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1、化工设备 设计基础,化工设备材料,一、化工设备对材料的基本要求和选材原则,二、材料的性能,三、碳钢与铸铁,四、合金钢,五、有色金属材料,六、非金属材料,七、设备的腐蚀与防腐,一、化工设备对材料的基本要求和选材原则,现代化工生产条件很复杂，温度从低温到高温，压力从真空到超高压；物料有易然、易爆、剧毒或强腐蚀等。因此，要求材料有较高的强度，又具有良好的塑性、韧性和可焊性等加工性能；同时，还要耐高低温、耐腐蚀。在进行设计选材时，应充分了解生产工艺过程，介质特性与温度、压力对材料耐腐蚀和强度的要求等；了解工艺条件对材料的限制，如材料是否会污染产品等；了解所选材料能否满足设备的功能与结构要求，如换热设备
2、的材料除具有良好的耐腐蚀外，还要有良好的导热性等；了解开停车速度、频率，温度波动程度对选材的要求等。,选材原则是：满足生产工艺要求，保证设备安全可靠运行，具有良好的加工成型工艺性能，包括材料、加工制造、使用、维修、更换设备的总费用最低。,二、材料的性能,2.1 力学性能（机械性能） 强度：是材料抵抗外力作用不发生破坏的能力。 弹性极限、屈服极限、强度极限 疲劳极限（材料经过无限次反复交变载荷不受破坏的最大应力） 蠕变极限（材料在某一温度下，在规定时间内产生变形量为1时的最大应力） 硬度：是材料抵抗压入物体压陷能力的大小 布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV) 塑性：是材料受力时
3、，当应力超过屈服点后，能产生显著变形而不立即断裂的性质。 延伸率、断面收缩率 韧性：材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时迅速塑性变形的能力。,化工设备钢板冲击韧性ak值不得低于30J/cm2,二、材料的性能,2.2 物理性能 密度、熔点、比热容、导热系数、热膨胀系数、导电性、弹性模量和泊桑比等。 2.3 化学性能 耐腐蚀性能是指抵抗各种腐蚀液浸蚀的能力 抗氧化性耐高温氧化 2.4 加工性能 可锻造性、可铸性、焊接性和可切削性,三、碳钢与铸铁,1、碳钢是指含碳量在0.022铁碳合金。含碳量小于0.02叫纯铁。大于2是铸铁。,2、铁的同素异构转变：铁的体心立方晶格加热时，在910度恒温下转变成面心
4、立方晶格。反之，冷却时面心立方晶格可变为体心立方晶格。,面心立方晶格,体心立方晶格,910度,三、碳钢与铸铁,3、碳钢的基本组织,铁素体 碳溶解在体心立方晶格中形成的固溶体,奥氏体 碳溶解在面心立方晶格中形成的固溶体,渗碳体 碳部分溶解在体心立方晶格中或面心立方晶格其 余部分碳与铁形成一种化合物。常用有碳素钢、铸铁,珠光体 铁素体与渗碳体的机械混合,莱氏体 珠光体与渗碳体的共晶混合物,马氏体 碳原子在体心立方晶格中过饱和的固溶体，是高温急冷下来的组织。,三、碳钢与铸铁,4、钢的热处理 通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学和力学性能，这种加工工艺称为热处理。常用的
5、方法有：退火、正火、淬火和回火。,热处理工艺曲线,时间,温度,加热,保温,冷却,三、碳钢与铸铁,退火：是把材料放在炉中缓慢加热到临界点以上温度，保温一段时间，然后随炉温缓慢冷却下来。 正火：是退火是把材料放在炉中缓慢加热到临界点以上温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。其作用是降低材料的硬度，提高塑性、调整组织结构，消除部分内应力，改善力学性能。,淬火：是将材料加热到淬火温度，并保温一段时间，然后投入淬火剂中冷却的一种热处理工艺。作用是增加材料的硬度、强度和耐磨性。,回火：是将淬火后的材料进行较低温的加热与冷却热处理工艺。作用是降低淬火后的内应力，使金相组织更趋于稳定。并提高性能。,调质：是把
6、淬火和高温下的回火操作，比其它热处理方法更能改善材料的综合力学性能。,三、碳钢与铸铁,5、杂质元素对钢材性能的影响,硫：有害元素，含硫量高，引起热脆现象。普通钢0.0550.7、优质钢0.030.045、高级优质钢0.020.025,磷：有害元素，含量高，引起冷脆现象。普通钢0.085、优质钢0.04、高级优质钢0.025,锰：有益元素，作脱氧剂，降低钢的脆性，提高钢的强度与硬度。优质钢0.50.8,三、碳钢与铸铁,5、杂质元素对钢材性能的影响,硅：有益元素，作脱氧剂，降低钢的脆性，提高钢的强度与硬度。一般不超过0.5,氧：有害元素，含氧量使钢的强度和塑性降低。,氢：有害元素，含氢引起钢的氢脆
7、和白点等缺陷。,5. 碳钢的分类,三、碳钢与铸铁,1 普通碳素钢（普通钢）磷含量不大于0.045，硫含量不大于0.05,钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分组成。如Q235A.F，Q235-B。其符号的意义： Q钢材屈服点“屈”字汉字拼音首位字母； 235屈服强度值。MPa； A、B、C、D分别是质量等级； F沸腾钢“沸” b半镇静钢“半” Z镇静钢“镇” TZ特殊镇静钢“特镇”,三、碳钢与铸铁,2、优质钢 磷含量不大于0.035，硫含量不大于0.04。,按含锰量的高低分普通含锰量优质钢低于0.7；高含锰量优质钢0.71.2。牌号由表示含碳量万分数的两位数
8、字后面紧跟元素符号Mn组成。,30Mn 中30代表平均含碳量0.3，标出Mn表示其含锰量较高，达0.71.2。 此外，有专门用途的钢材，如锅炉用钢、压力容器用钢、焊接气瓶用钢等，它们的编号方法是在钢号后面分别加注g、R、HP等。,三、碳钢与铸铁,6.铸铁,含碳量2.54.0 强度较低、脆性材料、但成本低。可分为灰铸铁、球墨铸铁和高硅铸铁。,灰铸铁：碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在。性能是抗压强度低、抗拉强度低、冲击韧性低。用于制作支架、阀体、泵体、机座等。,球墨铸铁：在铁水中加入了球化剂、石墨化剂，使碳以球状石墨结晶存在。其强度、塑性和韧性超过灰铸铁，以至接近钢材，但价格低于钢材。用
9、作主轴、连杆、中压阀门等。,高硅铸铁：在上述铸铁中加入一定量的硅。硬度高、耐腐蚀。用作各种泵、热交换器。,四、合金钢,普通低合金钢：是在碳钢的基础上加入少量的Si、Cu、V、Ti等合金元素，可以大大提高钢材的强度，并改善钢材的耐腐蚀性、高低温性能及焊接性能。可用作高低压力容器和塔设备。它的编号是：由表示平均含碳量万分数的数字，加上表示所含主要合金元素的的元素符号和表示合金元素平均含量的百分数的数字组成。平均含碳量小于千分之的用“0”表示，小于万分之三的用“00”表示；平均合金含量小于1.5的在牌号中只标出合金元素符号，不注合金含量；平均含量为1.52.49，2.53.49相应地注为2，3，。用
10、作压力容器的在牌号后加“R”，如果是低温用钢应加“D” 例：35CrMnSiAR表示含碳量0.35，Cr、Mn、Si含量在1左右，A高级优质钢，R表示压力容器用钢。,不锈钢：是在碳钢中加入铬和镍元素，耐氧化和腐蚀。不锈钢牌号的编写与普通低合金钢类似只是把元素及含量列出。 例：1Cr13Ni12Ti 表示碳含量0.10.15，Cr是13Ni是12，Ti是1左右。前面是0表示碳含量小于0.1，2表示0.2左右。 不锈钢的含碳量很低，提高耐腐蚀性。碳与铬形成铬的碳化物，使铬的有效含量（大于12）降低，使钢的耐腐蚀性下降。主要分为两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢。后者较前者更能耐氧化性酸。但对还原性酸不耐蚀
11、，如盐酸，氯离子引起钢板发生晶间腐蚀，钢板穿孔。 为了减少晶间腐蚀，1是在钢中加入与碳亲合力比铬更强的钛、铌等元素以形成稳定的TiC、NbC等，将碳固定在这些化合物中；2是减少不锈钢中的含碳量以防止产生晶间腐蚀。,四、合金钢,五、有色金属材料,铁以外的金属称为有色金属。常用的有铝、铜及其合金等。 有其特殊的优越性能如导电、导热性，密度小，熔点高，有低温韧性，耐腐蚀等。但价格比较贵。用于有特殊要求的场合。 用于腐蚀、低温、高温、高压等特殊工艺条件,5.1铝及其合金 铝是轻金属，导电、导热性好。在氧化性介质中易形成三氧化二铝保护膜耐腐蚀。无低温脆性、对光合热的反射能力强，耐辐射，冲击不产生火花。,
12、五、有色金属材料,纯铝 高纯铝牌号：LG1、LG2等，用来制造对耐腐蚀要求高的浓硝酸设备；工业纯铝牌号L1、L2等用于制造含硫介质设备要求耐腐蚀、防污染而不要求强度的设备，如热交互器、反应器、深冷设备等。 防锈铝 牌号LF2、LF3等，耐潮湿大气腐蚀、有好的塑性，强度比纯铝高，用制造分馏塔、容器和热交换器 铸铝是铝硅合金。牌号是ZAlSi7Mg。铸造性和流动性好。耐腐蚀性好，用于铸造形状复杂的耐腐蚀零件，如泵、管件、阀门等,五、有色金属材料,5.2铜及其合金 具有高的导电性和导热性，较好的塑性、韧性及低温力学性能，在许多介质中有高耐腐蚀性。,纯铜：也称紫铜，牌号有T0、T1、T2、T3、T4五
13、种，在低温时能保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备的垫片。除硝酸、氨和胺盐外，能耐各种酸。,黄铜：铜与锌的合金，牌号有H80、H68、H62等，铸造性能好力学性能比纯铜好，耐腐蚀性能与纯铜相似，价格便宜，在化工上应用较广。还可以加其它元素，作容器的零件，深冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。,青铜：铜与锌以外的其它元素组成的合金称为青铜。分为无锡青铜和锡青铜。如ZQSn101锡青铜有较高的强度和硬度，铸造性能好，耐腐蚀，制作泵壳、阀门、轴承、涡轮、齿轮等。,六、非金属材料,玻璃：不是钠钙玻璃而是耐热玻璃和高铝玻璃，有好的热稳定性和耐腐蚀性、透明阻力小，价格低，但质脆不耐冲击、耐温
14、度急变性差。用作容器、反应器、泵、隔膜阀,特性：耐腐蚀、来源广、品种多、重量轻。主要作设备的保护衬里、涂层、密封材料、保温材料和耐火材料。,6.1无机非金属材料,陶瓷：良好的耐腐蚀性、不透明、耐热性和一定的机械强度。导热性差、热膨胀系数大、受碰击或温差急变而易破裂。用作塔、反应器、容器、泵、储槽、搅拌器和管件等。,六、非金属材料,6.2有机非金属材料 工程塑料：用高分子合成树脂为主要原料，在一定温度和压力成型产品，如泵、阀等。分热塑性塑料（聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等）和热固性塑料（酚醛树脂、环氧树脂）等。,涂料：高分子胶体涂在物体表面，形成薄涂层，起防腐防锈的作用。品种多、适应性强、使用方
15、便、价格低。但涂层易脱落。,不透性石墨：各种树脂浸渍石墨消除微孔得到的材料。优点是较高的化学稳定性和好的导热性，热膨胀系数小，耐温急变性好。但机械性能较低，性脆。制作泵、管道、密封圈、安全爆破片等。,七、金属的腐蚀与防腐,7.1化学腐蚀和电化学腐蚀 化学腐蚀是金属表面与环境介质发生化学作用而产生损坏，腐蚀在金属表面上，腐蚀过程中没有电流产生。如高温下的氧化、脱碳和氢化。 电化学腐蚀是金属与电解质溶液间产生电化学作用所发生的腐蚀。特点是在腐蚀过程中有电流产生。如酸、碱、盐溶液和工业用水等,7.2金属设备的防腐 涂保护层、电化学保护和腐蚀介质的处理,七、金属的腐蚀与防腐,7.2金属设备的防腐 涂保护层、电化学保护和腐蚀介质的处理,金属覆盖层：镀铬、镍等耐腐蚀性强的金属。,非金属覆盖层：设备内部附衬砖或板。如：酚醛胶泥衬瓷砖、瓷板，不透性石墨板、陶瓷砖或板，橡胶或塑料衬里,七、金属的腐蚀与防腐,7.2金属设备的防腐 涂保护层、电化学保护和腐蚀介质的处理,金属覆盖层：镀铬、镍等耐腐蚀性强的金属。,非金属覆盖层：设备内部附衬砖或板。如：酚醛胶泥衬瓷砖、瓷板，不透性石墨板、陶瓷砖或板，橡胶或塑料衬里,七、金属的腐蚀与防腐,7.3金属腐蚀的评定方法,1.试件在单位时间、单位面积因腐蚀而引起重量的变化来表示腐蚀速度。,2.根据腐蚀深度评定金属的腐蚀,