Конструкционные материалы в химическом
МАШИНОСТРОЕНИИ
Требования, предъявляемые к конструкционным
Материалам
Выбор конструкционного материала для химического обо-
рудования основан на учете ряда его свойств (химическая стой-
кость, прочностные характеристики, стоимость, доступность и
др.) и условий, в которых будет протекать производственный
процесс (температура, давление, вид и концентрация химическо-
го вещества и др.). Нет абсолютно идеальных материалов. Хими-
чески стойкий материал может быть недостаточно прочным или
термостойким. Дорогой, но очень прочный и коррозионно-
стойкий материал, может оказаться выгоднее дешевого из-за воз-
можности изготовления из него более тонкостенных и легких ап-
паратов. Все материалы, как металлические, так и неметалличе-
ские, в той или иной мере подвержены химическому и механиче-
скому разрушению, с чем связаны долговечность и надежность
работы.
|
Конструкционные материалы в силу своих индивидуальных
физико-химических свойств, стоимости и степени дефицитности
предназначены для определенных областей применения. Сниже-
ние стоимости новых перспективных материалов и расширение
их производства приводят к вытеснению ими некоторых старых
конструкционных материалов в тех или иных производствах. При
подборе конструкционных материалов для конкретных случаев
следует пользоваться справочными данными.
Сталь
В зависимости от условий эксплуатации для изготовления
химического оборудования используют разнообразные материа-
лы. Для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными или
слабоагрессивными средами, широко используют углеродистые
стали, которые подразделяют на обыкновенные (ГОСТ 380-71) и
качественные (ГОСТ 1050-74). Они содержат от 0,06 до 0,6 % уг-
лерода.
В зависимости от степени раскисления различают три вида
сталей. «Спокойные стали² содержат минимальное количество
FeO, что обеспечивает «спокойное² застывание стали в изложни-
це. «Кипящие стали² полностью нераскислены, поэтому при за-
стывании в изложнице из металла выделяются пузырьки СО, об-
разующиеся за счет реакции FeO с углеродом стали. Эти стали
обладают худшими механическими и технологическими показа-
телями, но наиболее дешевы. «Полуспокойные стали² – это стали
промежуточного типа. Указанные виды сталей в маркировках
обозначают соответственно: сп, кп, пс.
В зависимости от гарантируемых характеристик различают
три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. К группе А
относят стали с гарантированными механическими свойствами, к
группе Б – с гарантированным химическим составом, к группе В
– с гарантированными химическим составом и механическими
свойствами.
Стали обыкновенного качества маркируют следующим об-
разом. Стали группы А обозначают буквами Ст (сталь) и цифра-
ми 0, 1, 2, 3, …, 6 (что отвечает содержанию углерода в десятых
долях процента). Чем больше цифра, тем больше содержание уг-
лерода, выше прочность и ниже пластичность. Например, Ст1пс,
Ст3пк, Ст3сп, Ст6сп и т. д. В обозначениях сталей групп Б и В
впереди ставят соответственно эти буквы, например: БСт2кп,
ВСт4сп.
В сталях, предназначенных для изготовления аппаратуры
сваркой, содержание углерода не должно превышать 0,4 %. При
большем содержании углерода стали склонны к воздушной за-
калке, в результате чего в зоне сварки при охлаждении могут
возникнуть высокие напряжения и закалочные трещины.
Сталь, предназначенная для изготовления котлов и аппара-
тов, работающих при повышенных давлениях и температурах,
должна иметь относительное удлинение не менее 17 %. Это вы-
звано, в частности, тем, что при гибке и вальцовке обечаек мате-
риал подвергается большим пластическим деформациям. Следует
учитывать, что эти стали могут надежно работать в диапазоне
температур от –30 до 200 ÉС и при давлениях не выше 1,6 МПа
(16 кгс/см2).
Аппаратуру, работающую при давлении до 20 МПа и в ин-
тервале температур от –40 до 450 ÉС, изготавливают из конструк-
ционных качественных сталей марок 10, 15, 20. Эти стали выпу-
скают следующих марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25 и далее с шагом 5
до стали марки 85. Они содержат марганец (0,25–0,80 %), хром и
кремний (0,2 %). Содержание углерода в них пропорционально
номеру стали. Так, сталь марки 25 содержит 0,25 % С.
Углеродистые стали достаточно устойчивы к серной кисло-
те концентрацией 70–95 % до 60 ÉС, к слабощелочным растворам
и к растворам некоторых солей. Поэтому они получили широкое
применение в производствах серной кислоты, щелочей и ряда ми-
неральных солей. В кислотных цехах углеродистые стали исполь-
зуют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые
футеруют кислотоупорными материалами.
Для изготовления оборудования, работающего в более аг-
рессивных условиях и при высоких температурах, используют
легированные стали, содержащие никель, хром, ванадий, титан и
другие металлы.
Никель и хром – основные легирующие элементы. Никель
повышает коррозионную стойкость и механическую прочность
сталей и улучшает их обрабатываемость. Хром увеличивает жа-
ропрочность сталей и при содержании 11–14 % делает её устой-
чивой к атмосферной коррозии (нержавеющая сталь),
Марганец незначительно влияет на коррозионную устойчи-
вость стали. При увеличении его содержания до 10–15 % полу-
чается сталь с высокой сопротивляемостью к ударам и эрозии. Из
этих сталей изготовляют детали дробилок и мельниц.
Молибден повышает коррозионную устойчивость сталей к
горячим серной и фосфорной кислотам и к хлоридам. Ванадий
повышает стойкость стали к водородной коррозии. Титан и нио-
бий делают сталь малочувствительной к межкристаллитной кор-
розии.
В марках сталей легирующие элементы обозначают сле-
дующими буквами: никель – Н, хром – X, марганец – Г, титан –
Т, молибден – М, вольфрам – В, ванадий – Ф, ниобий – Б, крем-
ний – С, медь – Д, алюминий – Ю. Цифры, стоящие справа от
букв, означают содержание легирующего элемента. Если его со-
держание менее 1,5 %, то цифру не ставят. Двузначные цифры,
приводимые в начале марки, показывают среднее содержание уг-
лерода в сотых долях процента. Например, сталь 12Х18Н10Т со-
держит 0,12 % С, 18 % Сr, 10 % Ni и до 1,5 % Ti.
Сталь 12Х18Н10Т получила широкое применение в химиче-
ской промышленности. Она устойчива к азотной кислоте, к ще-
лочам, нитратам, к газовой коррозии. Благодаря высокому со-
держанию хрома эта сталь может работать при температуре до
800 ÉС. Однако с повышением температуры прочность стали по-
нижается, что следует учитывать при расчетах аппаратов на
прочность. В производстве фосфорной кислоты используют ста-
ли, содержащие молибден и медь, например, 0Х23Н28МЗДЗТ
(ЭИ-943).
Хромистые стали 15Х25Т, 15Х28Т и 15X28 отличаются вы-
сокой стойкостью к окислению и при нагреве открытым пламе-
нем в условиях слабоагрессивной среды выдерживают темпера-
туры 1000–1100 ÉС.
Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до
100 МПа и интервале температур от –196 до 700ÉС можно ис-
пользовать сталь 10Х17Н13М2Т.
Благодаря повышенной химической стойкости высоколеги-
рованные стали находят широкое применение в различных отрас-
лях химической промышленности: в производстве сложных
удобрений, фосфорной кислоты, соды и щелочей, в азотной про-
мышленности и в производстве большинства солей. Вследствие
высокой прочности этих сталей аппараты, изготовленные из них,
более легки и надежны, чем изготовленные из углеродистых ста-
лей для тех же условий работы. Однако легированные стали на-
много дороже углеродистых. Поэтому для изготовления химиче-
ской аппаратуры промышленность выпускает двухслойную лис-
товую сталь, состоящую из основного материала (углеродистая
сталь), и защитного (плакирующего) слоя из стали 12Х18Н10Т,
08X13 и др. Но согласно техническим условиям применение
двухслойной стали ограниченно, в частности, для материала, со-
стоящего из ВСтЗсп и 12Х18Н10Т, температурой стенки аппарата
250 ÉС и давлением 5 МПа. Это вызвано различием в значениях
температурного коэффициента линейного расширения основного
и плакирующего слоев.
Чугун
Низкая стоимость чугунов наряду с удовлетворительными
механическими свойствами обеспечила широкое применение их в
технике как конструкционного материала. Чугуны хорошо под-
даются обработке резанием, но не обладают пластичностью.
Промышленность выпускает 10 марок серого чугуна (от
СЧ10 до СЧ45). Цифра после букв указывает среднее значение
прочности при растяжении в десятках мегапаскалей (ГОСТ 1412-
79).
Для изготовления химической аппаратуры серые чугуны ис-
пользуют ограниченно. Они работают при температуре до 250ÉС
и давлении не более 0,6-0,8 МПа. Химическая стойкость их до-
вольно низкая.
Чугуны СЧ21 и более высоких марок можно использовать
для изготовления деталей, подверженных действию знакопере-
менных нагрузок (например, поршни насосов и компрессоров),
чугуны низких марок – для менее ответственных деталей.
Для изготовления аппаратов, работающих со щелочными
растворами и расплавами, выпускают серый щелочеустойчивый
чугун двух марок (СЧЩ-1, СЧЩ-2), легированный хромом (0,4–
0,8 %) и никелем (0,5–1,0 %). Эти чугуны успешно используют в
производстве твердого едкого натра.
Для изготовления аппаратов и труб, подверженных воздей-
ствию азотной и соляной кислот, применяют высококремнистые
чугуны, содержащие 15–17 % кремния (ферросилициды С-15, С-
17 и «антихлор²). Антихлор МФ-15 содержит 15 % Si и 4 % Мо.
Он устойчив к действию горячей концентрированной соляной
кислоты. Однако эти материалы очень хрупки, поддаются обра-
ботке только абразивными материалами, очень чувствительны к
перепадам температур. Поэтому их используют ограниченно.
Цветные металлы и сплавы
Наибольшее распространение в химической промышленно-
сти находят алюминий, медь, свинец и титан.
Алюминий ввиду образования в окислительной среде на
своей поверхности прочной оксидной пленки наиболее широко
применяют в производстве азотной кислоты. Из него изготовля-
ют почти всю аппаратуру для производства, хранения и транс-
портировки концентрированной кислоты. Сюда относятся отбе-
лочные колонны, поглотительные башни, холодильники, цистер-
ны и другое оборудование.
Алюминий стоек к концентрированной азотной кислоте, но
не стоек к действию щелочных растворов и разбавленных кислот.
Согласно ГОСТ 11069-74 алюминий выпускают 11 марок: от
А0 чистотой 99,0 % до А999 чистотой 99,9999 %. Для изготовления
химического оборудования используют алюминий марки А7, А6,
А5 и А0 чистотой соответственно 99,7; 99,6; 99,5 и 99,0 %.
Положительными свойствами алюминия являются его высо-
кая теплопроводность (в 4,5 раза выше, чем у стали), малая плот-
ность и высокая пластичность, обеспечивающая хорошую прока-
тываемость и способность штамповаться. Но он обладает низки-
ми литейными качествами, плохо обрабатывается резанием и
имеет малую прочность.
Для упрочнения алюминий модифицируют добавкой меди и
магния (дуралюмины). Прочность дуралюминов в 4–5 раз выше,
чем у немодифицированного металла, но коррозионное сопротив-
ление ниже, так как стойкость оксидной пленки (Аl2О3) при этом
понижается. Для повышения коррозионной стойкости на листы
дуралюмина при прокате наносят с двух сторон плакирующий
слой чистого алюминия так, чтобы толщина его составляла 3–5 %
от толщины основного листа. Температура в аппаратах, изготов-
ленных из алюминия, должна быть не выше 200 ÉС, а давление не
более 0,6 МПа. Сварку алюминия проводят в атмосфере аргона и
гелия.
Весьма ценным конструкционным материалом для создания
химической аппаратуры является медь. Её выпускают 6-ти марок:
от М00 (99,99 %) до М4 (99,0 %) по ГОСТ 859-78. Для кон-
струирования химического оборудования применяют медь марок
М2 (99,7 %) и МЗ (99,5 %). Важная характеристика меди – мак-
симальная среди конструкционных материалов теплопровод-
ность.
Медь не образует прочных защитных оксидных пленок, по-
этому не устойчива к воздействию кислот-окислителей. В раство-
рах щелочей и аммиака, соляной кислоты она достаточно стойка
при отсутствии других окислителей и контакта, в частности, с
воздухом. Разрушение аппаратуры из меди в указанных средах
будет происходить при образовании оксидов Сu2О и СuО, кото-
рые затем будут переводиться в растворимые соединения Н+-
ионами, аммиаком и другими комплексообразова-телями.
Ценное свойство меди – это способность сохранять проч-
ность, теплопроводность и ударную вязкость при низких темпе-
ратурах, что делает её незаменимым материалом для изготовле-
ния аппаратов глубокого холода и теплообменной аппаратуры.
Изделия из меди могут эксплуатироваться в интервале темпера-
тур Ò250 ÉС.
Основными способами неразъемного соединения частей ап-
паратуры из меди служат клепки, сварка и иногда пайка. Сварку
проводят в среде аргона.
В химическом машиностроении используют также сплавы
меди – латунь и бронзу. Латунями называют сплавы меди с цин-
ком, а бронзами – сплавы меди с оловом или другими металлами.
Эти сплавы легируют и другими элементами (алюминием, желе-
зом, марганцем, никелем).
Обозначение сплавов меди расшифровывают следующим
образом. Буквы Л и Бр означают соответственно латунь и бронзу.
Следующие за ними буквы указывают на содержание в сплаве
компонентов, которые обозначаются соответствующими началь-
ными русскими буквами: А – алюминий, Мц – марганец, О – оло-
во, Ж – железо, Ц – цинк, Н – никель, Б – бериллий, Ф – фосфор и
т. Д. Цифры показывают процентное содержание соответствую-
щего металла в сплаве. Например, ЛАН59-3-2 – латунь, содер-
жащая 59 % меди, 3 % алюминия, 2 % никеля и остальное – цинк;
БрЛЖ9-4 – алюминиевожелезная бронза, содержащая 9 % алю-
миния и 4 % железа, остальное – медь.
Коррозионная стойкость латуней в ряде случаев более высо-
кая, чем у меди. Для изготовления теплообменной аппаратуры и
аппаратов глубокого холода (например, для разделения воздуха}
наибольшее применение находят латуни Л68 и Л62.
Бронзы обладают хорошими прочностными и антифрикци-
онными показателями. Они могут работать в условиях сильного
эрозионного износа. Например, бронзы БрОЦЮ-2; БрАЖ9-4;
БрАЖМцЮ-3-15 и некоторые другие используют для изготовле-
ния червячных колес, сальников, деталей центробежных насосов,
арматуры и т. п. Добавление в бронзы свинца улучшает ее анти-
фрикционные свойства. Поэтому БрОСП5-5-5 и БрОС8-12 широ-
ко применяют для изготовления подшипников скольжения.
Свинец в свое время играл важную роль в аппаратострое-
нии. Его высокая устойчивость к серной кислоте (ниже 80 %) и
растворам сульфатов, объясняемая образованием защитной плен-
ки из PbSO4, обеспечивали ему применение в аппаратуре серно-
кислотных заводов. Однако его мягкость, высокая плотность и
дороговизна заставляют в настоящее время ограничить его ис-
пользование и применять другие конструкционные материалы.
Титан – это один из перспективных металлов для изготовле-
ния химической аппаратуры. Его выпускают следующих марок:
ВТ1-00 (99,53 %), ВТ1-0 (99,48 %) и ВТ1-1 (99,44 %). Он химиче-
ски стоек к кипящей азотной кислоте, но при концентрации кис-
лоты 98 % происходит его возгорание, сопровождающееся взры-
вом. Титан стоек к растворам нитратов, хлоридов, карбамида во
влажном хлоре, но разрушается в серной, соляной, плавиковой и
фосфорной кислотах, в щелочах, в азотной кислоте, содержащей
оксиды азота. Его целесообразно применять в средах, в которых
легированные стали подвергаются точечной коррозии или прояв-
ляют склонность к межкристаллитной коррозии.
Из-за дороговизны титан большей частью используют в ка-
честве плакирующего материала с толщиной листа 0,5-3 мм.
Стоимость оборудования, футерованного листовым титаном,
примерно в 3 раза превышает стоимость таких же аппаратов, из-
готовленных из хромникелевой стали. Однако высокая стоимость
окупается низкими затратами на ремонт, долговечностью обору-
дования и сокращением простоев из-за неисправностей. Титано-
вая запорная арматура служит в 5–10 раз дольше, чем стальная,
облицованная резиной, пластмассами и эмалью. Применяемые в
производстве хлора теплообменники из титана намного дешевле
стеклянных и занимают в 8 раз меньшую площадь.
Титан – незаменимый конструкционный материал в произ-
водстве хлоридов кальция и аммония методом выпаривания. Вы-
парные аппараты, изготовленные из легированной стали, в про-
изводстве хлорида кальция требуют капитального ремонта через
3-4 месяца, а титановые аппараты работают в течение 3–4 лет.
В последнее время в качестве конструкционных материалов
начинают использовать сплавы титана и циркония с танталом.
Сплав титан-тантал обладает высокой антикоррозионной стой-
костью, приближаясь в этом отношении к платине. Напри-
мер, сплав, содержащий 50 % тантала, стоек к горячим концен-
трированным растворам серной, фосфорной и соляной кислот.
Никель и его сплавы широко применяют в химическом ма-
шиностроении. Из них делают котлы, тигли, трубы и емкости,
особенно в производстве реактивов. Как высококоррозионно-
стойкие в химическом аппаратостроении используют сплавы ни-
келя с молибденом, например сплав марки Н70МФ, а также с
хромом и молибденом, например ХН65МВ.
Цирконий применяют главным образом для изготовления
аппаратуры, соприкасающейся со смесями кислот и щелочей при
переменном значении рН. Сплав циркония, содержащий 60 %
тантала, не подвергается точечной коррозии. Его можно приме-
нять в любых растворах соляной кислоты. Скорость коррозии
этого сплава в 36%-й соляной кислоте при 60 ÉС не превышает
0,01 мм/год. Однако следует добавить, что все сплавы, содержа-
щие тантал, имеют высокую стоимость.
Ниобий стоек к действию основных минеральных кислот и
«царской водки², но разрушается в растворе HF, горячей H2SO4 и
расплавах щелочей. Из-за образования пассивных пленок при-
меним в производстве концентрированной HNO3.
Различные металлы и сплавы получили неодинаковое рас-
пространение в химическом машиностроении. Наибольшее при-
менение для изготовления аппаратов в технологии неорганиче-
ских веществ, находят высоколегированные и углеродистые ста-
ли, что обусловленно в значительной степени их большей дос-
тупностью.