Виды конструкционных материалов

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:

- стали;

- чугуны;

- цветные металлы и сплавы;

- неметаллические материалы.

Стали.Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1‑2 %. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.

Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

- углеродистые обыкновенного качества;

- углеродистые конструкционные;

- легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий – 1, 2, 3, 4, 5, 6 – чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).

В табл. 12.1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.

Таблица 12.1. Углеродистая сталь обыкновенная

Сталь	Назначение
СТ3пс, Ст3сп	Несущие элементы сварных и несварных конструкций, работающих при положительных температурах
Ст3пс5, Ст3сп5	Несущие элементы сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале температур от -30 до+425 °С
Ст5пс, Ст5сп	Детали клепаных конструкций, трубные решетки, болты, гайки, стержни и др. детали, работающие при температурах от 0 до 425 °С

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок Ст3, Ст3кп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком 15-26 % относительном удлинении.

Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по
ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

Таблица 12.2. Углеродистая сталь конструкционная

Сталь	Назначение
08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп	Патрубки, днища, испарители, конденсаторы, трубные решетки, трубные пучки, змеевики и другие детали, работающие под давлением при –40 ¸ +425 °С
15кп, 15пс, 15, 20кп, 18кп, 20пс, 20, 25	Патрубки, штуцера, болты, трубные пучки, корпуса аппаратов и другие детали аппаратов в котлотурбостроении и химическом машиностроении, работающих под давлением при температурах –40-+425 °С, из кипящей стали от 20 до +425 °С
10Г2	Патрубки, трубные пучки и решетки, змеевики и штуцера, работающие при температурах до -70 °С под давлением

В табл. 12.2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

- хром (Х) – повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;

- никель (Н) – повышает прочность, пластичность и вязкость;

вольфрам (В) – повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;

- молибден (М) – повышает твердость, предел текучести при растяжении вязкости, улучшает свариваемость;

- марганец (Г) – повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;

- кремний (С) – повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;

- ванадий (Ф) – повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;

- титан (Т) – увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (>800 °С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входит несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

- низколегированные – с содержанием добавок до 3 %;

- среднелегированные – с содержанием добавок от 3 до 10 %;

- высоколегированные – с содержанием добавок > 10 %.

В табл. 12.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.

Таблица 12.3. Легированные конструкционные стали

Сталь	Назначение
Коррозионностойкие стали для применения в слабоагрессивных средах
08Х13, 12Х13	Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при температуре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации <5 % при температуре до 25 °С. Щелочи (аммиак, едкий натр, едкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 °С и концентрации менее 50 %

продолжение табл. 12.3

30Х13, 40Х13	Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной стойкостью во влажном воздухе, водопроводной воде, в некоторых органических кислотах, растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 °С
12Х17	Окалиностойкая до 850 °С
10Х14АГ15, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4	Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для оборудования работающего в слабоагрессивных средах, а так же изделий, работающих при повышенных температурах до +400 °С и пониженной температуре до -196 °С
Коррозионностойкие стали для сред средней агрессивности
08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т	Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных конструкций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже -20 °С. Для труб теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале температур 400-700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимонной, уксусной, щавелевой кислот разных концентраций при температурах не более 100 °С
08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т	Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более высокой прочностью, чем эти стали и используется для изготовления сварной аппаратуры, работающей при температуре не выше 300 °С.
12Х21Н5Т	Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паянных конструкций
12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т	Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, холодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху. Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии
08Х18Н12Б	Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т. Например, сталь устойчива к действию 65 % азотной кислоты при температуре не более 50 °С, к действию концентрированной азотной кислоты при температуре не более 20 °С, к большинству растворов солей органических и неорганических кислот при разных температурах и концентрациях
Х18Н14М2Б, 1Х18М9Т	Используются в производстве формальдегидных смол
Х18Н9Т, Х20Н12М3Т	Используются в качестве конструкционного материала в производстве пластмасс

окончание табл. 12.3

07Х21Г7АН5, 12Х18Н9, 08Х18Н10	Для сварных изделий, работающих при криогенных температурах до –253 °С
Коррозионностойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности
04Х18Н10, 03Х18Н11	Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной кислоты и аммиачной селитры.
08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т	Для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессивности. Применяется как жаростойкая сталь при температуре до 600 °С
10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, 08Х17Н14М3, 03Х21Н21М4ГБ	Для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10 %-ой уксусной кислоты и в сернокислых средах. Сварные корпуса, днища, фланцы и другие детали при температуре от -196 до 600 °С под давлением
06ХН38МДТ, 03ХН28МДТ	Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80 °С в условиях производства серной кислоты различных концентраций
06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т	Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 °С. Едкое кали концентрации до 68 % при температуре 120 °С. Азотная кислота концентрация 100 % при температуре 70 °С. Соляная кислота, сухой йод концентрации до 10 % при температуре до 20 °С

Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.

К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:

- цементация – процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;

- азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;

- алитирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800-1000 °С;

- хромирование – поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.

Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака. Толщина слоя при этом увеличивается до 1-2 мм и более, возрастает его твердость.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7 %, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около
0,8-0,9 % находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа – FeC). 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;

- чугунбелый – в структуре которого 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 в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.

Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.

Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе – предел прочности на изгиб, например, СЧ 12‑28; СЧ 18‑36 и др.

Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10 %). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.

Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др. По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:

- низколегированные – сумма легирующих добавок до 3 %;

- среднелегированные – сумма легирующих добавок от 3 до 10 %;

- высоколегированные – сумма легирующих добавок более 10 %.

Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6 %) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30 % Cr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а так же хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.

Цветные металлы и их сплавы.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 и их сплавы.

Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижается в 3-3,5 раза, а на сжатие ‑ в 5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.

Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и 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. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10 % цинка – томпак; до 20 % – полутомпак; более 20 % – константаны, манганины и др.).

Свинец – обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).

Никель – обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к действию азотной кислоты. Широко применяется в различных отраслях техники, главным образом для получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью.

Никельхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислительных средах. Никелево-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.

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. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.

Фторопласт (тефлон) – элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.

Углеграфитовые материалы– графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой или графитопласт – прессованная пластмасса на основе фенолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.

Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали – специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур (от -15 до +250 °С) при давлениях до 0,6 МПа.

Керамика – выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.

Фарфор – обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.

Винипласт – термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.

Асбовинил – композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур (от-50 до +110 °С).

Полиэтилен, полипропилен – термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:

- полиэтилен – температура (от -60 до+60 °С), давление до 1 МПа;

- полипропилен - температура (от -10 до +100 °С), давление до
0,07 МПа.

Фаолит – кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и давлении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50 %), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50 %), фосфорной, а так же бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.

Текстолит – по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам – серной (концентрацией до 30 %), соляной (до 20 %), фосфорной (до 25 %), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С.

Пропитанный графит – графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами – фенолформальдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др.

Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита, его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах – азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.

Жаропрочный кислотостойкий бетон – применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900¸1200 °С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.

Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.