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.