Nanjing University of Technology食品机械基础食品机械基础第二篇第二篇 化工设备材料化工设备材料授课教师：仲兆祥授课教师：仲兆祥NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第六章第六章 化工设备材料及选择化工设备材料及选择碳钢碳钢 12低合金钢及化工设备用特种钢低合金钢及化工设备用特种钢 4非金属材料非金属材料 3有色金属材料有色金属材料NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYp化工设备的使用环境：化工设备的使用环境：化工设备的使用环境：化工设备的使用环境：压力：真空低压中压 高压超高压温度：低温常温中温高温介质：腐蚀性；有毒；易燃；剧毒。氨合成的压力有的达到氨合成的压力有的达到32MPa32MPa高压聚乙烯生产压力为高压聚乙烯生产压力为300MPa300MPa乙烯生产工艺中裂解炉温度高达乙烯生产工艺中裂解炉温度高达12001200乙烯深冷分离温度需降到乙烯深冷分离温度需降到-167-167 高压反应器NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY6.1 6.1 碳钢碳钢一一. .碳钢中杂质对其性能的影响碳钢中杂质对其性能的影响1）锰(Mn) 来源在冶炼过程中加入锰铁。 作用钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金 元素存在提高强度。有益元素。2）硫(S) 来源矿石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用FeS的熔点低于钢材热加工开始温度，它过早熔化，导致工件开裂，称为“热脆性”。有害元素！ NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 3) 磷(P) 来源矿石。 作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。 有害元素！ 4）氢(H) 来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。 “白点”裂纹源,有害元素！NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY二二. .碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号 （1 1）普通碳钢普通碳钢含P、S等有害杂质较多（S0.055% P0.045%)常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F Q235-B, Q235-C, Q275式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服点（MPa) A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。 F沸腾钢 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY （2 2）优质碳素钢优质碳素钢特点：含硫、磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 数字-含C量的万分数; g -锅炉钢； R -容器钢； Mn -含锰元素约1%。 （3 3）高级优质钢高级优质钢 特点：磷硫杂质极少 P,S含量0.03%。 表示法：如20A NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY6.2 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响为改善钢材性能特意在碳钢中加入合金元素，以改变钢材性质，即为合金钢。例如：铬：耐腐蚀抗氧化； 提高了强度硬度和耐磨性； 使钢材的韧性和塑性降低。锰：提高强度和低温冲击韧性。镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性； 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性； 提高热强性能。硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S腐蚀； 降低了塑性和冲击韧性。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1.1.成分特点：成分特点：由碳素钢+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素组成；含碳量均较低，0.2%；合金元素总含量5% 。2. 2. 相对于碳素钢，其性能特点：相对于碳素钢，其性能特点：强度提高；耐腐蚀性能提高；低温性能提高。低合金钢低合金钢6.2 低合金钢及化工设备用特种钢低合金钢及化工设备用特种钢NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.3.常用材料：板，管，圆钢等型材。常用材料：板，管，圆钢等型材。4.4.用途用途： 广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。5.5.常用材料常用材料： 16MnR，15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR.NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别类别 品种品种 s sb (MPa) s ss(MPa) S/b使用温度使用温度 （）碳素钢碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.630350-19475低合金钢低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-45450NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY锅炉钢和容器钢锅炉钢和容器钢1.1.工作环境工作环境：锅炉：中温或高温；中压或高压。容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。2.2.对材质要求对材质要求：1）较高的强度；2）良好的塑性、韧性和冷弯性能；3）较低的缺口敏感性；4）良好的焊接性能和其他工艺性能；5）良好的冶金质量。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.常用的材料：锅炉钢 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。容器钢（GB150-1998 钢制压力容器推荐） Q235-B，Q235-C; 20R; 16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY7 7 7 7月月月月20202020日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的4 4 4 4个压个压个压个压力容器中一个不明原因脱离阀门，巨大的冲击力将该容器弹力容器中一个不明原因脱离阀门，巨大的冲击力将该容器弹力容器中一个不明原因脱离阀门，巨大的冲击力将该容器弹力容器中一个不明原因脱离阀门，巨大的冲击力将该容器弹射出十余米，撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了射出十余米，撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了射出十余米，撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了射出十余米，撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了下来。由于下来。由于下来。由于下来。由于“肇事肇事肇事肇事”容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大的冲击力将电源震坏，因此事故现场上空火光一片。经查，的冲击力将电源震坏，因此事故现场上空火光一片。经查，的冲击力将电源震坏，因此事故现场上空火光一片。经查，的冲击力将电源震坏，因此事故现场上空火光一片。经查，事发时，生产车间有事发时，生产车间有事发时，生产车间有事发时，生产车间有13131313名工人，其中名工人，其中名工人，其中名工人，其中4 4 4 4人不幸遇难，人不幸遇难，人不幸遇难，人不幸遇难，5 5 5 5人受伤。人受伤。人受伤。人受伤。压压压压力力力力容容容容器器器器事事事事故故故故 一一一一甘甘甘甘肃肃肃肃天天天天水水水水压压压压力力力力容容容容器器器器爆爆爆爆炸炸炸炸NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY山山山山西西西西嘉嘉嘉嘉宝宝宝宝酒酒酒酒业业业业锅锅锅锅炉炉炉炉爆爆爆爆炸炸炸炸压压压压力力力力容容容容器器器器事事事事故故故故 二二二二事故经过：事故经过：事故经过：事故经过：2000200020002000年年年年11111111月月月月28282828日，宁波北仑发电厂发生锅日，宁波北仑发电厂发生锅日，宁波北仑发电厂发生锅日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆炸，造成炉爆炸，造成炉爆炸，造成炉爆炸，造成2 2 2 2人死亡，人死亡，人死亡，人死亡， 2 2 2 2人重伤，人重伤，人重伤，人重伤， 2 2 2 2人轻伤，直接经人轻伤，直接经人轻伤，直接经人轻伤，直接经济损失济损失济损失济损失30303030万元，间接损失万元，间接损失万元，间接损失万元，间接损失20202020万元。万元。万元。万元。事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造安装人员均没有专业方面的知识。安装人员均没有专业方面的知识。安装人员均没有专业方面的知识。安装人员均没有专业方面的知识。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY压压压压力力力力容容容容器器器器事事事事故故故故 三三三三宁宁宁宁波波波波北北北北仑仑仑仑港港港港电电电电厂厂厂厂锅锅锅锅炉炉炉炉爆爆爆爆炸炸炸炸事故经过：事故经过：事故经过：事故经过：1993199319931993年年年年3 3 3 3月月月月10101010日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆炸，死亡炸，死亡炸，死亡炸，死亡23232323人，伤人，伤人，伤人，伤24242424人，直接经济损失人，直接经济损失人，直接经济损失人，直接经济损失778778778778万元，修复万元，修复万元，修复万元，修复132132132132天少发电近天少发电近天少发电近天少发电近14141414亿度。亿度。亿度。亿度。事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 不锈耐酸钢不锈耐酸钢不锈-耐大气腐蚀；耐酸-耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。常用品种：1 1）铬不锈钢）铬不锈钢-如1Cr13,2Cr13,0Cr13等。第一个数字-含碳量的千分数； Cr13-含铬13%。组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY“不锈”的原因： 在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用。性能特点： 碳的作用-与铬生成碳化铬(Cr23C6)，消耗大量的铬。为保证耐腐蚀性能，不锈钢中碳含量越低越好。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 铬的作用： 能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量13%。 能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。v用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。螺栓、浮阀等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY铬镍不锈钢铬镍不锈钢v常用铬镍不锈钢型号:06Cr19Ni10 式中 06-含碳量的千分数,C0.08%； Cr19-含铬量17-19%； Ni10-含镍量8-11%左右。 通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢。v组织特征：C、Cr、Ni固溶于奥氏体晶格中，是单一的奥氏体组织。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 性能特点: 耐腐蚀性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 组织为单一的奥氏体，在电解液中不能形成微 电池，避免了电化学腐蚀。 力学性能优异。 在400850期间，碳生成碳化铬在晶界析出，使晶 界附近贫铬（铬含量低于12%）导致晶间腐蚀。 ！不能反复施焊，否则必须进行热处理。 不耐氯离子腐蚀。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 耐热钢耐热钢v高温环境-原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管，工作温度为650800。 碳钢使用温度一般在400以下。如20钢 500时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程）；同时钢表面生成氧化皮，层层剥落。 碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 高温设备对材料的要求：高温设备对材料的要求：化学稳定性。抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等)腐蚀的能力。加入Cr、Al、Si等合金元素，钢的表面能生成致密的氧化膜，保护钢的表面。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。热强性抗高温蠕变能力 热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY低温用钢低温用钢v低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。v普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。v低温用钢的基本要求： 具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性能和可焊性；v低温用钢的组织成分特点： 含碳量尽可能低，以形成单相铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY6.3.有色金属有色金属 铜及其合金：铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1.特性：特性：1）密度小，体轻；）密度小，体轻； 2）导电、导热性好。不产生火花；）导电、导热性好。不产生火花； 3）塑性高，强度低；）塑性高，强度低； 4）易冷加工，可焊，可铸；）易冷加工，可焊，可铸； 5）耐低温；）耐低温； 6）一定的耐腐蚀性；）一定的耐腐蚀性； 7）不污染食物。）不污染食物。浓硝酸设备、热交换器、食品工业设备等浓硝酸设备、热交换器、食品工业设备等铝及其合金铝及其合金NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY铜及其合金铜及其合金1.纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）特性：特性：1）塑性好，导电性好，导热好；）塑性好，导电性好，导热好； 2）低温下保持较高塑性和冲击韧性；）低温下保持较高塑性和冲击韧性； 3）耐低浓度酸。）耐低浓度酸。用途：深冷装置；密封垫片。用途：深冷装置；密封垫片。常用材料：常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脱氧的无氧纯（用磷脱氧的无氧纯铜）。铜）。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.黄铜黄铜铜与锌的合金。铜与锌的合金。特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。用途：深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。用途：深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。化工常用材料：化工常用材料：H80,H68,H62等等。铜含量铜含量%代号代号NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.青铜青铜常用材料：锡青铜（铜锡合金）常用材料：锡青铜（铜锡合金）铸造青铜用场较多。铸造青铜用场较多。特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY钛及其合金钛及其合金特点：特点：1）密度不大而强度高；）密度不大而强度高； 2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢；）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢； 3）耐热。）耐热。用场用场：航空工业，化学工业。：航空工业，化学工业。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY6.4 非金属材料非金属材料无机非金属材料无机非金属材料1. 化工陶瓷化工陶瓷特点：特点：1 1）良好的耐腐蚀性能；）良好的耐腐蚀性能； 2 2）足够的不透性、耐热性；）足够的不透性、耐热性； 3 3）一定的机械强度；）一定的机械强度； 4 4）性脆易裂，导热性差。）性脆易裂，导热性差。用场：化工陶瓷设备及管道，管件等。用场：化工陶瓷设备及管道，管件等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.化工搪瓷化工搪瓷含高硅的瓷釉经含高硅的瓷釉经900煅烧，密着在煅烧，密着在金属胎表面而成。金属胎表面而成。特点：特点：1）优良的耐腐蚀性能；）优良的耐腐蚀性能； 2）优良的电绝缘性能；）优良的电绝缘性能； 3）易碎裂。）易碎裂。用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热器、塔、阀门等。器、塔、阀门等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY有机非金属材料有机非金属材料1. 工程塑料工程塑料高分子合成树脂高分子合成树脂+ 填料填料提高力学性能；提高力学性能； 增塑剂增塑剂降低硬度和脆性；降低硬度和脆性； 稳定剂稳定剂延缓老化；延缓老化； 固化剂固化剂加快固化速度。加快固化速度。特点：特点：1）良好的耐腐蚀性能；）良好的耐腐蚀性能； 2）一定的机械强度；）一定的机械强度； 3）密度不大；）密度不大； 4）价格较低。）价格较低。常用材料：常用材料：v硬聚氯乙烯塑料硬聚氯乙烯塑料v聚乙烯塑料聚乙烯塑料v耐酸酚醛塑料耐酸酚醛塑料v聚四氟乙烯塑料聚四氟乙烯塑料v玻璃钢玻璃钢NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY塑料瓶底的数字塑料瓶底的数字 一般矿泉水瓶子，底部标示 1 农夫山泉4升装， 底部标示 2NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.涂料涂料高分子胶体的混合物溶液。高分子胶体的混合物溶液。用途：设备防腐用途：设备防腐常用涂料：常用涂料：v防锈漆；防锈漆；v底漆；底漆；v大漆；大漆；v环氧树脂漆；环氧树脂漆；v酚醛树脂漆等。酚醛树脂漆等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3. 不透性石墨不透性石墨各种树脂浸渍石墨，消除孔隙而成。各种树脂浸渍石墨，消除孔隙而成。特点：特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好；系数小，耐温度急变性好； 2）不污染介质；）不污染介质； 3）加工性能好，相对密度小；）加工性能好，相对密度小； 4）力学性能较低，性脆。）力学性能较低，性脆。用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。爆破片等。