環(huán)境工程設備材料ppt課件
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環(huán)境工程設備與設計,1,主講教師:食品學院 張仲欣 電 話:64222390 13525918503 E-mail:zhzhx@,2,本課件使用說明,1、紅顏色:標題; 藍顏色:需記筆記的內(nèi)容; 綠顏色:重點; 黑顏色:解釋性材料; 棕顏色:重復前頁的標題。 2、頁面切換聲:“咔嚓”; 頁面上增加內(nèi)容聲:“鐺”或“嗒嗒”。,3,教材:,普通高等教育“十一五”國家級規(guī)定教材 《環(huán)境工程設備》 金兆豐主編 化學工業(yè)出版社 主要參考書: 《化工設備機械基礎》 董大勤主編 化學工業(yè)出版社,本課件使用說明,4,主要內(nèi)容及學時安排,緒論 2學時 第一章 環(huán)境工程設備材料 8 學時 第二章 容器設計與制造 16 學時 第三章 管道與閥門 6 學時 第四章 機械傳動與減速器 10 學時 第五章 環(huán)境工程設備設計實例 6 學時,5,本課程的學習方法,一、開設本課程的目的與意義 1.了解環(huán)境工程設備的相關知識,能認識設備。 2.掌握環(huán)境工程設備的結構、原理、工作過程、特點等,為設備的選型配套打基礎。 3.掌握環(huán)境工程設備設計的基礎知識與方法,為設備的設計與改造打基礎。,6,二、本課程的學習方法 1.提倡記筆記,必須做作業(yè)。 2.期末考試:平時占30%, 卷面占70%。 3.答疑時間:周三晚8點-10點, 地點:2-231(最西頭)。,7,緒論,主要內(nèi)容: 1.環(huán)境工程設備的定義和分類 2.機械類與容器類環(huán)保設備 3.標準化知識簡介 4.環(huán)境工程設備的選用與設計原則,8,一、環(huán)境工程設備的定義與分類,1.定義: 以控制環(huán)境污染為目的的設備,稱為環(huán)境保護設備或環(huán)保設備 環(huán)境保護設備是水污染治理設備、空氣污染治理設備、固體廢棄物處理設備、噪聲與振動控制設備、放射性與電磁波污染防護設備的總稱。,9,2.分類:,按類別、亞類別、組別和型別四個層次進行分類。 (1)按類別:即按控制的污染物對象分類 水污染治理設備 空氣污染治理設備 固體廢棄物處理處置設備 噪聲與振動控制設備 放射性與電磁波污染防護設備,10,2.分類:,(2)按亞類別:即按環(huán)保設備的原理和用途分類 物理法 化學法 物理化學法 (3)按組別:即按功能原理分類 如用于分離的原理有: 沉淀 澄清 上浮 氣浮 離心 磁分離,11,2.分類:,(4)按型別分類:即按結構特性和工作方式 如氣浮分離器的典型結構有: 溶氣氣浮 真空氣浮 分散空氣氣浮 電解氣浮 泡沫分離器,12,二、機械類與容器類環(huán)保設備,單體設備可分為機械類與容器類兩種類型 機械類設備可分為通用設備與專用設備 容器類設備可分為常壓容器、中低壓容器、高壓容器等 常壓:只承受容器內(nèi)介質(zhì)的靜壓 低壓:介質(zhì)工作壓力≤1.6MPa 中壓:介質(zhì)工作壓力為1.6~10MPa 高壓:介質(zhì)工作壓力為10~100MPa 容器類環(huán)境工程設備一般是指沒有運動構件的設備,主要是指設備的外殼。,13,三、標準化知識簡介,1.標準化的發(fā)展歷史:由統(tǒng)一性決定 2.標準化的主要作用:便于設計、生產(chǎn)、使用 3.標準化和標準的定義:大家都遵守的規(guī)則 4.標準的分類:國家、部門、行業(yè)、企業(yè) 5.標準的代號和編號:由名稱、代號、編號、年份組成。如《鋼制壓力容器》( GB150-1998 ),6.ISO9000和ISO14000:ISO為國際標準,9000為質(zhì)量標準,1400為環(huán)保標準,,14,四、環(huán)境工程設備的選用與設計原則,1.成套設備與單體設備:成套設備滿足工藝要求,單體設備盡量選通用設備。 2.通用設備的選用原則:適用、先進、安全、經(jīng)濟 3.專用設備的設計原則:滿足工藝要求、結構簡單、成本低,15,第1章 環(huán)境工程設備材料,主要內(nèi)容: 1.材料的基本性能 2.碳鋼與鑄鐵 3.合金鋼 4.有色金屬及其合金 5.非金屬材料與復合材料 6.材料的腐蝕與防腐 7.環(huán)境工程設備材料選擇,第一節(jié) 材料的基本性能,主要包括:力學性能、物理性能、化學性能和加工性能 一、力學性能 力學性能是指材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力,如強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。這些性能是化工設備設計中材料選擇及計算時決定許用應力的依據(jù)。,一、力學性能,1. 強度 是指材料抗變形或斷裂的能力 。 (1)材料拉伸時的應力應變曲線 ①應力:單位面積所受的力,②應變:單位長度所產(chǎn)生的變形,,,,,應力的單位為MPa,即106N/m2,1.強度,③材料拉伸時的應力應變曲線 材料拉伸試驗: 試棒制備,材料拉伸過程演示,l0=10d0,l0= 5d0,一般d0=10mm,,1.強度,材料拉伸時的應力應變曲線(畫出),1.強度,σp——比例極限 σe——彈性極限 σs——屈服極限(屈服點) σb——強度極限 E=tan(α)——材料的彈性模量 在比例極限內(nèi),σ=Eε,1. 強度,長期靜載對強度的影響:蠕變極限σn 交變載荷對強度的影響:疲勞極限σ-1 交變載荷大小用應力循環(huán)系數(shù)或應力比衡量, r= σmin/σmax 疲勞極限σ-1以106~107次交變這材料不被破壞的應力,許用應力,不同的設計對應不同的強度極限。 安全系數(shù)是對設備安全性的保護,一般n=2~5。,2. 硬度,硬度是指固體材料對外界物體機械作用(如壓陷、刻劃)的局部抵抗能力。 是彈性、強度與塑性的綜合性能指標。 常用硬度表示方法: (1)布氏硬度(HB):用于軟質(zhì)材料, 如低碳鋼,HB200~300 布氏硬度與抗拉強度的對應關系: 低碳鋼 σb=0.36 HB 高碳鋼 σb=0.34 HB 灰鑄鐵 σb=0.1 HB (2)洛氏硬度(HRC、HRB):用于硬質(zhì)材料, 如高碳鋼或合金鋼,HRC40~60,3. 塑性,延伸率 δ,斷面收縮率ψ,化工設備材料一般要求δ5=10~20%,其中εp為斷裂時的應變。L1和s1為斷裂時的長度和斷面面積。,4.沖擊韌性 沖擊韌性αk:使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積,即,低溫容器所用鋼板的αk值 不得低于0.3MJ/m2,二、物理性能,密度、熔點、比熱容、熱導率、線膨脹系數(shù)、導電性、磁性、彈性模量與泊松比等。,三、化學性能 1. 耐腐蝕性 材料對周圍介質(zhì)侵蝕的抵抗能力 2. 抗氧化性 材料抵抗高溫氧化的能力。,四、加工工藝性能 1. 可鑄性:收縮與偏析 2. 可鍛性 3. 焊接性 4. 可切削加工性,第一節(jié) 材料的基本性能,【作業(yè)】 1.一個總重為700N的電機,用一個M8吊環(huán)螺釘起吊。螺紋根部直徑為6.4mm,其截面上的應力有多大? 2.一鋼管,中徑為D,厚度為δ,要受F的拉力。已知斷面上的許用應力為σm。F允許多大?(圓環(huán)面積近似用中徑周長乘以厚度),第一節(jié) 材料的基本性能,【作業(yè)答案】 1.σ=22MPa 2.F=πDδσm,第二節(jié) 碳鋼與鑄鐵,碳鋼即“鐵碳合金”是由95%以上的鐵和0.05%~4%的碳及1%左右的雜質(zhì)元素所組成的合金。 一般含碳量0.02%~2%的稱為鋼; 大于2%稱為鑄鐵; 含碳量小于0.02%的稱為純鐵(工業(yè)純鐵); 含碳量大于4.3%的鑄鐵極脆。 后二者的工程應用價值都很小。,一、鐵碳合金的組織結構,1.金屬的組織與結構,組織:在金相顯微鏡下看到的金屬的晶粒,簡稱組織。,結構:電子顯微鏡觀察到金屬原子各種規(guī)則排列,稱為金屬的晶體結構,簡稱結構。 不同溫度下純鐵體心立方與面心立方晶格,體心立方晶格塑性比面心立方晶格的好,而后者的強度高于前者。,1.金屬的組織與結構,鑄鐵中的碳一般以石墨的形式存在,有不同的組織形貌。石墨在鑄鐵中的三種存在形式如下:,球墨鑄鐵強度最高;細片狀石墨次之;粗片狀石墨最差。,1.金屬的組織與結構,2.純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變,體心立方晶格的純鐵稱α-Fe, 面心立方晶格的鐵稱為γ-Fe。 α-Fe加熱可變?yōu)棣?Fe, 反之高溫下的γ-Fe冷卻可變?yōu)棣?Fe。 在固態(tài)下晶體構造隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象, 稱“同素異構轉(zhuǎn)變”。 純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變是在910℃恒溫下完成的。 在固態(tài)下重新排列、結晶過程,是鋼進行熱處理的依據(jù)。,3.碳鋼的基本組織 碳在鐵中的存在形式有固溶體、化合物和混合物三種。 (固溶體:兩種或兩種以上的元素在固態(tài)下互相溶解,而仍然保持溶劑晶格原來形式的物體。) 這三種不同的存在形式,形成了不同的碳鋼組織。,(1)鐵素體 碳溶解在α-Fe中形成固溶體稱鐵素體。 α-Fe原子間隙小,溶碳能力低(室溫下0.006%),強度和硬度低,但塑性和韌性很好。 低碳鋼是含鐵素體的鋼,具有軟而韌的性能。 (2)奧氏體 碳溶解在γ-Fe鐵中形成固溶體稱奧氏體。 γ-Fe原子間隙較大,碳的溶解度比α-Fe中大得多,如在723℃時可溶解0.8%,在1147℃時可達最大值2.06%。 奧氏體組織是在α-Fe發(fā)生同素異構轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的。由于奧氏體有較大的溶解度,故塑性、韌性較好,且無磁性。,3.碳鋼的基本組織,(3)滲碳體 碳和鐵形成一種化合物(Fe3C)稱滲碳體。 熔點約1600℃,硬度高。 鐵碳合金含碳量小于2%時,其組織是在鐵素體中散布著滲碳體,是碳素鋼。 含碳量大于2%時,部分碳以石墨形式存在,稱鑄鐵??估瓘姸群退苄远急忍间摰?。但鑄鐵具有一定消震能力。,3.碳鋼的基本組織,(4)珠光體 鐵素體與滲碳體的機械混合物。 力學性能介于鐵素體和滲碳體之間,即其強度、硬度比鐵素體顯著提高;塑性、韌性比鐵素體差,但比滲碳體要好得多。,3.碳鋼的基本組織,(5)萊氏體 珠光體和初次滲碳體的共晶混合物。 具有較高的硬度,是一種較粗而硬的金相組織,存在于白口鑄鐵、高碳鋼中。 (6)馬氏體 鋼和鐵從高溫急冷下來的組織,是碳在α-Fe中過飽和的固溶體。 具有很高的硬度,但很脆,延伸性低,幾乎不能承受沖擊載荷。,3.碳鋼的基本組織,,,從鐵碳合金狀態(tài)圖中可以看出:溫度和含碳量對鋼鐵組織影響的規(guī)律是: 溫度由高到低:液體→奧氏體→珠光體 含碳量由低到高:鐵素體→滲碳體→萊氏體 即:不同含碳量的鐵在不同的溫度下有不同的組織結構。,3.碳鋼的基本組織,三、鋼的熱處理,鋼、鐵固態(tài)下加熱、保溫和不同的冷卻方式,改變金相組織以滿足所要求的物理、化學與力學性能,稱為熱處理。常用的熱處理方法有:,1. 退火和正火 退火:緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度,保溫一段時間,隨爐緩慢冷卻。 目的:細化晶粒,提高力學性能;降低硬度、提高塑性、便于冷加工;消除部分內(nèi)應力,防止工件變形。 正火是置于空氣中冷卻。晶粒變細,韌性可顯著提高。 鑄、鍛件切削加工前一般進行退火或正火。 2. 淬火和回火 淬火:加熱至淬火溫度(臨界點以上30℃~50℃),并保溫一段時間,然后投入到淬火劑中冷卻。 目的:淬火后得到的組織是馬氏體。增加硬度、強度和耐磨性。 淬火劑有空氣、油、水、鹽水,冷卻能力遞增。 碳鋼在水和鹽水中淬火,合金鋼在油中淬火。,三、鋼的熱處理,回火:是淬火后進行的一種較低溫度的加熱與冷卻熱處理工藝。 目的:降低或消除零件淬火后的內(nèi)應力,提高韌性。 在150℃~250℃范圍內(nèi)的回火稱“低溫回火”。回火馬氏體有較高的硬度和耐磨性,內(nèi)應力和脆性有所降低。刃具、量具,要進行低溫回火處理。 中溫回火溫度是300℃~450℃。 有一定的彈性和韌性,并有較高硬度。 軸類、刀桿、軸套等進行中溫回火。 高溫回火溫度為500℃~680℃。 綜合性能:強度、韌性、塑性等都較好 淬火+高溫回火習慣上稱為“調(diào)質(zhì)處理”。 用于各種軸類零件、連桿、齒輪、受力螺栓等。,2. 淬火和回火,時效熱處理:材料經(jīng)固溶處理或冷塑變形后,在室溫或高于室溫條件下,其組織和性能隨時間而變化的過程。 時效處理可進一步消除內(nèi)應力,穩(wěn)定零件尺寸,它與回火作用相似。,2. 淬火和回火,3. 表面淬火 使零件表面層比心部具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度,而心部則具有一定的韌性。 4. 化學熱處理 有滲碳、滲氮(氮化)、滲鉻、滲硅、滲鋁、氰化(碳與氮共滲)等。 滲碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性; 滲鋁可提高耐熱、抗氧化性; 氮化與滲鉻的零件,表面比較硬,可顯著提高耐磨和耐腐蝕性; 滲硅可提高耐酸性等。,三、鋼的熱處理,四、碳鋼 1. 常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響,碳鋼中的雜質(zhì)元素有: 硫、磷、錳、硅、氧、氮、氫等 (1)硫:有害元素。FeS和 Fe形成低熔點(985℃)化合物。鋼材熱加工1150~1200℃,過早熔化而導致工件開裂,稱為“熱脆”。 高級優(yōu)質(zhì)鋼:S<0.02%~0.03%; 優(yōu)質(zhì)鋼:S<0.03%~0.045%; 普通鋼:S<0.055%~0.7%。,(2)磷:有害元素。雖能使強度、硬度增高,但塑性、沖擊韌性顯著降低。 特別是在低溫時,使鋼材顯著變脆,稱“冷脆”。 使冷加工及焊接性變壞, 高級優(yōu)質(zhì)鋼: P<0.025%; 優(yōu)質(zhì)鋼: P<0.04%; 普通鋼: P<0.085%。 (3)錳:脫氧劑,有益元素。 MnS(1600℃) ,部分消除硫的有害作用。 錳具有很好的脫氧能力,與FeO成為MnO進入爐渣,從而改善鋼的品質(zhì),特別是可以降低脆性,提高強度和硬度。 在0.5%~0.8%以下時,看成是常存雜質(zhì)。 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼中,正常含錳量是0.5%~0.8%;高錳結構鋼可達0.7%~1.2%。,1. 常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響,(4)硅:脫氧劑。有益元素。 硅與FeO能結成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去。 硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使強度、硬度增加,塑性、韌性降低。 鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量常在0.1%~0.37%,沸騰鋼中只含有0.03%~0.07%。 由于鋼中硅含量一般不超過0.5%,對鋼性能影響不大。 (5)氧:有害元素。 在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧,但不可能除盡。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3,使強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。,1. 常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響,(6)氮 長時間放置或在200~300℃加熱,氮以氮化物的形式析出,硬度、強度提高,塑性下降。 (7)氫 氫會使鋼材出現(xiàn)氫脆、白點等缺陷。即在斷面上出現(xiàn)白色斑點,易斷裂。,1. 常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響,2. 分類與編號,按用途分:建筑及工程用鋼、結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼和特殊性能鋼(不銹鋼、耐熱鋼) 按含碳量分:低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼 按脫氧方式分:鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼 按品質(zhì)分:普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼 (1)普通碳素鋼 編號:Q235-A,Q235——屈服強度及數(shù)值(MPa) A——質(zhì)量等級,有A,B,C,D四級。 脫氧方法有F,b,Z,TZ。其中Z——鎮(zhèn)靜鋼,在編號中忽略 化工壓力容器一般選用鎮(zhèn)靜鋼。 普通碳素鋼有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五個鋼種。,(2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S<0.03%~0.045% ;P<0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。即平均含碳量為萬分之幾。45號鋼中含碳量平均為0.45%(0.42%~0.50%)。 優(yōu)質(zhì)低碳鋼(含C<0.25%),如08、10、 15、20、25;塑性好,焊接性能好,用于殼體、接管等。 優(yōu)質(zhì)中碳鋼(含C量0.3%~0.60%),如30、35、40、45、50與55; 45號鋼,用于攪拌軸、齒輪等傳動零件。 優(yōu)質(zhì)高碳鋼(含C>0.6%),如60、65、70、80。60、65鋼主要用來制造彈簧,70、80鋼用來制造鋼絲繩等。,2. 分類與編號,(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼 S<0.02%~0.03%; P<0.025%,均<0.03%。 它的表示方法是在優(yōu)質(zhì)鋼號后面加一個A字,如20A。,2. 分類與編號,品種:鋼板、鋼管、型鋼、鑄鋼和鍛鋼 (1)鋼板(壓力容器用熱扎厚鋼板) 4mm~6mm厚度間隔為0.5mm 6mm~30mm厚度間隔為 lmm 30mm~60mm厚度間隔為2mm 一般碳素鋼板材料有 Q235-A、 Q235-A·F、08、10、15、20等。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,但常用鋼板厚度參見HG20581-1998,,40mm沒有奇數(shù)厚度的鋼板(25代替24和26除外),(2)鋼管 無縫鋼管和有縫鋼管。 無縫鋼管有冷軋和熱軋。 普通無縫鋼管常用材料有10、15、20等。 另外還有專門用途的無縫鋼管,如熱交換器用鋼管、石油裂化用無縫管、鍋爐用無縫管等。 有縫鋼管和水煤氣管:分鍍鋅(白鐵管)和不鍍鋅(黑鐵管)兩種。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,(3)型鋼 有圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼(等邊與不等邊)、工字鋼和槽鋼。 圓鋼與方鋼主要用來制造各類軸件; 扁鋼常用作各種槳葉; (4)鑄鋼和鍛鋼 鑄鋼用 ZG表示, 如ZG25、 ZG35等,用于制造各種承受重載荷的復雜零件,如泵殼、閥門、泵葉輪等。 鍛鋼有08、10、15、…、50等牌號。石油化工容器用20、25等制作管板、法蘭、頂蓋等。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,含碳量2%以上,含有 S、 P、 Si、 Mn等雜質(zhì)。 脆性材料,抗拉強度較低,但有良好的鑄造性、耐磨性、減振性及切削加工性。 在一些介質(zhì)(濃硫酸、醋酸、鹽溶液、有機溶劑等)中有相當好的耐腐蝕性能。 鑄鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。,五、鑄鐵,1. 灰鑄鐵 含碳2.7%~4.0%,片狀石墨形式,斷面暗灰色。 有優(yōu)良的鑄造性、減振性能,用于支架、閥體、泵體、機座、管路附件等。 在化工生產(chǎn)中可做燒堿生產(chǎn)中的熬堿鍋、聯(lián)堿生產(chǎn)中的碳化塔及淡鹽水泵等。 編號:HT200,HT——灰鑄鐵,200——抗拉強度sb值,MPa。 常用灰鑄鐵牌號有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。 2. 球墨鑄鐵 石墨呈球形,簡稱球鐵。在強度、塑性和韌性方面大大超過灰鑄鐵,甚至接近鋼材。 編號:QT400-18, QT——球墨鑄鐵, 400 ——抗拉強度sb值,MPa ,18——延伸率d=18%。,五、鑄鐵,3. 高硅鑄鐵 有高的耐蝕性能,含硅量增加,耐蝕性增加。 強度低、脆性大、內(nèi)應力大,易于脆裂 熱導率小,線膨脹系數(shù)大,不適于制造溫差較大的設備,否則容易產(chǎn)生裂紋。 常用于各種耐酸泵、冷卻排管和熱交換器 牌號有:STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,五、鑄鐵,第三節(jié) 合金鋼,在碳鋼中添加適量的一種或多種合金元素,得到或改善某些性能,稱為合金鋼。 一、分類與編號 按合金元素總含量分: 合金含量10%:高合金鋼 按用途分: 合金結構鋼 調(diào)質(zhì)結構鋼、表面硬化鋼 低碳馬氏體鋼、非調(diào)質(zhì)結構鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼:不銹鋼和耐熱鋼等,,低合金鋼的編號表示方法:12CrNi3。 12——表示含碳量為萬分之十二(或0.12%), Cr、Ni3——所含的主要合金元素及其含量,數(shù)字為百分數(shù),含量1.5%時,不標數(shù)字,如Cr 含量為0.4%,則不標數(shù)字,Ni3表示鎳含量為3%左右 。,一、分類與編號,二、合金元素對鋼的影響 目前常用的合金元素有:鉻(Cr),錳(Mn),鎳(Ni),硅(Si),硼(B),鎢(W),鉬(Mo),釩(V),鈦(Ti)和稀土元素(Re)等。 1. 鉻 提高耐腐蝕性能和抗氧化性能。 含量達到13%時,能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高,并增加鋼的熱強性。 提高鋼的淬透性,顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性,但使塑性和韌性降低。 2. 錳 提高強度和低溫沖擊韌性。,3. 鎳 提高淬透性,有很高的強度,而又保持良好的塑性和韌性。 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性。 鎳基合金具有更高的熱強性能。 鎳被廣泛應用于不銹耐酸鋼和耐熱鋼中。 4.硅 提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性及耐H2S等介質(zhì)的腐蝕性。 硅含量增高會降低鋼的塑性和沖擊韌性。,二、合金元素對鋼的影響,5.鋁 強脫氧劑,顯著細化晶粒,提高沖擊韌性,降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐熱性,對抵抗H2S介質(zhì)腐蝕有良好作用。 價格便宜,在耐熱鋼中常以它來代替鉻。 6.鉬 提高高溫強度、硬度、細化晶粒、防止回火脆性。鉬能抗氫腐蝕。 7.釩 在固溶體中提高高溫強度,細化晶粒,提高淬透性。 鉻鋼中加少量釩,在保持鋼的強度情況下,能改善鋼的塑性。,二、合金元素對鋼的影響,8. 鈦 強脫氧劑,可提高強度、細化晶粒,提高韌性,減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向。 在不銹鋼中穩(wěn)定碳,防止晶間腐蝕, 提高耐熱性。 9. 稀土元素 提高強度,改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。,二、合金元素對鋼的影響,三、可焊接的低合金高強度鋼 碳含量通常小于0.25%。 有較高的屈服強度(300~1000MPa)和屈強比(σs/σb=0.65~0.95), 較好的冷熱加工性能、良好的焊接性能,較低的冷脆傾向以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。 主要有高強度鋼、低溫鋼和耐蝕鋼 1. 高強度鋼 350MPa強度級,典型牌號為16Mn; 400MPa強度級,典型牌號為14MnMoV 500MPa強度級,典型牌號為12MnNiCrMoVCu,2. 低溫鋼 主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃) 3. 耐蝕鋼 10MnPNbRE鋼耐海洋大氣及海水腐蝕, 12MnAlV鋼制造煉油廠耐高溫硫化氫設備。 大型化工容器16MnR,質(zhì)量比碳鋼輕l/3; 與碳鋼相比,用15MnV制造球形貯罐可節(jié)省鋼材約45%。 根據(jù)容器的具體操作條件(溫度、壓力)和制造加工(卷板、焊接)要求選用。,三、可焊接的低合金高強度鋼,四、專業(yè)用鋼 鍋爐用鋼,壓力容器用鋼、焊接氣瓶用鋼等。 在鋼號后分別加注g、R或HP等,如20g、16MnR和15MnVHP等。 質(zhì)地均勻、雜質(zhì)量低,能滿足某些力學性能的特殊檢驗項目要求。,五、特殊性能鋼 不銹鋼、耐熱鋼和高溫合金及低溫用鋼 1. 不銹鋼 不銹耐熱鋼和不銹耐酸鋼的統(tǒng)稱。 編號: 1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9 其中最前邊的數(shù)字表示碳的千分含量,若小于千分之一,也要標注0。 后邊為所含的主要合金元素及其含量,數(shù)字為百分數(shù),含量1.5%時,不標數(shù)字,如Cr 含量為18%左右, Ni含量為9%左右, Ti 含量1.5%,則不標數(shù)字。,2. 耐熱鋼和高溫合金 例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等,溫度往往達到1000℃以上。 300℃~350℃即需選用耐熱鋼,一般耐熱鋼工作溫度都在700℃以下, 700℃~1000℃用高溫合金。,(1)耐熱鋼 Cr、 Al、 Si鐵素體形成元素,被高溫氣體氧化后生成一種致密的氧化膜。 Ni、Mn奧氏體形成元素, 提高高溫強度和改善抗?jié)B碳性。 V、Nb、Ti形成強碳化物提高高溫強度。 C和N擴大和穩(wěn)定奧氏體提高高溫強度。 B和Re均為耐熱鋼中添加的微量元素,可以顯著提高鋼材的抗氧化性,并改善其熱塑性。 按特性和用途分為抗氧化鋼(又稱高溫不起皮鋼)和熱強鋼。 抗氧化鋼指在高溫下有較好的抗氧化性,并有適當?shù)膹姸取?熱強鋼在高溫下有較好的抗氧化性和耐腐蝕能力,且有較高的強度。常用來做高溫工作下的汽缸、螺栓及鍋爐的過熱器等。,2. 耐熱鋼和高溫合金,(2)高溫合金 鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金。 鐵基耐熱合金工作溫度在700℃以下,含有相當高的鉻、鎳成分和其他強化元素。 鎳基耐熱合金是目前在700℃~900℃范圍內(nèi)使用得最廣泛的一種高溫合金。這類合金的鎳含量通常在50%以上。 鈷基耐熱合金的高溫強度主要靠固溶強化獲得。鈷價格昂貴,應用受到很大的限制,一般在1000℃以上才用。,2. 耐熱鋼和高溫合金,3. 低溫用鋼 深冷分離、空氣分離等。 (溫度≤-20℃) 目前國外低溫設備用的鋼材主要是以高鉻鎳鋼為主,也有使用鎳鋼、銅和鋁等。 我國無鉻鎳的低溫鋼材系列主要有: 16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR,第四節(jié) 有色金屬及其合金,主要包括:銅 、鋁、鉛、鑄造合金、軸承合金等。 一、鋁及其合金 質(zhì)輕,導電導熱性好,易于加工。 鋁不會產(chǎn)生火花,常用于制作含易揮發(fā)性介質(zhì)的容器; 鋁不會產(chǎn)生食物中毒,不污染物品,不改變物品顏色,在食品工業(yè)中代替不銹鋼; 鋁的導熱性能好,適合于作換熱設備。,1. 純鋁 (1)高純鋁 抗硫腐蝕,可用于濃硝酸設備,如高壓釜、槽車、貯槽、閥門、泵。 (2)工業(yè)高純鋁 純度高,可用于制造鋁箔。 (3)工業(yè)純鋁 用于接觸含硫物質(zhì)但要求不高的設備,例如:反應器、熱交換器、深冷設備、塔器等。,一、鋁及其合金,2. 鋁合金 是鋁中加入合金元素而成,強度提高,主要用于要求質(zhì)輕而強度高的航空零件。 化工上常用鑄造鋁合金,主要有: 鋁硅合金:制造泵殼 鋁銅合金:制造簡單鑄件 鋁鎂合金:力學性能高,耐腐蝕性能好,但熱強性低。多用于食品機械零件。 鋁鋅合金:制造復雜鑄件和日用品。,一、鋁及其合金,二、銅及其合金 導熱導電性好,易于加工,色澤美觀。 1. 純銅(紫銅) 低溫時可保持較高的塑性和沖擊韌性,用于制作深冷設備和高壓設備墊片; 耐稀硫酸、亞硫酸、稀的和中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸及其它非氧化性酸等介質(zhì)的腐蝕,對淡水、大氣、堿類溶液的耐蝕能力很好; 不耐各種濃度的硝酸、氨和銨鹽溶液。,2. 銅合金 是銅中加入合金元素而成,強度提高。 主要有: 黃銅:銅與鋅的合金稱為黃銅 白銅:銅與鎳的合金稱為白銅 青銅:銅與錫的合金稱為錫青銅;銅與鋁、硅、鉛、鈹、錳等組成的合金稱無錫青銅。,(1)黃銅 鑄造性能好,力學性能比純銅高,耐蝕性能與純銅相似,在大氣中耐腐蝕性比純銅好,價格便宜,應用較廣。 在黃銅中加入錫、鋁、硅、錳等元素,形成特種黃銅。 錳、鋁能提高強度;鋁、錳和硅提高抗蝕性和減磨性;鋁能改善切削加工性。 常用的黃銅牌號有H80、H68、H62等,數(shù)字為含銅量。 H80大氣、淡水及海水中有較高耐腐蝕性、加工性能優(yōu)良,可作薄壁管和波紋管。 H68塑性好,可在常溫下沖壓。 H62在室溫下塑性較差,但機械強度較高,易焊接,價格低廉,可做深冷設備的筒體、管板、法蘭及螺母等。 錫黃銅 HSn70-l含有1%的錫,能提高在海水中的耐蝕性。稱海軍黃銅。,2. 銅合金,(2)白銅 鎳含量低于50%的銅鎳合金稱為簡單(普通)白銅,再加入錳、鐵、鋅或鋁等元素的白銅稱為復雜(特殊)白銅。 白銅是工業(yè)銅合金中耐腐蝕性能最優(yōu)者,抗沖擊腐蝕、應力腐蝕性能亦良好,是海水冷凝管的理想材料。 (3)青銅 錫青銅分鑄造錫青銅和壓力加工錫青銅。 錫青銅典型牌號 ZQSn10-1,有高強度和硬度,能承受沖擊載荷,耐磨性很好,具有優(yōu)良的鑄造性,比純銅耐腐蝕。 錫青銅用來鑄造耐腐蝕和耐磨零件,如泵殼、閥門、軸承、蝸輪、齒輪、旋塞等。 無錫青銅力學性能好。,2. 銅合金,三、鈦及其合金 鈦合金的密度?。?.507g/cm3)、強度高、耐腐蝕性好、熔點高。 工業(yè)純鈦牌號有 TA0、TA2、TA3(編號愈大、雜質(zhì)含量愈多)。 純鈦加工性能良好;有良好的耐蝕性。鈦也是很好的耐熱材料。 在鈦中添加錳、鋁或鉻鉬等元素,可獲得性能優(yōu)良的鈦合金。,四、鎳及其合金 高強度和塑性,好的延伸性和可鍛性。好的耐腐蝕性,用于制造處理堿介質(zhì)的化工設備。 Ni-Cu合金中的蒙乃爾耐蝕合金應用最廣。蒙乃爾合金能在500℃時保持高的力學性能,能在750℃以下抗氧化,在非氧化性酸、鹽和有機溶液中比純鎳、純銅更具耐蝕性。,五、鉛及其合金 硬度低、強度小,不宜單獨作為設備材料,只做設備的襯里。 熱導率小,純鉛不耐磨,非常軟。但在許多介質(zhì)中,特別是在硫酸中,鉛具有很高的耐蝕性。 鉛與銻合金稱為硬鉛,硬度、強度都比純鉛高,在硫酸中的穩(wěn)定性也比純鉛好。硬鉛的主要牌號為 PbSb4、 PbSb6、 PbSb8和 PbSb10。 鉛和硬鉛在硫酸、化肥、化纖、農(nóng)藥、電器設備中可用來做加料管、鼓泡器、耐酸泵和閥門等零件。 由于鉛具有耐輻射,在工業(yè)上用作 X射線和g射線的防護材料。 鉛合金的自潤性、磨合性和減振性好,是良好的軸承合金。 鉛合金還用于鉛蓄電池極板、鑄鐵管口、電纜封頭的鉛封等。,第五節(jié) 非金屬材料,既可用作結構材料,又能作設備的保護襯里、涂層,還可做設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。 非金屬材料分為無機非金屬材料(陶瓷、搪瓷、巖石、玻璃等)和有機非金屬材料(塑料、涂料、橡膠等)及近20~30年來發(fā)展的復合材料(玻璃鋼、不透性石墨等)。,一、無機非金屬材料 1. 陶瓷 好的耐腐蝕性、耐熱性和一定機械強度。 導熱性差,熱膨脹系數(shù)較大,受碰擊或溫差急變而易破裂。 2. 搪瓷 由含硅量高的瓷釉通過900℃左右的高溫煅燒,使瓷釉密著在金屬表面。 有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學性能和電絕緣性能,但易碎裂。 熱導率不到鋼的1/4,熱膨脹系數(shù)大。不能直接用火焰加熱,以免損壞搪瓷表面,可以用蒸汽或油浴緩慢加熱。使用溫度為-30℃~270℃。,3. 輝綠巖鑄石 用輝綠巖熔融后制成,可制成板、磚等材料作設備襯里,也可作管材。 鑄石除對氫氟酸和熔融堿不耐腐蝕外,對各種酸、堿、鹽都具有良好的耐腐蝕性能。 4. 玻璃 化工用的玻璃不是一般的鈉鈣玻璃,而是硼玻璃(耐熱玻璃)或高鋁玻璃,它們有好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。 具有耐腐蝕性、清潔、透明、阻力小、價格低等特點,但質(zhì)脆、耐溫度急變性差,不耐沖擊和振動。,一、無機非金屬材料,二、有機非金屬材料 1. 工程塑料 是用高分子合成樹脂為主要原料,加入添加劑以改善產(chǎn)品性能。 熱塑性材料遇熱軟化或熔融,冷卻后又變硬,可反復多次。主要有聚氯乙烯、聚乙烯等。 熱固性塑料固化后不能用加熱的方法使之再軟化,如酚醛樹脂、氨基樹脂等。 有良好的耐腐蝕性能、一定機械強度、良好的加工性能和電絕緣性能,價格較低。,(1)硬聚氯乙烯(PVC)塑料 使用溫度-10~+55℃。當溫度在60~90℃時,強度顯著下降。 (2)聚乙烯(PE)塑料 在室溫下,除硝酸外,對各種酸、堿鹽溶液均穩(wěn)定,對氫氟酸特別穩(wěn)定。 (3)耐酸酚醛塑料(PF) 使用溫度為-30℃~+130℃。這種塑料性質(zhì)較脆、沖擊韌性較低。 (4)聚四氟乙烯(PTFE)塑料 耐腐蝕性強。甚至超過貴重金屬金和銀,有塑料王之稱。 常用作耐腐蝕、耐高溫密封元件及高溫管道。 有良好的自潤滑性,還可以用作無油潤滑壓縮機的活塞環(huán)。,1. 工程塑料,(5)玻璃鋼 又稱玻璃纖維增強塑料。 用合成樹脂為粘結劑,以玻璃纖維為增強材料,按一定成型方法制成。 具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,強度高,具有良好的工藝性能,是一種新型非金屬材料。 樹脂不同而差異很大。 環(huán)氧玻璃鋼(常用)、酚醛玻璃鋼(耐酸性好)、呋喃玻璃鋼(耐腐蝕性好)、聚酯玻璃鋼(施工方便)等。,1. 工程塑料,2. 涂料 品種多,選擇范圍廣、適應性強、使用方便、價格低、適于現(xiàn)場施工等。 涂層較薄容易脫落,應用受到了限制。 防銹漆、底漆、大漆、酚醛樹脂漆、環(huán)氧樹脂漆以及某些塑料涂料,如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。 用靜電噴涂。涂料利用率高,容易進行機械化、自動化的大型生產(chǎn),減少溶劑和涂料的揮發(fā)和飛濺,涂膜質(zhì)量穩(wěn)定。,3. 不透性石墨 由各種樹脂浸漬石墨消除孔隙后得到 有較高的化學穩(wěn)定性和良好的導熱性,熱膨脹系數(shù)小,耐溫度急變性好;不污染介質(zhì),能保證產(chǎn)品純度;加工性能良好。 機械強度較低、性脆。 常被用來作腐蝕性強介質(zhì)的換熱器,如氯堿生產(chǎn)中應用的換熱器和鹽酸合成爐,,第六節(jié) 材料的腐蝕及防腐,一、材料的腐蝕,常見的金屬腐蝕破壞的形態(tài)有均勻腐蝕和局部腐蝕(區(qū)域腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕等),二、材料的防腐,第七節(jié) 環(huán)境工程設備材料選擇,從設備結構、制造工藝、使用條件和壽命等方面考慮,而且還要從設備工作條件下材料的物理性能、力學性能、耐腐蝕性能及材料價格與來源、供應等方面綜合考慮。,一、材料的物理、力學性能方面 一般中、低壓設備屈服極限235到345MPa級。 若直徑較大、壓力較高,最好采用普低鋼(普通低合金鋼),強度級別宜用400MPa級或以上。 操作溫度超過400℃,還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。 壓力容器用鋼材,鋼材延伸率d5不得低于14%。當d5<18%時,加工應特別注意。 鋼管不宜強度級別過高,彎管率很關鍵,要求塑性好。,二、材料的耐腐蝕性 例如某磷肥廠需設計一個40m3濃硫酸貯罐, 可選灰鑄鐵、高硅鑄鐵、碳鋼、鉻鎳不銹鋼和碳鋼用瓷磚襯里等。 灰鑄鐵、高硅鑄鐵抗拉強度低、質(zhì)脆,不能鑄造大型設備,故不宜采用。 碳鋼的機械強度高、質(zhì)韌,焊接性能好,但稀硫酸腐蝕嚴重,故也不能采用。 不銹鋼價格比較貴,焊接加工要求較高。 可用碳鋼做罐殼,內(nèi)襯非金屬較合適,三、材料的經(jīng)濟性 碳鋼與普低鋼的價格比較低廉,應優(yōu)先選用。 考慮國家生產(chǎn)與供應情況,因地制宜選取,品種應盡量少而集中,以便于采購與管理。,四、其他方面 壓力容器的材料選擇應根據(jù)容器的操作條件、腐蝕情況及制造加工要求,依照國家標準GB150-1998的規(guī)定,并按GB6654-1996壓力容器用鋼板與JB 4726-94 壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件的規(guī)定選用。 為了節(jié)省材料,中、高壓容器應優(yōu)先選用普通低合金鋼(16MnR、15MnVR)。,- 配套講稿:
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