Материалы, применяемые при изготовлении аппаратов

Выбор материала. Материал, предназначенный для изготовления той или иной детали аппарата, должен удовлетворять комплексу требований, обусловленных конструкцией, технологией обработки и эксплуатацией аппарата. При выборе материала следует учиты­вать следующие показатели:

1) прочность;

2) удельный вес;

3) теплопроводность;

4) коэффициент линейного расширения;

5) сопротивление колебаниям температур;

6) стойкость против химической и электрохимической коррозии;

7) стойкость против эрозии;

8) влияние материала на рабочую среду;

9) пористость материала;

10) изменение свойств при термической обработке;

11) пластичность;

12) возможность обработки резанием;

13) вязкость и ковкость;

14) литейные свойства;

15) свариваемость;

16) возможность пайки и склеивания;

17) стоимость материала;

18) дефицитность материала.

При разработке конструкций аппаратов учитываются свойства, указанные в пунктах 1—9. Свойства наиболее распространенных в химической промышленности материалов приведены в табл. 2.

С точки зрения технолога-аппаратостроителя особый интерес представляют свойства материалов, перечисленные в пунктах 10—16. В зависимости от этих свойств выбирают технологические маршруты и способы обработки деталей.

Кроме прочностных и температурных характеристик, в табл. 2 указана также относительная стоимость материалов, составленная по ценникам 1958—59 гг. За единицу принята стоимость наиболее дешевой и широко распространенной марки стали Ст. 3. По ценнику 1958 г. стоимость 1 m листовой стали этой марки в зависимости от толщины составляла 690—750 руб.

Ниже приводятся технологические свойства основных материалов.

Стали. В аппаратостроении наибольшее распространение полу­чили углеродистые и низколегированные стали с содержанием легирующих добавок до 2,5%.

Эти стали обладают высокой пластичностью, способны свариваться, отливаться, коваться и штамповаться, хорошо обрабатываются резанием.

С повышением содержания углерода снижается пластичность и ухудшается свариваемость стали. Поэтому для сварных аппаратов рекомендуется применять углеродистые стали с содержанием угле­рода не более 0,3% и легированные стали с содержанием углерода не более 0,2%.

Все стали могут быть подвергнуты термической обработке, которая в широких пределах изменяет их прочностные свойства, пластичность и вязкость.

Детали, изготовленные из углеродистых сталей, могут быть склеены, хорошо паяются и могут покрываться оловом (лужение).

Для аппаратов, работающих при высоких температурах и в усло­виях воздействия на них агрессивных сред, применяются высоко­легированные хромоникелевые и хромомолибденовые стали марок 1Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т и Х18Н12МЗТ.

Эти стали могут быть сварены и обработаны давлением как в горя­чем, так и в холодном состоянии, но они весьма чувствительны к наклепу.

С целью экономии дорогостоящих легированных сталей в аппа­ратах, предназначенных для агрессивных сред, используют дву­слойные стали, состоящие из основного углеродистого и кислото­стойкого слоев.

Двуслойные стали изготовляют толщиной от 3 мм и выше с кис­лотостойким слоем от 5 до 50% общей толщины листа. Наиболее важным условием подбора марок спариваемых материалов является равенство коэффициентов линейного расширения.

Двуслойные стали хорошо поддаются механической и термической обработке.

Чугуны. Второй обширной группой материалов на железной основе, применяемой в аппаратостроении, являются чугуны. Кроме различных марок серого чугуна (ГОСТ 1412-54), для изготовления аппаратов, подвергающихся воздействию кислот, применяют высоко­кремнистые чугуны — ферросилиды и антихлор (ГОСТ 2233-43), а для аппаратов со щелочной средой — легированные чугуны, химическая стойкость которых повышена добавками никеля, хрома, молибдена, или кремния.

Чугуны не обладают пластичностью, их штамповка невозможна даже в нагретом состоянии. Высокая хрупкость чугунов не позво­ляет применять ударные нагрузки. Высококремнистые чугуны плохо поддаются механической обработке и очень чувствительны к резким колебаниям температур.

Основным способом переработки чугунных заготовок в изделия является литье.

Детали, изготовленные из чугуна, могут быть сварены, а в отдель­ных случаях спаяны или склеены.

Медь и ее сплавы. В аппаратостроении широкое распространение получили медь и ее сплавы.

Техническая медь имеет очень высокую электропроводность и теплопроводность, хорошо обрабатывается давлением как в горя­чем, так и в холодном состоянии.

Медь имеет и ряд существенных недостатков. Она плохо свари­вается газовой сваркой и быстро корродирует в среде некоторых кислот. В расплавленном состоянии медь поглощает кислород, водород, сернистый газ и другие газы.

На медь, имеющую примесь кислорода, отрицательно действует водород. Такая медь после отжига в восстановительной среде, содер­жащей водород, делается хрупкой и растрескивается, что в про­мышленности известно под названием водородной болезни.

Медноцинковые сплавы-латуни обладают хорошими механиче­скими и технологическими свойствами. Добавки олова, марганца, никеля, алюминия, железа и др. сообщают сплавам повышенные механические и физические свойства. Латуни достаточно устойчивы в отношении общей коррозии, но в напряженном состоянии они весьма чувствительны к коррозионному растрескиванию. Сплавы эти при хранении на воздухе, и особенно при воздействии на них паров аммиака, легко разрушаются, поэтому изделия из них необходимо подвергать отпуску при температуре 280—300° С. Низкотемпера­турный отпуск, не понижая механических свойств латуней, снимает внутренние напряжения, что в значительной степени предохраняет эти сплавы от коррозионного растрескивания.

Высокими механическими и антикоррозионными свойствами обла­дают кремнистые бронзы. Они отлично обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются с бронзой, сталью и другими сплавами, хорошо паяются, немагнитны, не дают искры при ударах и не теряют своей пластичности при низких температурах.

Наиболее распространенными являются кремнистые бронзы с добавками марганца и никеля.

Оловянистые бронзы в связи с появлением более качественных и экономичных сплавов в настоящее время в промышленности почти не применяются.

Медь и ее сплавы нашли широкое применение в промышленности глубокого холода, а также в промышленности органического синтеза и органических кислот.

Алюминий. Алюминий занимает в производстве аппаратов почти такое же место, как медь и ее сплавы. Алюминий обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и сопротивлением коррозии при малом удельном весе, отлично обрабатывается давле­нием в холодном и горячем состоянии. Образование на поверхности алюминия окисной пленки увеличивает его коррозионную стой­кость, однако ее наличие мешает проведению сварки и пайки. Литейные свойства алюминия плохие.

В аппаратостроении применяются также сплавы алюминия. Сплавы алюминия с марганцем (АМц), алюминия с магнием (АМг) и алюминия с магнием и кремнием (АВ) называются деформируемыми. Они обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью ивысокимсопротивлением коррозии.

Алюминийи его сплавы применяются в промышленности глубо­кого холода, в производстве аммиачной селитры, в аппаратах для производства и храненияконцентрированной азотной кислоты, для различных реакционных и теплообменных аппаратов.

Титан. К числу новых конструкционных металлов, которые используются в химическом аппаратостроении, относятся титан и его сплавы; им, несомненно, принадлежит большое будущее.

Титан в 2 раза легче и в 6 раз менее теплопроводен, чем сталь. Его сплавы в 2—3 раза прочнее алюминиевых и превосходят по прочности некоторые легированные стали. Титан и его сплавы обладают очень высокой стойкостью против действия агрессивных среди высоких температур, приближаясь по стойкости к платине. Пористый титановый фильтр способен фильтровать азотную кислоту.

Из титана можно изготовлять теплообменники для различных кислотных оснований, автоклавы для переработки горячих газов и другиеаппараты, работающие в условиях агрессивной среды и высокогодавления.

Из других цветных металлов, используемых в химической промышленности, необходимо отметить технический никель и его сплавы: монель, мельхиор, нейзильбер и др. Монель отличается исключительновысокой коррозионной стойкостью. Из технического никеля и его сплавоввследствие их относительно высокой стоимости изго­товляются только наиболее ответственные детали.

В сернокислотном производстве получил распространение сви­нец. Обладая высокой стойкостью против действия серной кислоты, он применяется как обкладочный материал для чанов, сборников, кристаллизаторов и других аппаратов, изготовленных из дерева или металла..

Для защитного покрытия сталей иногда используют олово и цинк.

Неметаллические материалы.

Все неметаллические материалы в зависимости от природы можно разделить на две группы:

1. Материалы неорганического происхождения.

2. Материалы органического происхождения.

К материалам неорганического происхождения относятся:

а) горные породы;

б) силикатные изделия, получаемые плавлением горных пород
(каменное литье, плавленый кварц, стекло);

в) силикатные изделия, получаемые путем обжига раздроблен­ных и затем сформованных материалов (керамика, фарфор);

г) вяжущие силикатные материалы (цемент, бетон).

Большинство неметаллических материалов неорганического про­исхождения обладает высокой антикоррозионной стойкостью, но не имеет хороших физико-механических свойств. Из этих материалов изготовляют главным образом детали, не подвергающиеся в процессе эксплуатации значительным нагрузкам. Из керамики делается насадка, из каменного литья — трубы, из стекла — смотровые окна и т. п.

Бетон широко используется для сооружения хранилищ. Анде­зиты и бештауниты применяют для футеровки аппаратов. Асбест незаменим для прокладок, шнуров, фильтрующей ткани и набивки в сальниках. Вследствие высокой огнестойкости асбест используют при высоких температурах.

К материалам органического происхождения относятся:

а) пластические массы;

б) каучуки;

в) вяжущие материалы (арзамиты);

г) непластичные материалы (древесина, уголь, графит).

Пластмассы. Пластические массы — высокомолекулярные сое­динения органических веществ. В настоящее время известно мно­жество различных видов пластмасс, физические и механические свойства которых могут удовлетворять самым различным требова­ниям производства. Изменение этих свойств достигается добавлением к основному органическому соединению наполнителей, пластифи­каторов, красителей и других добавок.

В аппаратостроении находят применение фаолит, антегмит, тек­столит, винипласт, полиэтилен, фторопласт и некоторые виды стекло­пластиков.

Фаолит, антегмит и текстолит имеют своей основой термореак­тивную фенолформальдегидную смолу. В фаолите в качестве напол­нителя используется асбест, в антегмите — графитовый порошок. Детали из фаолита и антегмита изготовляются путем формовки сырой массы в деревянных моделях с последующей термообработ­кой. Текстолит состоит из хлопчатобумажной ткани, предварительно пропитанной фенолформальдегидной смолой. При изготовлении листов или деталей раскроенные куски ткани складываются в пакеты и прессуются при температуре 110° С, давлении 120 кг/см².

Фаолит, антегмит и текстолит хорошо обрабатываются резанием и склеиваются бакелитовым лаком.

Винипласт, являющийся продуктом полимеризации хлорзамещенных производных этилена, выпускается в виде листов или труб. При нагреве до 120—160° С он размягчается. С понижением температуры пластичность винипласта уменьшается. Детали из вини­пласта соединяются сваркой или склеиваются.

Полиэтилен — продукт полимеризации этилена, обладает высо­кой химической стойкостью. Он хорошо формуется, сваривается и склеивается, может обрабатываться резанием. Применяется для футеровки и как прокладочный материал.

Очень высокой антикоррозионной стойкостью обладает фторо­пласт. Фторопласт хорошо обрабатывается резанием и благодаря своей эластичности рекомендуется для изготовления прокладок.

Особо перспективными для аппаратостроения являются стекло­пластики. Стеклопластики изготовляются путем полимеризации полиэфирных или эпоксидных смол, предварительно усиленных стекловолокном. Они хорошо формуются, обрабатываются резанием и склеиваются.

Каучук. Характерной особенностью другого вида материалов органического происхождения — каучуков — является очень хоро­шая эластичность. Каучуки могут быть получены из натурального сырья или путем синтеза. В нашей стране в больших масштабах производятся синтетические каучуки: дивинильные, получаемые путем совместной полимеризации дивинила со стиролом, полихлоро-преновые, бутиловые и ряд других. На основе каучука создаются различные сорта резины и эбонита. Они применяются для изгото­вления прокладочных материалов в качестве защитных покрытий в аппаратах, работающих с агрессивными средами, а также для создания гибких соединений.

В зависимости от технических требований могут быть получены кау-чуки с весьма разнообразным комплексом свойств: морозостой­кие, сохраняющие эластичность до температуры —70° С, термо­стойкие силиконовые каучуки, выдерживающие температуру до 250—300° С, бензостойкие, износоустойчивые и т. п.

Таблица 3