235表示碳素结构钢,屈服强度为235MPa。
碳素结构钢有Q195、 Q215、 Q235、Q255、Q275五个钢种,其中Q235钢由于价格低廉,又具有良好的强度、塑性、焊接性、切削加工性等,在化工设备中应用广泛。
(2)优质碳素结构钢
优质碳素结构钢的牌号以钢中平均碳质量分数的万分数(两位数字)表示。如45表示优质碳素结构钢,平均碳质量分数为万分之四十五,即平均ωC=0.45%。
优质碳素结构钢有10、15、20、25、30、35、40、45、55、65、70等,常按含碳量不同分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三类。
低碳钢,含碳量ωC≤0.25%,常用钢号有10、15、20、25等。这类钢强度较低但塑性较好,冷冲压及焊接性能良好,在化工设备中广泛应用。
中碳钢,含碳量ωC>0.25%~0.60%,钢的强度与塑性适中,焊接性能较差,不适于制造设备壳体,多用于制造各种机械零件如轴、齿轮、连杆等。常用牌号有30、35、40、45、50、55、60等,其中以45钢应用最广。
高碳钢,含碳量ωC>0.60%,钢的强度和硬度均较高,塑性差,常用来制造弹簧。常用的牌号有65、70等。
2.铸造碳钢
铸造碳钢的牌号用“铸”和“钢”两字的汉语拼音首位字母“ZG”后附钢的最低屈服强度(单位MPa)和最低抗拉强度(单位MPa)表示。例如,ZG200-400表示最低屈服强度为200MPa、最低抗拉强度为400MPa的铸造碳钢。
工程中有些零件如列车挂钩、汽车变速器壳体等,形状比较复杂,同时又要求具有较高的力学性能,如果使用铸铁来铸造,虽然可以成形,但力学性能不能满足要求;如果用钢来锻造,力学性能能够达到要求,但因形状复杂,难以完成。这时可采用铸造碳钢。铸造碳钢兼具良好的力学性能和铸造性能,能够同时满足上述零件的使用要求和制造要求。
3.低合金钢
低合金钢与合金钢是指在碳钢基础上有目的地加入某些元素所形成的钢种。常加入的元素有Si、Mn、Cr、B、W、V、Ni、Ti、Nb、Al等。钢中加入这些元素的目的是为了改善钢的性能,满足使用要求,这些元素称为合金元素。
“低合金”是指钢中合金元素总质量分数ωMe≤5%。低合金钢的品种较多,其中低合金高强度结构钢广泛用于桥梁、船舶、车辆、锅炉、化工容器和输油管等。低合金高强度结构钢牌号表示方法与碳素结构钢相同,有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等,部分低合金高强度结构钢的用途举例见表1-1,最常用的是Q345钢。
表1-1 低合金高强度结构钢用途举例
4.合金钢
合金钢的牌号通常是由含碳量数字、合金元素符号、合金元素含量数字顺序组成。含碳量数字为两位数时表示平均碳质量分数的万分数,为一位数时表示平均碳质量分数的千分数;合金元素含量数字位于合金元素符号之后,通常表示合金元素平均质量分数的百分数,当合金元素平均质量分数<1.5%时不标数字。例如,40Cr钢平均碳质量分数为万分之四十,即0.4%、平均含ωCr<1.5%;1Cr18Ni9Ti钢平均含ωC=0.1%、ωCr=18%、ωNi=9%、ωTi<1.5%。
合金钢的品种较多,有合金渗碳钢、合金调质钢、滚动轴承钢、不锈钢、耐热钢等。
(1)合金渗碳钢
渗碳钢通常经渗碳并淬火、低温回火后使用,具有外硬内韧的性能,主要用于制造承受强烈冲击载荷和摩擦磨损的机械零件,如汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等。
渗碳钢的含碳量为低碳。渗碳钢分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两类。碳素渗碳钢为低碳钢,常用牌号有15、20等;合金渗碳钢的常用牌号有20Cr、20CrMnTi、20MnVB等,其中20CrMnTi应用最为广泛。
(2)合金调质钢
调质钢通常经调质后使用,具有优良的综合力学性能,广泛用于制造汽车、拖拉机、机床上的轴、齿轮、连杆、螺栓、螺母等。它是机械零件用钢的主体。
调质钢的含碳量为中碳。调质钢分为碳素调质钢和合金调质钢两类。40、45、50是常用而廉价的碳素调质钢。合金调质钢的常用牌号有40Cr、35SiMn、35CrMo、40MnB等,最典型的钢种是40Cr,用于制造一般尺寸的重要零件。
(3)滚动轴承钢
滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承的内、外圈以及滚动体,此外还可用于制造某些工具,例如模具、量具等。
滚动轴承钢的牌号以字母“G”(“滚” 字的汉语拼音字首)后附铬元素符号Cr及其质量分数的千分数及其他合金元素符号表示,碳的含量不标出。例如GCr15表示ωCr千分之十五,即1.5%的滚动轴承钢。
滚动轴承钢的常用牌号有GCr15、GCr15SiMn等 ,最有代表性的是GCr15。
(4)不锈钢
一般把能够抵抗空气、蒸汽和水等弱腐蚀性介质腐蚀的钢称为不锈钢。能够抵抗酸、碱、盐等强腐蚀性介质腐蚀的钢称为耐酸钢。在日常习惯上把不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作的零件或构件,例如化工装置中的各种管道、阀门和泵,医疗手术器械,防锈刃具和量具等。
Cr是不锈钢获得耐蚀性的基本合金元素,一般不锈钢含ωCr=11.7%以上。不锈钢含碳量越低,则耐蚀性越高,但强度、硬度越低。大多数不锈钢的含碳量为ωC=0.1%~0.2%,但用于制造刃具等的不锈钢含碳量则较高,可达ωC=0.85%~0.95%,以保证具有足够的强度、硬度。
不锈钢按化学成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。铬不锈钢的常用牌号有12Cr13(1Cr13)、20Cr13(2Cr13)、30Cr13(3Cr13)、40Cr13(4Cr13)、10Cr17(1Cr17)等,铬镍不锈钢的常用牌号有12Cr18Ni9(1Cr18Ni9)、06Cr19Ni9(0Cr18Ni9)等。括号内的牌号为旧牌号。其中12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13的耐蚀性稍差,主要用于在弱腐蚀性条件下工作的各种机械零件、工具,如汽轮机叶片、阀门零件、量具、轴承、医疗器械等;而10Cr17、12Cr18Ni9、06Cr19Ni9的耐蚀性较高,主要用于在强腐蚀性条件下工作的设备。
(5)耐热钢
高温会加剧钢的氧化,并使钢的强度下降,所以,耐热钢的耐热性体现在抗氧化性和高温强度两个方面。耐热钢的常用牌号有06Cr18Ni11Ti、10Cr17、07Cr17Ni17Al、20Cr13、42Cr9Si2等,主要用于热工动力机械(汽轮机、燃气轮机、锅炉和内燃机)、化工机械、石油装置和加热炉等高温条件工作的构件。
5.铸铁
铸铁是ωC>2.11%的铸造铁、碳、硅合金。与钢相比,铸铁含C、Si量较高,含杂质元素S、P较多,组织中有石墨。因此,铸铁的力学性能(特别是抗拉强度及塑性、韧性)较钢低许多,但铸铁具有优良的铸造性、减振性、耐磨性、切削加工性以及低的缺口敏感性等,而且生产工艺和设备简单,成本低廉,因此在工业生产中得到广泛应用。
根据石墨形态不同,铸铁分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁,石墨的形状分别为片状、球状、团絮状及蠕虫状,如图1-2所示。
图1-2 铸铁中石墨的形状
灰口铸铁的牌号由字母“HT”(“灰铁”两字的汉语拼音字首)后附最低抗拉强度值(单位MPa)表示,如HT150表示最低抗拉强度值为150MPa的灰口铸铁。灰铸铁用来制作受压力作用和要求消震的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。球墨铸铁的牌号由字母“QT”(“球铁”两字的汉语拼音字首)后附最低抗拉强度值(单位MPa)和最低断后伸长率的百分数表示,如QT600-03表示最低抗拉强度值为600MPa、最低断后伸长率为3%的球墨铸铁。球墨铸铁可代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件,如曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮、蜗杆、蜗轮等。
附着铸铁的广泛应用,对铸铁的性能也提出了越来越高的要求,即不但要有更高的力学性能,有时要有某些特殊性能,例如耐磨、耐热及耐腐蚀等。可通过向铸铁中加入合金元素来改善铸铁的性能,提高其适应性和扩大其使用范围。含有合金元素的铸铁称为合金铸铁。常用的合金铸铁有耐蚀铸铁、耐磨铸铁和耐热铸铁。耐蚀铸铁具有较高的耐蚀性能,广泛用于化工部门,用来制造管道、阀门、泵类、反应釜及盛贮器等。耐热铸铁具有良好的耐热性,广泛用来代替耐热钢制造耐热零件,如热交换器、坩埚、加热炉底板等。耐磨铸铁可用于汽缸套、滑动轴承、机床导轨等。
6.有色金属
在化学工业中经常遇到强腐蚀、低温等特殊生产条件,有色金属具有耐蚀性好、低温时塑性好和韧性高等特殊性能,因而在化工设备中经常采用有色金属及其合金,主要是铝、铜、铅及其合金、滑动轴承合金。
(1)铝及其合金
工业纯铝的牌号有1070、1060、1050等(对应的原牌号为L1、L2、L3),纯度依次降低。
铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金塑性优良,适于压力加工。其牌号由四位数字组成,如5A02、3A21等;铸造铝合金用于铸造,其牌号由字母“Z”(“ 铸” 的汉语拼音字首)、铝的元素符号Al、其他元素的符号及质量分数的百分数等顺序组成,如ZAlSi2表示含ωSi=2%、其余为Al的铸造铝合金。
铝及其合金具有许多优良的性能,因而获得了广泛的应用。如铝的耐蚀性好,纯铝的纯度越高则耐蚀性越好,可用来做耐蚀设备;铝的导热性能好,适于做换热设备;铝不会产生火花,可做储存易挥发性介质的容器;铝不污染物品和不改变物品颜色,在食品工业中广泛应用,并可代替不锈钢做有关设备;熔焊的铝材在0~-196℃之间韧性不下降,适于做低温设备。典型牌号铝及其合金的用途举例如下:
工业纯铝1060、1050等用来做热交换器、塔、储罐、深冷设备和防止污染产品的设备。
在石油化工行业中用得较多的铝合金是铸造铝合金和形变铝合金中的5A05、3A21等。铸造铝合金可以做泵、阀、离心机等。5A05、3A21等的耐蚀性能好,有足够的塑性,强度比纯铝高得多,常用来做与液体介质接触的油箱、导管、生活器具和深冷设备中的液空吸附过滤器、分馏塔等。
(2)铜及其合金
工业纯铜按杂质含量可分为T1、T2、T3等牌号,纯度依次降低。
铜合金按主要合金元素的种类分为黄铜、青铜等,黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金;青铜是以锌以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。以锡为主要合金元素的青铜称为锡青铜,以锡以外的其他元素为主要合金元素的青铜称为无锡青铜。
按照成形方法的不同,铜合金分为压力加工铜合金和铸造铜合金两类。压力加工黄铜的牌号由字母“H”后附平均铜质量分数的百分数表示,如H62表示平均ωCu=62%、其余为锌的黄铜;压力加工青铜的牌号由字母“Q”后附主要合金元素的符号及平均质量分数的百分数、其他合金元素的平均质量分数的百分数表示,如QSn4-3表示ωSn=4%,ωZn=3%的压力加工锡青铜;铸造铜合金的牌号则由字母“Z”(“铸”的汉语拼音字首)、铜的元素符号Cu、合金元素符号及合金元素平均质量分数的百分数等顺序组成,如ZCuZn38表示ωZn=38%、其余为铜的铸造黄铜, ZCuSn10Zn2表示ωSn=10%、ωZn=2%、其余为铜的铸造锡青铜。
工业纯铜和黄铜具有极好的导热性,优越的低温力学性能和耐蚀性能(但铜在氨或铵盐溶液及各种浓度的硝酸中不耐蚀),因而在化工行业中获得了广泛的应用。如T2、T3可用来做深度冷冻设备和换热器。H62可作深度冷冻设备的筒体、管板、法兰及螺母等。
青铜具有良好的耐蚀性和耐磨性,主要用来制造轴瓦、蜗轮等机械零件和泵壳、阀门等化工设备。
(3)铅及其合金
铅在许多介质中,如亚硫酸、磷酸(<85%)、铬酸、氢氟酸(<60%)等,特别是在硫酸中,具有很高的耐蚀性。但铅在蚁酸、醋酸、硝酸和碱溶液中不耐蚀。由于铅强度和硬度都低、不耐磨、非常软、比重大等,不适宜单独做化工设备,只能做设备衬里。
铅与锑的合金称为硬铅,强度和硬度都比纯铅高,可用来做加料管、耐酸泵和阀门等零件。
(4)滑动轴承合金
滑动轴承合金用来制造滑动轴承的轴瓦及其内衬(称为轴承衬)。常用的滑动轴承合金有锡基轴承合金(又称锡基巴氏合金)、铅基轴承合金(又称铅基巴氏合金)、铜基轴承合金和铝基轴承合金。
锡基轴承合金是以锡为基体,再加入锑及铜等合金元素的合金。例如ZSnSb11Cu6表示ωSb=11%、ωCu=6%、其余为锡的锡基轴承合金,这是最常用的锡基轴承合金。
铅基轴承合金是以铅为基体,再加入锑、锡及铜等合金元素的合金。例如ZPbSb16Sn16Cu2表示平均ωSb=16%、ωSn=16%、ωCu=2%、其余为铅的铅基轴承合金。
铜基轴承合金有ZCuPb30、ZCuSn10P1、ZCuAl10Fe3等。常用的铝基轴承合金为ZAlSn6Cu1Ni1。
四、非金属材料
大多数非金属材料具有优良的耐腐蚀性能,资源丰富,成型工艺简单,是有着广阔发展前途的化工材料。非金属材料既可单独用做结构材料,又能用做金属设备的保护衬里、涂层,还可做设备的密封材料和保温材料。
非金属材料分无机材料(如陶瓷、化工搪瓷、玻璃等)和有机材料(如塑料、橡胶、涂料等)两大类。
1.陶瓷
陶瓷是用黏土、长石和石英等天然原料(普通陶瓷)或人工化合物如氧化物、氮化物、碳化物等(特种陶瓷)经成型、干燥和烧结等工序制成的。
在化工生产中用得较多的是耐酸陶瓷。耐酸陶瓷的种类较多,如以高硅酸性黏土、长石和石英等天然原料可制成耐酸陶、耐酸耐温陶和硬质瓷,以人工化合物为原料可制成莫来石瓷、氧化铝瓷、氟化钙瓷。
耐酸陶瓷具有良好的耐腐蚀性能(耐酸、耐碱),足够的不透性、耐热性和一定的机械强度,主要用做化工设备,如容器、反应器、塔附件、热交换器、泵、管道、管件等。
以人工化合物为原料制成的陶瓷品种,其力学性能和耐酸碱性能更为优越。如要求耐氢氟酸,可选用氟化钙瓷;要求耐酸碱,最高使用温度超过150℃,又要耐温度剧变和受力较大时,可用莫来石瓷、氧化铝瓷。
2.化工搪瓷
化工搪瓷是由含硅量高的瓷釉经过900 ℃左右的高温烧成,瓷釉紧贴在金属胎表面。化工搪瓷具有优良的耐腐蚀性能,除氢氟酸、热磷酸和强碱外,能耐大多数无机酸、有机酸和有机溶剂的腐蚀。
搪瓷的导热系数不到钢的1/40,热膨胀系数较大,故搪瓷设备不能直接用火焰加热以免损坏搪瓷面。可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30~270℃。
化工搪瓷已用于反应罐、储罐、换热器、蒸发器、塔和阀门等。
3.玻璃
化工上用的玻璃不是一般的钠钙玻璃,而是硼玻璃(耐热玻璃)或高铝玻璃。它们有良好的热稳定性和耐腐蚀性,在化工生产上用来做管道或管件,也可做容器、反应器、泵、热交换器、隔膜阀等。
玻璃虽然有耐腐蚀、清洁、透明、阻力小、价格低等特点,但质脆,耐温度急变性差,不耐冲击和振动。目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道,来弥补其不足之处。
4.塑料
以高分子合成树脂为主要原料,在一定条件下塑制而成的型材或产品总称为塑料。塑料的特点是密度小、电绝缘性好、耐腐蚀、具有优良的耐磨、减摩性能,吸振性和消声性也很好。塑料的品种繁多,应用广泛。在化工行业中常用的塑料有耐酸酚醛塑料、硬质聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。
以酚醛树脂作黏结剂,以耐酸材料(如石棉、石墨、玻璃纤维等)作填料,即制成一种耐酸酚醛塑料,用于制作各种化工设备及零部件,如容器、储槽、管道、泵等,在氯碱、染料、农药、冶金等工业中应用较多。
聚氯乙烯(PVC)是我国发展最早、产量最大的塑料品种之一。它由聚氯乙烯树脂加入稳定剂、填料、增塑剂等压制而成。在聚氯乙烯树脂中加入不同的增塑剂和稳定剂,就可制成各种形式的硬质及软质制品。硬质聚氯乙烯机械强度高,电性能优良,耐酸碱的能力强,使用温度为-15~55℃,主要用做化工设备衬里及制作储槽、离心泵、阀门管件等。
聚四氟乙烯(简称F-4)具有优异的绝缘性能,可以在任何频率下工作,耐蚀性极好,能耐绝大多数的强酸、强碱、强氧化剂及溶剂等,故有“塑料王”之称,使用温度为-180~250℃。它主要用做减摩耐磨件、密封件和耐蚀件,如填料、垫片和泵、阀的零件。
5.橡胶
橡胶具有高的弹性、一定的耐蚀性(有的品种耐油,有的品种能耐酸碱)、良好的耐磨性、吸振性、绝缘性以及足够的强度和积储能量的能力,在各行各业中均获得了广泛的应用,如胶鞋、胶管、运输带、各种轮胎、密封材料,减振零件等。
橡胶的种类较多,在化工行业中主要用于衬里、密封件等。如丁基橡胶用于化工衬里,氯丁橡胶用于油罐衬、管道,氟橡胶用于化工衬里、高级密封件等。
橡胶的主要缺点是老化,即橡胶制品长期存放或使用时,逐渐被氧化而产生硬化和脆性,甚至龟裂的现象。紫外线照射、重复的屈挠、温度升高等都会导致和促使橡胶老化而丧失弹性。
6.涂料
涂料用来涂在物体表面,然后固化形成薄涂层,起到保护和装饰等作用。传统的涂料称为油漆,但目前已出现少用或完全不用油漆,而改用各种树脂的涂料。
在化工行业中涂料用来保护设备免遭大气及酸、碱等介质的腐蚀。多数情况下用于涂刷设备管道的外表面,也常用做设备内壁的防腐蚀涂层。但由于涂层较薄,在有冲击、磨蚀作用以及强腐蚀介质的情况下,涂层容易脱落,这限制了涂料在设备内壁防腐蚀上的应用。
防腐蚀上常用的涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆等以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。
五、选材的基本原则
选择化工设备用的钢材时,除应考虑容器的工作压力、温度和介质的腐蚀性外,还要考虑钢材的加工工艺性和价格等。选材的基本原则如下。
①化工容器用钢一般使用由平炉、电炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢,若是受压元件用钢应符合国家标准GB/T 150—2011规定。
②化工容器应优先选用低合金钢。低合金钢的价格比碳钢提高不多,其强度却比碳钢提高30%~60%。按强度设计时,若使用低合金钢的壁厚可比使用碳钢减薄15%以上,则可采用低合金钢;否则采用碳钢。
中低压容器一般可选用屈服强度σs=250、300、350MPa级别的普通低合金钢。直径较大、压力较高的中压容器可选用σs=400MPa的普通低合金钢,高压容器则宜选用σs=400~500MPa的普通低合金钢。
③化工容器用钢应有足够的塑性和适当的强度,材料强度越高,出现焊接裂纹的可能性越大。为使钢板在加工(锤击、剪切、冷卷等)与焊接时不致产生裂纹,也要求材料具有良好的塑性和冲击韧性。故压力容器用钢板的延伸率δ必须大于14%。当δ<18%时,加工时要特别注意。一般钢材冲击韧性αK≥50~60J/cm2为宜。
④不同的钢材其弹性模量E的大小相差不多,因此,按刚度设计的容器(如外压容器)不宜采用强度过高的材料,选Q235为宜。
⑤对于使用场合为强腐蚀性介质的,应选用耐介质腐蚀的不锈钢,且尽量使用铬镍不锈钢钢种。
⑥高温容器用钢应选用耐热钢,以保证抗高温氧化和高温蠕变。因为长期在高温下工作的容器,材料内部的应力在远低于屈服点时,容器会发生缓慢的、连续不断的塑性变形,即所谓蠕变。长期的蠕变将使设备产生过大的塑性变形,最终导致破坏。不同材料产生蠕变的温度是不一样的,碳钢大于350℃,合金钢大于400℃就应考虑蠕变问题。
⑦低温容器(工作温度低于-20℃的设备统称为低温设备)用钢应考虑钢材的低温脆性问题。选用钢材时首先考虑钢种在低温时的冲击韧性。