非金属材料在化工设备中的应用

非金属材料在化工设备中的应用摘要：由于化工设备应用于高温高压强腐蚀等恶劣的环境中，因此必须用金属材料保证其强度，但是金属材料腐蚀现象普遍。而设备的腐蚀情况直接影响到其寿命，这就要求我们在追求金属材料保证强度的同时，考虑其腐蚀因素，而在所有材料中非金属材料又具有很强的耐蚀优势。本文就我国无机非金属材料在化工设备中的应用及其发展趋势谈几点看法。关键词：非金属材料；化工设备；应用；发展1概述由于我国现代化工设备所面临的腐蚀情况十分严峻，我们应该广泛选用抗腐蚀材料，而在这些材料中无机非金属材料又具有很强的耐蚀优势。无机非金属材料包括除金属材料、高分子材料以外的几乎所有材料，这些材料主要由一般陶瓷玻璃、耐火材料、水泥以及特种陶瓷等新型无机工程材料。一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。我国无机非金属材料在化工设备的应用中，把防止设备内热量外流的材料称为隔热材料。绝热材料的优劣主要有材料的传导性能的高低决定。材料的传热性能越差，其绝热性能就好，反之则越差。在现代社会中已形成了三大类绝热材料：有机绝热材料，无机绝热材料，金属。而有机绝热材料相对无机绝热材料来说受到很多限制，与其它构件的结合性差，耐腐蚀性弱，合成浪费能源，不稳定，而且有机性材料的副产物太多，大多对人体又有害，使用中承载力不强，防火性能差，易老化，耐火性也很差等原因受到许多限制。金属类绝热材料的使用相对来说也没有无机非金属材料广，因为金属材料与无机材料相比来源也要窄多，与其它材料的结合也没有无机非金属材料好，耐腐蚀性也不强，在雷点多发区受到苛刻的技术要求和设计要求。因此，上述两种材料相比优势化较大的就是无机非金属材料，这类材料基本都有上述两种材料的优点外还有：材料来源广，生产工艺简单，耐热性强，防火性强，承载力强，而且耐火性也十分好。故无机非金属材料在现代化工设备中的运用前景也就强于其他两种材料。在化工设备保温隔热运用中，因其多用于设备维护结构及其外表面，既能使设备的保温性能得到保证，又能对设备起到保护作用，使化工设备避免直接暴露于大气环境中。使其免受大气环境中的各种腐蚀和破坏作用。现有的其他保温隔热材料中有岩棉，人造轻质硅酸盐非连续的絮状纤维材料，质地松软，化学稳定性好，耐酸碱，弹性好。膨胀蛭石，有会云母，黑云母变质而成，是一种复杂的铁，镁含水硅酸盐类矿物。是性能良好的建筑绝热材料。硅藻土，由硅藻的硅质的细胞壁组成的一种生物化学沉积。值得松软，多孔而轻，易研磨成粉末，具有吸水性，不溶于酸，碱，是化工设备中常用的轻质、绝热和隔声材料。木纤维，也称为工程纤维，是一种天然纤维，成化学惰性，无生理毒性在设备保温隔热性能以及在内外表面防水涂料和复层涂料中运用，能起到防裂、触变、增稠等多种作用。因此对各种粘贴式保温隔热有着重要作用泡沫玻璃是一石英砂矿粉或碎玻璃为基料，加入发泡剂、促进剂等添加剂，经超细粉碎和均匀混合形成配合料，经融化、发泡、退火而形成的内部充满封闭式气泡的材料。属于无机玻璃之和封闭气孔构成的多孔泡沫类材料。它的密度低、导热系数小、不透湿、吸水率小、不燃烧、不霉变、机械性能高、加工方便、耐化学腐蚀、本身无毒、性能稳定。既是保温材料又是隔热材料，能适应极冷到较高温度范围等性能，同时耐久性好、质硬、表面强度高、可切割成型，施工方便，可成彩色材料。因此还具有独特的装饰功能。但是气泡的大小、匀称度等都会影响其特有的功能。出现凹格、开裂、表面不平等。介于其优点多，在无机非金属材料中是很有发展潜能的2无机非金属材料的分类2．1半导体材料半导体是指室温电阻值处于导体(电阻值约10—4nm)和绝缘体(≥lOlOnm)之间的材料，它已成为当前无线电电子技术、计算机技术和新能源利用技术等高新技术中不可缺少的重要材料。目前大多数半导体材料还是无机半导体材料，它的大致分类为元素半导体、掺杂半导体、化合物半导体、缺陷半导体。2．2高技术品质材料BG0BGO是Bi203一Ge02系化合物锗酸铋的总称，目前往往特指其中的Bi4G。3012。这是一种闪烁晶体，无色透明；当一定能量的电子、射线或重带电粒子进入时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子等粒子的能量和位置。2.3硅酸盐材料天然硅酸盐和工业硅酸盐材料，是无机材料中极庞大的一类，其应用遍及国民经济的一切部门。天然硅酸盐是组成地壳的主要矿物，其组成、结构都十分复杂。单个阴离子、链状和层状阴离子以及骨架状结构等，一切天然硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体，即si原子在中心，与位于四面体体顶点的4个氧原子结合；天然硅酸盐一般具有很好的机械强度，熔点高，耐热性好；化学稳定性好耐酸碱腐蚀，除在某些部门直接使用外，主要用作生产工业硅酸盐的原料。生活中常见的硅酸盐材料包括玻璃、水泥、陶瓷等等。2.4精细陶瓷材料与传统的陶瓷相比，新型无机非金属材料具有下述特点：材料的组成已远超出硅酸盐范围，扩大到经高温烧结制成的所有无机材料。材料的制备突破了传统的工艺采用了许多新技术制取高纯、超细的原料，保持精确的化学组成、严格控制成型和烧结工艺，以获得精确尺寸、形状，确定的微观结构和所需优良性能的新材料。制品的形态多样化，除传统的材料和烧结体外，还有单晶体、薄膜和纤维等品种。3无机非金属材料的优点3.1整体性系统的整体性，耐腐蚀性和有效性要求。无机非金属材料引起属于固体无机材料，因此具有很强的整体性。又因为无机非金属材料的物理，化学性质稳定，一般不易老化，风化。故在耐久性和有效性方面也符合要求。3．2防火性能因其本身为无机物，故属于非燃烧类材料对于一般无机非金属材料来说，能承受0．5H一1．OH高温，及其本身属于一到三级耐火材料。3．3防水性能因无机非金属材料结构紧密，如混泥土结构，具有防水渗透能力，防雨水和地表渗透性能。3．4抗腐蚀因无机非金属材料的物理性质，化学性质决定，具有一定的防腐性，对生物侵害(鼠害，虫害等)时，也能保证正常的使用能力。3．5耐候性强适用地广，不仅适于寒带，温带，而对于热地地区也适用，还能在潮湿，干旱等自然条件恶劣的气候中起作用。4.无机非金属材料的应用4.1无机陶瓷材料的应用我国工业炉是能耗大户。“七五”期间，窑炉能耗占全国工业总能耗的四分之一，占工业能耗的百分之四十。据统计，窑炉大部分能量归结为排烟损失，估计全国每年这部分能量相当于超过万吨的标准煤。针对这种情况，提高我国工业炉燃料利用率及烟气余热回收率从而达到节能的潜力是很大的。我国工业炉窑的热效率是很低的，以高温烟气形式排放的余热量占总能耗量的。为了节约能源，利用热交换装置回收和利用高温烟气余热是十分有效的措施。换热器是热交换、余热利用的理想设备，广泛应用于冶金、耐材、建材、有色、化工等行业各种燃气工业窑炉。例如加热炉、均热炉、锻造炉、铸造炉、冶炼炉、玻璃窑、梭式窑、倒烟窑、回转窑、隧道窑、冷却器、冷凝器等等。只要使用热源和化工热交换的地方，基本都可以使用。目前，根据不同使用温度可选用粘土质、刚玉质、莫来石质、错英石质、钦酸铝质和荃青石质等耐高温，抗氧化、耐化学腐蚀的陶瓷材料。耐热性优良、可靠性高的陶瓷换热器是人们一直致力发展的技术，这种换热器可以应用于特殊高温的场合，具有耐热和耐腐蚀能力高、热交换效率高、气密好、压力损失低的特点。陶瓷热交换器用于高温燃气的热交换如高温空气燃烧技术，和余热回收，当燃气温度为巧℃时，使用热效率为的陶瓷热交换器，可节省燃料约，而使用金属热交换器和其它换热器仅能节省燃料。陶瓷换热器对材料的要求有：①耐高温使用温度应不低于1250℃；②耐化学腐蚀特别是耐高温烟气中的二氧化硫，氧化氮等的腐蚀和不与高温粉尘固溶反应等；③具有良好的抗热震性能；④具有足够的机械强度，在高温下不变形坍塌；⑤具有较高的热辐射、导热、放热和蓄热率；⑥寿命长、价格适中。八十年代以来陶瓷换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高，国内外各科研机构和企业都加大了研究力度，最早开展这方面研究的及其同事们发现在基体中通过加入亚微米级颗粒，经均匀分散烧结后，其强度可提高多倍，韧性在一定程度上也能得到改善。国内开展荃青石质材料研究的单位有上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院、中科院建筑材料科学研究院中岩总公司、咸阳陶瓷研究设计院等。主要生产厂家有北京大华陶瓷厂、天津津林陶瓷有限公司、江苏宜兴无机非金属化工机械厂、浙江嘉江兴八一电工陶瓷厂等，但大多处于小规模生产和试制阶段。黄学辉等人根据氧化铝导热系数大、熔点高、强度大等优点，考虑到氧化铝抗热震性差，烧结温度高、热膨胀系数大的缺陷，加入一定量粘土和氧化镁做烧结助剂，外加CMC做粘结剂，在1400℃制备陶瓷蓄热材料，达到改善晶界组成与结构，降低氧化铝陶瓷热膨胀系数和烧结温度，提高蓄热材料抗热震性的目的。4.2改性聚乙烯材料的应用为了进一步节约资源、提高化工生产的安全性、降低生产成本，化工设备的腐蚀防护显得越来越重要。非金属衬里与复合一直是解决腐蚀问题的良好选择，主要形式有搪玻璃、聚四氟乙烯衬里、橡胶衬里、砖板衬里等。但这些技术措施也有很多不足之处。例如，氯气处理工段中，氯水洗涤塔、氯水储槽等设备使用橡胶复合效果不理想，使用钛材，成本又太高，而改性聚乙烯复合设备解决了这些问题。随着滚塑行业在国内的迅速发展，改性聚乙烯复合开始成为腐蚀防护技术的新方法。4.2.1改性聚乙烯的性能改性聚乙烯是由线性低密度聚乙烯(LIDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)等多种聚烯烃混合而成的塑料“合金”。改性的主要目的是提高聚乙烯的软化点，增强聚乙烯的强度，改善聚乙烯的工艺成型性能。改性聚乙烯的耐腐蚀数据与聚乙烯基本相同，具体可参阅《腐蚀数据与选材手册》。从数据中可知，聚乙烯可耐大部分的无机酸、碱、盐及工业液体，对腐蚀性极强的氢氟酸、盐酸等也有着优良的耐蚀性。改性聚乙烯的收缩率较大，不溶解于有机溶剂中，与碳钢壳体无法直接粘结和焊接，这是它的弱点。但依靠滚塑技术，可一次成型，复合层无施工缝。经研究和工程实践表明，在碳钢壳体上焊接一层钢网，让钢网拉住复合层材料，可使复合层与碳钢壳体严密贴合，且不龟裂、不松动。该产品经过质量检验，可以满足化工设备衬里和复合的相关要求。4.2.2施工工艺改性聚乙烯复合层的施工采用滚塑工艺一次成型。复合层的施工工艺如下：(1)原料处理：粉碎所有原材料至粉末状，按要求将多种粉料按比例混合，充分拌匀；(2)装定主机：碳钢壳体制作及检验试验，管口模具制作安装，滚塑用工具安装；(3)装料上机：加料，吊装至滚塑主机上；(4)滚塑成型：按滚塑工艺施工，定时检查设备内部情况；(5)冷却脱模：设备旋转自然冷却，吊装至工作区，卸掉模具及工装；(6)半成品检验：检查复合层及表面质量；(7)表面精饰：去除飞边、毛刺及工艺裕量，按图纸尺寸两次加工；(8)装配总成：组装各零部件，安装附件；(9)产品检验试验：电火花检漏，水压试验或盛水试漏；(10)入库出厂。5无机非金属材料的发展综上所述，随着我国科学技术的不断发展，各行各业需要各种传统材料的同时，还需要性能特殊的新材料，这就促进了无机非金属材料的研究、开发与生产。在20世纪40年代以前，无机非金属材料仅被认为是由自然产出的石头加工而成的制品；用天然粘土为主要原料制作而成的粘土制品；用多种非金属矿物原料生产出的水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料；用成分比较纯的非金属矿物原料生产出的人工晶体等。20世纪40年代以后，随着航空航天工业、电子信息工业、机械工业、生物材料工业等的发展，人们开发出了一系列的新型材料，极大地增加了无机非金属材料的品种和名目。随着人民生活水平的提高，人民对新材料品种和功能的要求越来越多，对传统材料的使用也提出了新的问题。并不断通过各种先进技术来探索新材料的生产方法。现代无机非金属材料的定义已经扩展，品种包括除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有的材料，种类繁多，用途广泛。无机非金属材料在现代建筑中占有不可忽视的地位，是现代社会不可缺少的支柱材料，在我国化工行业中，无机非金属材料将以其在防腐以及其他方面的优势辅助或替代金属材料发挥重要的作用。