精细化工设备材料与防护文档格式.docx
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Q255
0.18－0.28
Q275
0.28-0.38
属于中碳钢，强度、硬度高，塑性、焊接性稍差，用于制作承受中等载荷的零件，如销、转轴等。
表2－2优质碳钢的牌号与应用
08、10、15、20、25
＜0.25％
低碳优质钢
强度较低，但塑性好，焊接性能好，在化工设备制造中常用做热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮（08、10）等。
30、35、40、45、50、55
0.25－0.60
中碳优质钢
强度较高、韧性较好，但焊接性能较差，不适宜做化工设备的壳体，但可制作换热设备管板、强度要求较高的螺栓螺母等，45号钢常用做化工设备中的传动轴（搅拌轴）。
60、65、70、80
＞0.6％
高碳优质钢
强度与硬度均较高，60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。
二、铸铁
铸铁是合碳量大于2．11％的铁碳合金，以铁、碳、硅为主要组成元素并含有锰、磷、硫等杂质的多元合金。
普通铸铁的成分大致为：
2.5％－4％C，0.6％－3.0％Si，0.2％－1.2％Mn，0.1％－1.2％P，0.08％－0.15％S。
有时为了提高铸铁的机械性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素或提高硅、锰、磷等元素含量，得到合金铸铁。
铸铁是脆性材料，抗拉强度较低，但具有良好的铸造性、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）中具有相当好的耐腐蚀性能。
铸铁生产成本低廉，因此在工业中得到普通应用。
常用的铸铁可分以下四类：
灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁。
（一）灰口铸铁
目前生产中灰口铸铁的化学成分范围一般为：
2.5％－3.6％C，1.1％－2.5％Si，1.6％－1.2％Mn，≤0.5％P，≤0.15％S。
各铸铁中石墨呈片状，这类铸铁的机械性能不高，但生产工艺简单、价格低廉，故工业上应用广泛。
灰口铸铁的抗压强度显著大于抗拉强度（约3－4倍），冲击韧性低，不适合制造承受弯曲、拉伸和冲击载荷的零件，但它耐磨行、耐蚀性较好，与其他钢材比，有优良的铸造性、减振性和良好的可加工性，因而灰口铸铁广泛用作承受压载荷、耐磨的零件，如机座、轴承、泵体等。
（二）球墨铸铁
铸铁中石墨呈球状，它是在铁水浇注前经球化处理后获得。
这类铸铁不仅机械性能比灰口铸铁和可铸铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其机械性能，故它在生产中的应用日益广泛。
球墨铸铁的化学成分与灰口铸铁相比，有以下一些特点：
碳硅含量高，含锰量低，硫、磷量低，含有稀土及镁。
球墨铸铁在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。
在酸性介质中球墨铸铁耐蚀性较差，但在其他介质中耐腐蚀性比灰铸铁好。
它的价格低于钢，由于它兼有普通铸铁与钢的优点，从而成为一种新型结构材料。
过去用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、主轴、中压阀门等，目前不少改用球墨铸铁。
（三）可锻铸铁
铸铁中石墨呈团絮状，这种铸铁是由一定成分的白口铸铁经高温长时间退火后获得，其机械性能（特别是韧性和塑性）较灰口铸铁高，故习惯上称为可锻铸铁。
可锻铸铁除了具有较高的机械性能外，与球墨铸铁相比还具有质量稳定，铁水处理简易，容易组织流水生产，成本较低等特点，在精细化工设备生产中广泛的用来制作各种管接头、低压阀门、轴、连杆、齿轮、活塞环等。
（四）特殊性能铸铁
随着精细化工工业的发展，精细化工设备对铸铁性能的要求愈来愈高，即不但要求它具有更高的机械性能，有时还要求它具有某些特殊的性能，如耐热、耐蚀及耐磨等。
为此可向铸铁（灰口铸铁或球墨铸铁等）中加入一定量的合金元素，获得特殊性能铸铁（或称合金铸铁）。
这些铸铁与在相似条件下使用的合金钢相比，熔铸简便，成本低廉，具有良好的使用性能。
但它们大多都具有较大的脆性，机械性能较差。
根据不同的应用场合，添加一些特定的合金元素，可以制得耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁。
表2－3为含锰耐磨铸铁的组成及其应用。
表2－3含锰耐磨铸铁的组成及应用
类型
化学成分％
应用
C
Si
Mn
P
S
Mg
RE
M1
（韧性为主）
3.3-
3.8
4.0-
5.0
8.0-
9.5
＜0.15
＜0.02
0.025-0.06
0.025-0.05
粉碎机锤片等
M2
（硬度为主）
4.0
5.0-
7.0
球磨机磨球、衬板等
三、合金钢
所谓合金钢，就是在碳钢的基础上，为了提高钢的机械性能、物理和化学性能，改善钢的工艺性能，在冶炼时有目的地加入一些合金元素的钢。
随着精细化工工业和科学技术的迅速发展，不仅要求机械设备的工作效能高、体积小、重量轻，而且必须适应各种恶劣的工作环境，因此对机械零件的强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性以及各种物理、化学性能，提出了越来越高的要求。
显而易见，用碳钢制作的零件已不能完全满足这些要求，必须选用各种合金钢才行。
在合金钢中，经常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、A1、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr和稀土元素（RE）等，P、S、N等在某些情况下也可以起合金元素的作用。
合金钢的种类比较多，分类方法也各有不同，按照用途来分主要有：
合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢（包括不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢）。
合金结构钢与合金工具钢主要做一些设备的机构件以及各种工具。
由于精细化工生产过程中常使用腐蚀性的介质，以及在高温等条件下生产，故特殊性能钢（包括不锈耐酸钢与耐热钢）在精细化工设备中经常使用。
（一）不锈耐酸钢
用于制作耐腐蚀的机器零件、工具及容器等。
属于这类钢的有马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等。
不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。
能够抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢，而在某些化学腐蚀性介质中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。
一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般则都具有良好的耐腐蚀性能。
常见的不锈钢钢号其及用途见表2－4。
表2－4常见的不锈钢钢号其及用途
类别
钢号
应用举例
Cr
其他
马
氏
体
钢
1Cr13
0.08-0.15
12-14
-
螺栓、螺母等耐弱腐蚀介质并承受冲击的零件
2Cr13
0.16-0.24
3Cr13
0.25-0.34
做耐磨零件，如阀门、轴承、弹簧等
4Cr13
0.35-0.45
铁
素
0Cr13
≤0.08
抗水蒸汽和含硫石油腐蚀设备
1Cr17
≤0.12
16-18
耐硝酸设备
1Cr28
≤0.15
27-30
制浓硝酸设备
1Cr17Ti
Ti0.8-5
同1Cr17，但抗蚀能力更强
奥
0Cr18Ni9
≤0.06
17-19
Ni8-11
深冲零件，焊NiCr钢的焊心
1Cr18Ni9
≤0.14
制耐硝酸、有机酸、盐、碱溶液的设备
1Cr18Ni9Ti
制耐酸容器、管道等
注：
表列奥氏体钢Si＜1％，Mn＜2％，其余钢Si、Mn一般不大于0.8％
（二）耐热钢
高温下具有良好耐热性的钢称为耐热钢，它包括抗氧化钢与热强钢两类。
高温下有较好的抗氧化性，而强度要求不高的钢为抗氧化钢；
高温下有良好抗氧化能力又有较高强度的钢为热强钢，用于制作炉用零件、热交换器、干燥设备、排气阀等零件。
实际应用的抗氧化钢大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加Si、A1制成的，表2－5为常用抗氧化钢的钢号及用途。
表2－5常用抗氧化钢的钢号及用途
用途举例
铁素
体钢
1Cr13Si3
最高使温度900℃，制各种承受应力不大的高温构件，如喷嘴、托架、吊挂等
1Cr13SiAl
奥氏
3Cr18Ni25Si2
最高使用温度1100℃，制各种热处理构件
3Cr18Mn12Si2N
最高使用温度1000℃，制加热炉传送带、料盘等
2Cr20Mn9Ni2Si2N
最高使用温度1050℃，用途同上，还可制盐浴坩锅、加热设备管道等
（三）耐磨钢
耐磨钢主要指的是在高的冲击负荷作用下发生加工硬化而具有高耐磨性能的高锰钢。
其牌号为ZGMnl3或Mnl3。
ZGMnl3的主要成分为碳和锰，含碳量为1.0％－1.3％，含Mn量为11％－14％。
碳含量较高可以提高耐磨性。
高锰钢具有高的耐磨性是由于加工硬化，如果高锰钢不是在受冲击或挤压的条件下经受磨损，就不会产生加工硬化现象，高锰钢的高耐磨性就不能发挥出来。
因此，高锰钢常用来创造承受冲击及压力并要求耐磨的零件，如破碎机颚板、防弹钢板、保险箱钢板等。
四、有色金属及其合金
金属材料中通常把铁及其合金叫做黑色金属，而把其它的金属如铝、铜、镁、铅、锌等及其合金叫做有色金属。
有色金属的种类很多，虽然它们的产量和使用量不及黑色金属多，但它们具有不同于钢铁的许多特性，如铝、镁、钛及其合金比重小；
铜、铝及其合金导电、导热性好；
镍、钼、铌及其合金能耐高温等；
一些有色金属及其合金具有耐腐蚀性好、低温塑性好和韧性高等特点，因此，有色金属及其合金在精细化工设备中得到广泛的应用。
有色金属及其合金种类多，常见的有铝、铜、铅、钛、镍及其合金，不过精细化工设备中使用较多的是铝、铜及其合金。
（一）铝及其合金
1．纯铝
铝是银白色的轻金属，在自然界中分布极广，几乎占地壳全部金属含量的三分之一，铝很轻，比重为2.72，只有铁的三分之一左右，铝的导电、导热性好，其导电率仅次于银和铜，电导率为纯铜的60％，适合做换热设备等，铝的塑性好、强度低，可承受各种压力加工，并可进行焊接合切削，铝抗大气腐蚀的能力很强，这是由于铝和氧的亲和力很大，在铝制品的表面形成致密坚固的A12O3保护膜，阻止继续氧化，即使在潮湿的空气中，也能保护内层金属不受侵蚀，另外，铝在氧化性的酸中，如硝酸、醋酸、低温（20℃）中的稀硫酸、发烟硫酸及氨气中也能耐蚀。
但在碱和食盐、氢氟酸中，铝的氧化膜容易被破坏，使铝易被腐蚀。
上述这些特点决定了铝的用途，铝常用于制造硝酸、尿素等生产所用设备（贮槽、槽车、管道、泵、阀门、冷凝器、蒸发塔和加热器等），同时也用于精细化工工业做耐蚀性强度要求不高的容器。
加入到铝中的合金元素如铜、镁、锌、硅、锰等，与铝构成二元共晶系，铝合金根据的成分和工艺特点，可分为形变铝合金及铸造铝合金两大类。
2．形变铝合金
形变铝合金是通过不同变形加工方式而获得的各种半成品以提供使用，形变铝合金又包括：
防锈铝合金（LF），硬铝合金（LY），超硬铝合金（LC），锻造铝合金（LD）。
防锈铝合金是由铝锰系或铝镁组成的铝合金，牌号有5A02、5A03、5A05、5A06等，它的特点是抗蚀性、焊接性及塑性好，易于加工成形，具有良好的光制性能和低温性能。
硬铝属Al－Cu－Mg系合金，其中含有少量的锰，此类合金有强烈的时效强化作用，具有很高的硬度、强度，该合金还有良好的加工性能，可加工成板、棒、型、管、线及锻件等半成品。
超硬铝为A1－Zn—Mg—Cu系，是日前室温强度最高的铝台金，同时还具有很好的热加工性能，是主要的结构材料之一。
3．铸造铝合金
铸造铝合金分为Al－Si系、A1－Cu系、A1－Mg系与A1－Zn系等四类。
铸造铝合金牌号由铝及主要合金元素的化学符号组成（混合稀土用“R”表示）。
主要合金元素后面跟有表示其名义百分含量的数字。
在合金元素前面冠以拼音字母“Z”表示属于铸造合金，如ZAlSi7Mg。
4．应用
具体来说，铝及铝合金在精细化工设备中的应用有：
纯铝可用来制造对耐腐蚀要求较高的设备，如高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵等；
还可用于制造含硫石油工业设备、橡胶硫化设备及含硫药剂生产设备中，同时也大量用于日用化学品工业和制药工业中要求耐腐蚀、防污染而不要求强度的设备，例如反应器、热交换器、深冷设备、塔器等。
防锈铝能耐潮湿大气的腐蚀，有足够的塑性，强度比纯铝高得多，常用来制造各式容器、分馏塔、热交换器等。
其中5A02、5A03用于中等强度的零件或设备，5A05适用于制造管道、低压容器、铆钉，5A06用于受力零件及焊制容器等。
铸铝的铸造件、流动性好，铸造时收缩率和生成裂纹的倾向性都很小，由于表面生成A12O3、SiO2保护膜，铸铝的耐蚀性好，且密度小，广泛用来铸造形状复杂的耐蚀零件，如管件、泵、阀门、气缸、活塞等。
（二）铜及其合金
1．纯铜
纯铜有时也叫紫铜。
纯铜具有高的导电、导热性和耐蚀性，塑性好，易于冷、热加工变形。
纯铜不宜作结构材料，但它用于制造深冷设备和高压设备的垫片等。
铜耐稀硫酸、工业硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其他非氧化性酸等介质的腐蚀。
对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。
铜不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液，在氨和铵盐溶液中会形成可溶性的铜氨离[Cu（NH3）4]2+，故不耐腐蚀。
纯铜主要用来制作真空器件、冷凝器、蒸发器、热交换器、垫片、铆钉等。
因纯铜的强度不高，不宜直接使用作结构材料，常加入合金元素来改善其性能。
一般可将铜合金分为黄铜、白铜和青铜。
铜及其合金在许多介质中有高耐蚀性。
黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。
白铜是以镍为主要合金元素的铜合金。
青铜则是除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金，如锡青铜、铝青铜、铅青铜等。
2．黄铜
锌加入铜中，使铜的强度、塑性发生变化，当锌含量≤32％，锌完全溶入铜中，形成单相固溶体，其强度和塑性随含锌量增加而增加，当含锌量超过32％时，强度继续上升，塑性明显下降。
工业中所使用的黄铜其含锌量一般低于50％，有极好冷加工性能，适合于制作形状复杂的冷冲压或深冲件。
黄铜在干燥的大气和一般介质中抗蚀性好，在海水中抗蚀性有所下降。
精细化工中常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等（数字是表示合金内铜平均含量的百分数）。
H80在大气、淡水及海水中有较高的耐腐蚀性，加工性能优良，可做薄壁管和波纹管。
H68塑性好，可在常温下冲压成形，做容器的零件，如散热器外壳导管等。
H62在室温下塑性较差，但有较高的机械强度，易焊接，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。
在二元黄铜的基础上加入其他合金元素，如锡、铝、锰、铁等，形成特殊黄铜，使它具有比普通黄铜更好的力学性能、抗蚀性能和其它性能。
3．白铜
白铜为铜镍合金，加入少量的锰、铁、锌和铝等元素，白铜在工业铜合金中耐腐蚀性能最优，抗冲击腐蚀和应力腐蚀也很好。
4．青铜
除黄铜和白铜以外，其余的铜合金称为青铜。
具体又可分为锡青铜、铝青铜等。
锡青铜是以锡为主要台金元素的铜合金，锡青铜在大气、海水、碱性溶液和其它无机盐类溶液中有很高的抗蚀性，锡青铜主要用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。
为了改善锡青铜的工艺性能和使用性能，常加入锌、磷、铅、镍等元素，成为多元锡青铜。
锌改善合金的强度，提高流动性；
磷提高合金的流动性和耐磨性；
铅改善了合金的切削性和耐磨性。
以铝为主要合金元素的铜合金，称为铝青铜。
在大气、海水、碳酸及大多数有机酸溶液中具有很高的抗蚀性，但在过热蒸汽中耐蚀性差。
可用来制造齿轮、铀套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强抗磨零件及弹簧等。
铍青铜即以铍为主要合金元素的铜合金。
铍青铜不但强度高、硬度高，且有高的疲劳极限和弹性极限，弹性稳定，弹性滞后小；
导电、导热性好，受冲击不产生火花；
耐磨性，抗蚀性好，无磁性。
由于铍青铜具有较多的优点，常用来制造精密仪器、仪表的重要弹性元件、耐磨零件及防爆工具等。
但铍青铜价格昂贵，使用受到限制。
（三）钛及钛合金
1．纯钛
钛是银白色的金属，熔点为1725℃，比重为4.5，钛的表而很易和氧结合成一层致密的氧化薄膜，其稳定性远高于铝和不锈钢的氧化膜，而且在机械损伤后能很快修复，故在许多介质中的耐蚀性比奥氏体不锈钢优越，钛在大气、海水、过热蒸汽、各种温度的碱溶液、盐类、硝酸（除红色发烟硝酸外）、铬酸、（10－30％）氨水等介质都稳定。
尤其在应力作用下的沸腾10％NaOH溶液和沸腾的MgCl2溶液中，钛具有极高的稳定性。
钛对于所有的有机酸也有高的耐蚀性。
钛在1200℃高温下仍然比不锈钢的稳定性好。
钛在高温下活泼，当钛在空气中加热到鲜红色时，它迅速地吸气（如氧、硫、碳、氮与氢等元素强烈反应）并被污染。
故钛不宜用作高温下的化工设备。
2．钛合金
为了提高钛的强度与耐热性，常加入铝、锡、锆、钼、钒、锰、铬、铁等元素，它们能溶于钛中，或与钛形成化合物，使合金强化，其中强化作用最好的是铝、锰、铬和铁，其次是钼与钒，锡与铝的强化作用不大，但能提高合金的抗蚀性。
由于各种元素对钦的影响不同，钛合金按常温下的组织，可分为α类钛合金、β类钛合金、α＋β类钛合金。
常用钛合金的牌号、性能与用途如表2－6所示。
表2－6常用钛合金的牌号、性能与用途
α类钛合金
Ti-5Al
用于低于400℃在腐蚀介质中工作的零件，耐蚀性好，可焊接或热成型
Ti-5Al-2.5Sn
在500℃以下长期工作的结构件，短期工作温度可达900℃，焊接性与耐蚀性好
β类钛合金
Ti-3Al-8Mo-11Cr
制造各种冲压件与焊接部件，长期使用温度不宜过高，淬火后性能更好
α＋β类钛合金
Ti-6Cr-4V
用于400℃以下工作的零件，需要焊接的零件或紧固件，可热处理强化，耐蚀性好，抗摩擦性差，可热成型
Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn
用于500℃以下工作的零件，如压气机盘、叶片等，耐蚀性好
第二节常用的非金属材料
非金属材料具有优良的耐蚀性，原料来源广泛，品种多样，成型工艺相对简单，是一种有着广阔应用前景的化工材料。
非金属材料种类多，按性质可分为无机非金属材料和有机非金属材料两大类。
在精细化工设备中，非金属材料既可以单独做结构材料，又可做金属设备的保护衬里，还可做设备的密封材料和保温材料等。
一、无机非金属材料
无机非金属材料主要有陶器、瓷器、胶凝材料（水泥、石灰、石膏等）、混凝土、耐火材料和天然矿物等传统材料以及氧化物陶瓷、非氮化物陶瓷、复合陶瓷、微晶玻璃、光纤玻璃纤维增强混凝土等新型材料。
无机非金属材料与金属材料和有机非金属材料相比，无机非金属材料有下列特点：
硬度高，抗化学腐蚀能力强，绝大多数是绝缘体，高温导电能力比金属低，光学性能优良，制成薄膜时大多是透明的，一般比金属的导热性低。
但无机非金属材料尚存在某些缺点，如其大多数抗拉强度低、韧性差，有待于进一步改善。
而将其与金属材料、高分子材料合成无机非金属复合材料是一个重要的改善途径。
以下就主要几种在化工设备中应用的无机非金属材料分别介绍：
（一）化工陶瓷
陶瓷一般具有很好的耐化学腐蚀性能，因而在化工防腐蚀上占有特殊的地位。
陶瓷化工因在配料、成型、烧结、上釉和设计安装等方面，都有一些和日用品及其他工业陶瓷不同的特点，故一般称为化工陶瓷。
由于陶瓷的耐酸性能好而耐碱性能差，所以又常称为耐酸陶瓷。
化工陶瓷的性能和特点介于陶器与瓷器之间。
制造陶瓷化工设备所用的原料，主要为粘土、长石和石英等，来源方便，价钱便宜，制造工艺和设备简单，各地都能生产，便于推广使用。
陶瓷可以制造塔类、反应器、过滤器、贮槽、阀门、管道、泵和鼓风机等多种类型的化工设备。
但是受陶瓷本身性能和制造工艺条件等的限制，目前还不能制造大型、高压和高温设备。
化工陶瓷设备有一定的使用温度限制，表2－7为常见化工陶瓷设备的使用温度。
此外，化工陶瓷耐化学介质腐蚀也有限制，除了氢氟酸、硅氟酸以外，化工陶瓷基本能耐所有浓度的无机酸和盐类以及有机类介质的腐蚀。
它对磷酸的耐蚀性较差，不能耐碱特别是浓碱液的腐蚀。
表2－7化工陶瓷设备容许使用的温度
设备
容许使用的温度℃
耐酸设备和管道
≤90
耐酸耐温设备和管道
≤150
磁管
≤120
（二）玻璃
玻璃材料具有化学稳定性高、透明、光滑、洁净、耐磨等特点。
因此，玻璃管道应用于化工设备中，在使用时有如下优点：
（1）对任何浓度的有机酸、无机酸、有机溶剂均具有良好的耐腐蚀性能（氢氟酸、含氟磷酸、热的浓磷酸除外），对一般碱类及常温（40度左右）下浓的强碱（如氢氧化钠）也有一定的耐腐蚀性。
（2）能直接观察管道和设备内的反应和输送情况，并且，壁面光滑洁净，物料不易粘附，能保证产品的纯度和质量。
但是，玻璃系脆性材料，其抗张强度，抗弯强度较低，耐热急变性能差。
因此玻璃管道和化工设备在安装、使用、维修时，必须遵守它们的安装操作规程。
才能充分发挥其优点而避免其缺点。
近几年来，玻璃管道和化工设备的品种日益增多，尤其作为盐酸、氯气和某些有机介质的输送管已长期使用并取得了良好的效果。
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