Глава 4.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ХИМИЧЕСКОМ

МАШИНОСТРОЕНИИ

4.1. Требования, предъявляемые к конструкционным

материалам

Выбор конструкционного материала для химического обо-

рудования основан на учете ряда его свойств (химическая стой-

кость, прочностные характеристики, стоимость, доступность и

др.) и условий, в которых будет протекать производственный

процесс (температура, давление, вид и концентрация химическо-

го вещества и др.). Нет абсолютно идеальных материалов. Хими-

чески стойкий материал может быть недостаточно прочным или

термостойким. Дорогой, но очень прочный и коррозионно-

стойкий материал, может оказаться выгоднее дешевого из-за воз-

можности изготовления из него более тонкостенных и легких ап-

паратов. Все материалы, как металлические, так и неметалличе-

ские, в той или иной мере подвержены химическому и механиче-

скому разрушению, с чем связаны долговечность и надежность

работы.

69

Конструкционные материалы в силу своих индивидуальных

физико-химических свойств, стоимости и степени дефицитности

предназначены для определенных областей применения. Сниже-

ние стоимости новых перспективных материалов и расширение

их производства приводят к вытеснению ими некоторых старых

конструкционных материалов в тех или иных производствах. При

подборе конструкционных материалов для конкретных случаев

следует пользоваться справочными данными.

4.2. Сталь

В зависимости от условий эксплуатации для изготовления

химического оборудования используют разнообразные материа-

лы. Для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными или

слабоагрессивными средами, широко используют углеродистые

стали, которые подразделяют на обыкновенные (ГОСТ 380-71) и

качественные (ГОСТ 1050-74). Они содержат от 0,06 до 0,6 % уг-

лерода.

В зависимости от степени раскисления различают три вида

сталей. «Спокойные стали² содержат минимальное количество

FeO, что обеспечивает «спокойное² застывание стали в изложни-

це. «Кипящие стали² полностью нераскислены, поэтому при за-

стывании в изложнице из металла выделяются пузырьки СО, об-

разующиеся за счет реакции FeO с углеродом стали. Эти стали

обладают худшими механическими и технологическими показа-

телями, но наиболее дешевы. «Полуспокойные стали² – это стали

промежуточного типа. Указанные виды сталей в маркировках

обозначают соответственно: сп, кп, пс.

В зависимости от гарантируемых характеристик различают

три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. К группе А

относят стали с гарантированными механическими свойствами, к

группе Б – с гарантированным химическим составом, к группе В

– с гарантированными химическим составом и механическими

свойствами.

Стали обыкновенного качества маркируют следующим об-

разом. Стали группы А обозначают буквами Ст (сталь) и цифра-

ми 0, 1, 2, 3, …, 6 (что отвечает содержанию углерода в десятых

долях процента). Чем больше цифра, тем больше содержание уг-

70

лерода, выше прочность и ниже пластичность. Например, Ст1пс,

Ст3пк, Ст3сп, Ст6сп и т. д. В обозначениях сталей групп Б и В

впереди ставят соответственно эти буквы, например: БСт2кп,

ВСт4сп.

В сталях, предназначенных для изготовления аппаратуры

сваркой, содержание углерода не должно превышать 0,4 %. При

большем содержании углерода стали склонны к воздушной за-

калке, в результате чего в зоне сварки при охлаждении могут

возникнуть высокие напряжения и закалочные трещины.

Сталь, предназначенная для изготовления котлов и аппара-

тов, работающих при повышенных давлениях и температурах,

должна иметь относительное удлинение не менее 17 %. Это вы-

звано, в частности, тем, что при гибке и вальцовке обечаек мате-

риал подвергается большим пластическим деформациям. Следует

учитывать, что эти стали могут надежно работать в диапазоне

температур от –30 до 200 ÉС и при давлениях не выше 1,6 МПа

(16 кгс/см2).

Аппаратуру, работающую при давлении до 20 МПа и в ин-

тервале температур от –40 до 450 ÉС, изготавливают из конструк-

ционных качественных сталей марок 10, 15, 20. Эти стали выпу-

скают следующих марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25 и далее с шагом 5

до стали марки 85. Они содержат марганец (0,25–0,80 %), хром и

кремний (0,2 %). Содержание углерода в них пропорционально

номеру стали. Так, сталь марки 25 содержит 0,25 % С.

Углеродистые стали достаточно устойчивы к серной кисло-

те концентрацией 70–95 % до 60 ÉС, к слабощелочным растворам

и к растворам некоторых солей. Поэтому они получили широкое

применение в производствах серной кислоты, щелочей и ряда ми-

неральных солей. В кислотных цехах углеродистые стали исполь-

зуют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые

футеруют кислотоупорными материалами.

Для изготовления оборудования, работающего в более аг-

рессивных условиях и при высоких температурах, используют

легированные стали, содержащие никель, хром, ванадий, титан и

другие металлы.

Никель и хром – основные легирующие элементы. Никель

повышает коррозионную стойкость и механическую прочность

сталей и улучшает их обрабатываемость. Хром увеличивает жа-

71

ропрочность сталей и при содержании 11–14 % делает её устой-

чивой к атмосферной коррозии (нержавеющая сталь),

Марганец незначительно влияет на коррозионную устойчи-

вость стали. При увеличении его содержания до 10–15 % полу-

чается сталь с высокой сопротивляемостью к ударам и эрозии. Из

этих сталей изготовляют детали дробилок и мельниц.

Молибден повышает коррозионную устойчивость сталей к

горячим серной и фосфорной кислотам и к хлоридам. Ванадий

повышает стойкость стали к водородной коррозии. Титан и нио-

бий делают сталь малочувствительной к межкристаллитной кор-

розии.

В марках сталей легирующие элементы обозначают сле-

дующими буквами: никель – Н, хром – X, марганец – Г, титан –

Т, молибден – М, вольфрам – В, ванадий – Ф, ниобий – Б, крем-

ний – С, медь – Д, алюминий – Ю. Цифры, стоящие справа от

букв, означают содержание легирующего элемента. Если его со-

держание менее 1,5 %, то цифру не ставят. Двузначные цифры,

приводимые в начале марки, показывают среднее содержание уг-

лерода в сотых долях процента. Например, сталь 12Х18Н10Т со-

держит 0,12 % С, 18 % Сr, 10 % Ni и до 1,5 % Ti.

Сталь 12Х18Н10Т получила широкое применение в химиче-

ской промышленности. Она устойчива к азотной кислоте, к ще-

лочам, нитратам, к газовой коррозии. Благодаря высокому со-

держанию хрома эта сталь может работать при температуре до

800 ÉС. Однако с повышением температуры прочность стали по-

нижается, что следует учитывать при расчетах аппаратов на

прочность. В производстве фосфорной кислоты используют ста-

ли, содержащие молибден и медь, например, 0Х23Н28МЗДЗТ

(ЭИ-943).

Хромистые стали 15Х25Т, 15Х28Т и 15X28 отличаются вы-

сокой стойкостью к окислению и при нагреве открытым пламе-

нем в условиях слабоагрессивной среды выдерживают темпера-

туры 1000–1100 ÉС.

Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до

100 МПа и интервале температур от –196 до 700ÉС можно ис-

пользовать сталь 10Х17Н13М2Т.

Благодаря повышенной химической стойкости высоколеги-

рованные стали находят широкое применение в различных отрас-

72

лях химической промышленности: в производстве сложных

удобрений, фосфорной кислоты, соды и щелочей, в азотной про-

мышленности и в производстве большинства солей. Вследствие

высокой прочности этих сталей аппараты, изготовленные из них,

более легки и надежны, чем изготовленные из углеродистых ста-

лей для тех же условий работы. Однако легированные стали на-

много дороже углеродистых. Поэтому для изготовления химиче-

ской аппаратуры промышленность выпускает двухслойную лис-

товую сталь, состоящую из основного материала (углеродистая

сталь), и защитного (плакирующего) слоя из стали 12Х18Н10Т,

08X13 и др. Но согласно техническим условиям применение

двухслойной стали ограниченно, в частности, для материала, со-

стоящего из ВСтЗсп и 12Х18Н10Т, температурой стенки аппарата

250 ÉС и давлением 5 МПа. Это вызвано различием в значениях

температурного коэффициента линейного расширения основного

и плакирующего слоев.