5化工设备材料.ppt
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1、第五章 化工设备材料,5.1 化工设备材料的基本要求 5.2 化工设备常用材料 5.3 钢材的热处理 5.4 有色金属及非金属材料 5.5 金属材料的腐蚀与防护 5.6 化工设备材料的选择,5.1 化工设备材料的基本要求,一 力学性能,1. 强度:确定许用应力的依据,S,b,2 塑性:反应材料可塑性指标,=1020%,3 韧性:抵抗缺陷扩展能力指标,K=4060J/cm2,4 硬度:抵抗外物侵入的能力,5 材料在高温和低温下的力学性能,碳钢力学性能随温度的变化,二 耐腐蚀性,抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。,三 加工工艺性,1. 可焊 性:少的焊接缺陷,2. 可锻性:不发生热脆,3. 可塑性:优良的
2、塑性加工性能,4. 机械加工性能:保证好的切削性,四、材料的物理性能,导热系数:设备要求传热,线膨胀系数:防止热应力,密度:决定设备的重量,熔点和导电性:,一、碳钢,1、常存杂质元素对钢材性能的影响 硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等 (1)硫 有害元素。钢材热加工11501200,过早熔化而导致工件开裂,称“热脆”。 高级优质钢:S0.02%0.03%; 优质钢:S0.03%0.045%; 普通钢:S0.055%0.7%以下。,5.2 化工设备常用材料,碳钢:碳含量在0.022之间的铁碳合金,(2)磷,有害元素。虽能使强度、硬度增高,但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时,使钢材显著变脆,称“
3、冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏, 高级优质钢: P0.025%; 优质钢: P0.04%; 普通钢: P0.085%。,(3)锰,脱氧剂。有益元素。 MnS(1600) ,部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力,与FeO成为MnO进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低脆性,提高强度和硬度。 在0.5%0.8%以下时,看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%0.8%;高锰结构钢可达0.7%1.2%。,(4)硅,脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加,塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%0.37%,
4、沸腾钢中只含有0.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。,(5)氧,有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3,使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。,(6)氮,长时间放置或在200300加热氮以氮化物形式的析出,硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。,(7)氢,氢脆、白点等缺陷。 变脆:氢化物变形小 白点:组织缺陷处扩散氢,时间长,2、分类与编号,按用途:建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢(不锈钢、耐热钢) 按含碳量:低碳钢、中碳钢和高碳钢 按脱氧方式:镇静
5、钢和沸腾钢 按品质:普通钢、优质钢和高级优质钢,(1)普通碳素钢,Q235-A,屈服强度数值(MPa) 质量等级A,B,C,D。 脱氧方法为F,b,Z,TZ。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢。 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。,(2)优质碳素结构钢,S0.03%0.045% ;P0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。,除保证机械性能和化学成分外,还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严。,优质低碳钢(含C0.25%),如08、10、
6、15、20、25;塑性好,焊接性能好,壳体、接管。 优质中碳钢(含C量0.3%0.60%),如30、35、40、45、50与55; 45号钢搅拌轴 优质高碳钢(含C0.6%),如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧,70、80钢用来制造钢丝绳等。,3、碳钢的品种及规格,品种:钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢 (1)钢板(压力容器用热扎厚钢板) 4mm6mm厚度间隔为0.5mm 6mm30mm厚度间隔为 lmm 30mm60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、 Q235-AF、08、10、15、20等。,(2)钢管,无缝钢管和有缝钢管。 无缝钢管有冷轧和热轧。 普通
7、无缝钢管常用材料有10、15、20等。 专门用途的无缝钢管,如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管、水煤气管,分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。,(3)型钢,有圆钢、方钢、扁钢、角钢(等边与不等边)、工字钢和槽钢。 圆钢与方钢主要用来制造各类轴件; 扁钢常用作各种桨叶; 角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。,(4)铸钢和锻钢,铸钢用 ZG表示, ZG25、 ZG35等,用于制造各种承受重载荷的复杂零件,如泵壳、阀门、泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、50等牌号。石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。,二、铸铁,含碳量2%以上,含
8、有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。 脆性材料,抗拉强度较低,但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。 铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,1、灰铸铁,2.7%4.0%,片状石墨形式,断面暗灰色。 有优良的铸造性、减振性能,支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。 在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。 HT和抗拉强度sb值表示,如 HT100,其中100表示sb100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、
9、 HT350。,2、球墨铸铁,简称球铁。 在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁,甚至接近钢材。 用QT、抗拉强度值、延伸率表示,如QT400-18,其中400表示sb400MPa,18表示d=18%。,3、高硅铸铁,有高的耐蚀性能,含硅量增加耐蚀性增加。 强度低、脆性大及内应力大,易于脆裂 热导率小,线膨胀系数大,不适于制造温差较大的设备,否则容易产生裂纹。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器 牌号有:STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,三 合金钢,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素,得到或改善某些性能。 一)、分类与编号 按合金元素总含量分: 合金含量10
10、%,高合金钢(不锈钢),二) 低合金钢,压力容器用低合金钢:含碳量0.10.25%,主要牌号:16MnR,15MnVR,18MnMoNiR,数,字,元素名称,数字,合金元素含量,合金元素符号,平均含碳量的万分数,一种是汉字牌号,如35铬钼; 另一种是用国际化学符号,如35CrMo。 表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%),含 Cr、Mo在1.5%。 当平均质量分数1.5%、2.5%,3.5%时,在元素符号后面应标明含量,可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,(二)、合金元素对钢的影响,目前常用的合金元素有:铬(Cr),锰(Mn),镍(Ni),硅(Si),硼(B),钨(W),钼(Mo
11、),钒(V),钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,1、铬,提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。 含量达到13时,能使钢的耐腐蚀能力显著提高,并增加钢的热强性。 提高钢的淬透性,显著提高钢的强度、硬度和耐磨性,但使塑性和韧性降低。,2、锰,提高强度和提高低温冲击韧性。 3、镍 提高淬透性,有很高的强度,而又保持良好的塑性和韧性。 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。 镍基合金具有更高的热强性能。 镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热中。,4、硅,提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。 硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。 5、铝 强脱氧剂,显著细化晶粒,提高冲击韧性,降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐热性
12、,对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。 价格便宜,在耐热钢中常以它来代替铬。,6、钼,提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。 7、钒 于固溶体中提高高温强度,细化晶粒,提高淬透性。 铬钢中加少量钒,在保持钢的强度情况下,能改善钢的塑性。,8、钛,强脱氧剂,可提高强度、细化晶粒,提高韧性,减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。 在不锈钢中稳定碳,防止晶间腐蚀 提高耐热性。 9、稀土元素 提高强度,改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,四、专业用钢,锅炉用钢,压力容器用钢等。 在钢号后面分别加注 g、 R等,如20g、16MnR等。 质地均匀、杂质含量低,能满足某些力学性能的特殊检验项
13、目要求。,不锈钢:耐大气腐蚀钢和耐化学介质腐蚀钢的总称。,铬不锈钢:1Cr13;,铬镍不锈钢:1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9;,节镍不锈钢:1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N,分类,五、特殊性能钢-不锈钢,牌号表示:含碳量的千分之几,合金元素,合金元素百分之几。含碳量0.08%, 钢号前为1,含碳量0.08%, 钢号前为0,含碳量0.03%, 钢号前为00,含碳量0.01%, 钢号前为000。,5.3 钢材的热处理,将钢材通过适当的加热和冷却过程,使钢材的组织按一定的规律变化,以获得预期的机械性能,称钢的热处理。,1、退火和正火,退火:缓慢加热到临界点
14、以上的某一温度,保温一段时间,随炉缓慢冷却。 目的:细化晶粒,提高力学性能;降低硬度、提高塑性、便于冷加工;消除部分内应力,防止工件变形。 正火是置于空气中冷却。晶粒变细,韧性可显著提高。 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,常用热处理方法,2、淬火和回火,加热至淬火温度(临界点以上3050),并保温一段时间,后投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水,冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火,合金钢在油中淬火。,回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力,提高韧性。 在150250范围
15、内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性,内应力和脆性有所降低。刃具、量具,要进行低温回火处理。,中温回火温度是300450。 有一定的弹性和韧性,并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。 综合性能:强度、韧性、塑性等都较好 淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。 用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,时效热处理:材料经固溶处理或冷塑变形后,在室温或高于室温条件下,其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力,稳定零件尺寸,它与回火作用相类似。,3、表面淬火,使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度,而心部则
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