第二章环境工程设备材料

第二章环境工程设备材料第一节材料的基本性能一：化学性能1四：加工工艺性能4三：机械性能3二：物理性能2一：化学性能材料的化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与周围介质发生化学或电化学作用而引起腐蚀。材料对周围介质侵蚀的抵抗能力称为耐腐蚀性。在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮，还会与水蒸气、二氧化碳，二氧化硫等气体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低材料表面硬度和疲劳强度。二、物理性能材料的物理性能有密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性等。三：机械行能材料的机械性能亦称为力学性能，材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。这些性能是化工设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据。1、强度2、硬度3、韧性4、塑性5、疲劳强度6、断裂韧性三：加工工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能。1、铸造性能是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。2、压力加工性能是使材料产生塑性变形的加工方法，包括轧制、挤压、拉拔、锻压和冲压加工。3、焊接性能4、切削加工性能5、热处理性能第二节铸铁与碳钢一、铸铁含碳量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。脆性材料，抗拉强度较低，但有良好的铸造性、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.灰铸铁含碳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，用于支架、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。编号：HT200，HT——灰铸铁，200——抗拉强度sb值，MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。2.球墨铸铁石墨呈球形，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。编号：QT400-18，QT——球墨铸铁，400——抗拉强度sb值，MPa，18——延伸率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、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。高硅铸铁二、碳钢的分类（一）碳钢的分类1、按冶炼性质分类：在钢铁的冶炼中，钢液在熔炼末期需要脱氧，根据钢的脱氧程度，可将钢锭分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。2、按含碳量分类3、按质量分类4、按用途分类：碳素结构钢:主要用于制造各种工程构建和及其零件。碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具、（二）碳钢的编号和用途1、普通碳素钢编号：Q235-A，Q235——屈服强度及数值（MPa）A——质量等级，有A，B，C，D四级。脱氧方法有F，b，Z，TZ。其中Z——镇静钢，在编号中忽略化工压力容器一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。2、优质碳素钢S＜0.03%～0.045%；P＜0.04%08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。即平均含碳量为万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；塑性好，焊接性能好，用于壳体、接管等。优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢，用于搅拌轴、齿轮等传动零件。优质高碳钢（含C＞0.6%），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、高级优质碳素钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。高级优质碳素钢三：常存杂质元素对钢材性能的影响碳钢中的杂质元素有：硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等1）硅:脱氧剂。有益元素。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%，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。2）氮长时间放置或在200～300℃加热，氮以氮化物的形式析出，硬度、强度提高，塑性下降。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，特别是可以降低脆性，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）硫：有害元素。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而导致工件开裂，称为“热脆”。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%。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）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“冷脆”。使冷加工及焊接性变坏，高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。（四）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）4mm～6mm厚度间隔为0.5mm6mm～30mm厚度间隔为lmm30mm～60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材料有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。40mm没有奇数厚度的钢板（25代替24和26除外）2）钢管无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。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；（4）铸钢和锻钢铸钢用ZG表示，如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。第三节合金钢一、合金钢的分类按合金元素总含量分：合金含量5%：低合金钢合金含量5%-10%：中合金钢合金含量10%：高合金钢按用途分：合金结构钢调质结构钢、表面硬化钢低碳马氏体钢、非调质结构钢合金工具钢特殊性能钢:不锈钢和耐热钢等二、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢按性能和用途分为三大类。（1）高强度钢这类刚用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。（2）低温钢由于钢的强度而有较低的韧-崔转变温度，用于制造低温设备的零部件。（3）耐蚀钢对大气、海水、硫化氢等环境有一定的耐腐蚀性，如10MnPNbRe钢能耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢适用于制造炼油厂用的耐高温硫化氢设备。三、特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理性能活化学性能的钢，这类钢及合金的种类很多，并正在迅速发展。（一）不锈钢的成分碳、铬、镍、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn、N（二）不锈钢的分类（1）铁素体不锈钢主要用作耐腐蚀性要求很高二强度要求不高的构件，如环境工程设备，化工设备，容器和管道、食品工厂设备等。（2）奥氏体不锈钢以板材、带材为主，它在环境工程、石油、化工、食品、制糖、酿酒、医药、油脂及印刷工业中得到广泛应用，试用温度为-196至600摄氏度。（3）奥氏体-铁素体双向不锈钢可用于制造化工、化肥、环境工程设备及管道、海水冷却的热交换设备等。奥氏体-铁素体双向不锈钢第四节常用的有色金属及其合金主要包括：铜、铝、铅、铸造合金、轴承合金等。一、铜及其合金导热导电性好，易于加工，色泽美观。1.纯铜（紫铜）低温时可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垫片；耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它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；不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。2.铜合金是铜中加入合金元素而成，强度提高。主要有：黄铜：铜与锌的合金称为黄铜白铜：铜与镍的合金称为白铜青铜：铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。1）黄铜铸造性能好，力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格便宜，应用较广。在黄铜中加入锡、铝、硅、锰等元素，形成特种黄铜。锰、铝能提高强度；铝、锰和硅提高抗蚀性和减磨性；铝能改善切削加工性。2）白铜白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者，抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。3）青铜锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜。锡青铜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。无锡青铜力学性能好。二、铝及其合金质轻，导电导热性好，易于加工。铝不会产生火花，常用于制作含易挥发性介质的容器；铝不会产生食物中毒，不污染物品，不改变物品颜色，在食品工业中可代替不锈钢；铝的导热性能好，适合于作换热设备。1.纯铝（1）高纯铝抗硫腐蚀，可用于浓硝酸设备，如高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵。（2）工业高纯铝纯度高，可用于制造铝箔。（3）工业纯铝用于接触含硫物质但要求不高的设备，例如：反应器、热交换器、深冷设备、塔器等。2.铝合金是铝中加入合金元素而成，强度提高，主要用于要求质轻而强度高的航空零件。化工上常用铸造铝合金，主要有：铝硅合金：制造泵壳铝铜合金：制造简单铸件铝镁合金：力学性能高，耐腐蚀性能好，但热强性低。多用于食品机械零件。铝锌合金：制造复杂铸件和日用品。三、钛及其合金钛合金的密度小（4.507g/cm3）、强度高、耐腐蚀性好、熔点高。工业纯钛牌号有TA0、TA2、TA3(编号愈大、杂质含量愈多)。纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀性。钛也是很好的耐热材料。在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。四、镍及其合金高强度和塑性，好的延伸性和可锻性。好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。Ni-Cu合金中的蒙乃尔耐蚀合金应用最广。蒙乃尔合金能在500℃时保持高的力学性能，能在750℃以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。第五节非金属材料与复合材料非金属材料分为无机非金属材料（陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）和有机非金属材料（塑料、涂料、橡胶等）及近年来发展的复合材料（玻璃钢、不透性石墨等）。一、无机非金属材料1.陶瓷好的耐腐蚀性、耐热性和一定的机械强度。导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变而易破裂。（1）耐酸陶瓷主要用来制造耐酸容器，储槽、搅拌器、泵、阀门、管道等，如酸性废水的下水管道；也用来制造防腐衬里的耐酸瓷砖及填料塔的耐酸填料。（2）特种陶瓷目前工程上应用较为广泛的特种陶瓷主要有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷。2.玻璃化工用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃，它们有好的热稳定性和耐腐蚀性。具有耐腐蚀性、清洁、透明、阻力小、价格低等特点，但质脆、耐温度急变性差，不耐冲击和振动。3、化工搪瓷由含硅量高的瓷釉通过900℃左右的高温煅烧，使瓷釉密着在金属表面。有优良的耐腐蚀性能、力学性能和电绝缘性能，但易碎裂。热导率不到钢的1/4，热膨胀系数大。不能直接用火焰加热，以免损坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30℃～270℃。二、有机高分子材料（一）高分子材料的概述（二）高分子材料的主要性能特点性能：质量轻，有透明的品种；多数具有柔软性，橡胶类或塑性材料具有高弹性；大多数摩擦系数小，易滑动；有缓冲作用，能吸收振动和声音；是电的绝缘体；难导热；耐水，大多数能耐酸、碱、盐、溶剂、油脂；