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1、第三章 化工设备常用金属和非金属,序 言 重要性（硫酸泵叶轮、不锈钢） 第一节 碳钢和铸铁 第二节 合金钢 第三节 有色金属及其合金 第四节 金属的腐蚀与防护 第五节 非金属材料 第六节 管路连接件和阀门,第一节 铁碳合金碳钢和铸铁,1.1碳钢与铸铁都是由铁（95%以上）和碳（0.054%）所组成的合金。 1.1.1铁：组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构，910 以下为-铁；910 以上为-铁，二者互为同素异构体。 1.1.2碳：碳在铁碳合金中的存在形式有三种：碳溶解在铁中形成固溶体，即在-铁中叫铁素体，在-铁中叫奥氏体。铁与碳形成的化合物，当碳不能全部溶于铁素体或奥氏体时，“剩余”的碳与铁将形
2、成碳化铁（渗碳体）通常将碳含量2.11%作为钢与铸铁的分界，2.11%叫钢，2.11%叫铸铁 。碳以石墨状态单独存在，特别碳含量较高时。,1.2碳钢与铸铁的不同： 1.2.1在组织上有两点不同: 碳含量不同，碳含量小于2.11的是钢，大于2.11的是铸铁； 碳的存在形式不同,钢中的碳只有两种存在形式，而铸铁中的碳除形成 Fe3C和溶入固溶体外，总有部分碳以石墨状态存在。 1.2.2性能上有四点区别： 钢有良好塑性，铸铁是典型脆性材料； 钢的抗拉强度与抗压强度相同，铸铁抗拉强度远低于抗压强度；,钢可进行压力加工和焊接，铸铁适于铸造； 钢的减震、摩擦性能不如铸铁； 碳含量的不同是使钢具有不同性能的
3、主要原因，而影响铸铁性能的主要是石墨化程度与石墨的形状。,1.3钢的热处理 1.3.1热处理的概念（就是以消除钢材的某些缺陷成改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定的温度，然后以不同的速度冷却下来的一种操作。） 1.3.2生产中常见的几种热处理操作 退火和正火 退火是将零件放在炉中，缓慢加热至某一温度（如图），经过一段时间的后，随炉或埋入砂中缓慢冷却。 退火可以消除冷加工导致的硬化，恢复材料的良好塑性，可以细化铸焊工件的粗大晶粒，改善零件的机械性能；可以消除残余应力，防止工件变形。 正火只是在冷却速度上与退火不同。退火是随炉缓冷，而正火是在空气中冷却。经过正火的零件，有比退火为高的强度与硬
4、度。,淬火和回火 淬火是先将工件加热至相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却。目的是获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨性。 为了消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性，钢件在淬火后，几乎总是跟进回火。 所谓回火，就是把淬火后的钢件重新加热至一定温度，经保温烧透后再行冷却的一种热处理操作。 根据工件使用目的要求的不同，回火的加热温度有三种： 淬火加高温回火由于可以提高钢材的机械性能，所以称为调质处理。,化学热处理 钢的化学热处理就是把钢放入一些介质内（如碳粉）加热到一定的温度，使介质原子渗透到钢内改变钢表层的化学成分和组织结构从而使钢件表面具有某些特殊性能。 如碳原子可以提高钢表面耐磨性，铝原
5、子可以提高钢的抗高温氧化性。 决定金属材料性能的因素有三：化学组成、组织结构、热处理状态，这三者相互影响不能分割。,1.4碳钢的分类、牌号、性能、品种与应用 1.4.1碳钢的分类与牌号 按含碳量的多少，碳钢分为下面三种 低碳钢 含碳量小于0.3，是钢中强度较低、塑性最好的一类。冷冲压及焊接性好，用于制造化工容器及负荷不大的机械零件。 中碳钢 含碳量在0.30.6之间，钢的强度与塑性适中，可用适当的热处理获良的综合机械性能，适于制作轴、齿轮、高压设备顶盖等重要零件。 高碳钢 含碳在0.6以上，钢的强度及硬度均较高，塑性较差，用来制作弹簧、钢丝绳等。,按钢的质量，碳钢有普通的和优质的两种。 “普通
6、”与“优质”的主要区别是有害杂质硫（引起钢的热脆）和磷（引起钢的冷脆）的控制松严程度不同，和钢材出厂时检验项目和保证条件不同。 这类钢属普通碳素钢，共有五个钢号（不包括质量等级与脱氧程度）。Q275、Q255、Q235、Q215、Q195 1.4.2碳钢的性能（机械性能、制造工艺性能、耐蚀性）,1.5铸铁 从化学成分看，铸铁中碳与硅的含量要高于钢，硫磷杂质的控制也比较松。一般组成如下：C2-4.5%；Si0.5-3.5%；Mn0.5-1.5%；P0.1-1.0%；S0.15% 从组织结构上看，由钢的基体与散布在其中的石墨组成。 灰口铸铁（HT-）如牌号为HT150330的灰口铸铁，表示抗拉强度
7、为150 MPa，抗弯强度为330 MPa；灰铸铁 可用来制造常压容器，但是其工作温度不能超过250； 球磨铸铁（QT-）其强度较高，可以代替钢材，常用来制造压缩机的曲轴等形状复杂的零件。 耐蚀铸铁、耐热铸铁、 可锻铸铁 铸铁也可加入少量合金元素来提高它的耐蚀性等，这样的铸铁称为合金铸铁，如高硅铸铁，被广泛用来制造耐酸泵等。,第二节 合 金 钢,2.1合金钢的概念 以改善钢材的性能为目的，在碳钢中特意加入某些合金元素所得到的钢。 2.2合金元素对钢材性能的影响 降低钢材的临界淬火速度； 增加钢组织的分散度； 提高铁素体的强度； 减少马氏体的脆性； 提高钢材的高温强度及抗氧化性能； 增强钢材的耐
8、蚀性。,2.3低合金钢 2.3.1合金元素与钢号 低合金钢中熔合的合金元素主要是 M n、V、N b、N、Cr、Mo等，含量大多在 1以下，只有少数低合金钢，其合金元素含量可达25。加入这些合金元素后，钢材的屈服限提高并可扩大的使用温度范围。 低合金钢的钢号是以钢中碳含量的万分数的数字为首，后边依次写出所熔入合金元素的元素号及每种元素含量的百分数；当合金元素含量在1.5%以下时，该元素符号后不注数字。当合金元素含量在（1.52.5）时，可在该元素后面注“2”以此类推。如 09Mn2V，其含碳0.09，含锰量为2，含矾量是1.5%以下；或含锰量为1.52.5，含矾量是1.5%以下。,2.3.2分
9、类与应用 低合金结构钢（GB 1519）这类钢是供焊接使用的低碳含量的低合金钢。 合金结构钢（GB3077）这类钢供压力加工和切削使用。 2.4高合金钢 2.4.1不锈钢（价格贵、炊具） 不锈钢中的主要合金元素是铬、镍、钼、钛。它们对钢材的性能影响如下： 铬：不锈钢的耐蚀性主要来源于铬，实验证明，当钢中铬含量超过12时，钢的耐蚀性会大幅度提高，所以不锈钢中的铬含量都在12以上。 镍：镍可扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高耐碱能力。 钼：能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力。 钛：为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加人的元素。,2.4.2耐热钢 在原油加氢、裂解、催化设备中，常用许多耐高温的钢材，如裂解炉
10、的温度可达650800度。普通碳钢在350时会显著的蠕变。 高温设备对钢材的要求 高温设备对钢材的要求主要是：良好的化学稳定性与热强性。 化学稳定性 化学稳定性或称热稳定性，主要是指钢材抵抗高温气体（如 O2、H2S、SO2等）腐蚀的能力，但主要是O2，即主要是抗氧化性。如果在钢中加入Cr、Al、Si 等合金元素，被氧化后，该类元素能在钢材表面能生成一层致密的氧化膜，从而避免氧的继续侵蚀，也就提高了钢材的热稳定性。,(2)热强性 在一定热稳定性的前提下，钢材的高温强度愈高，蠕变过程愈缓慢，即说明其热强性愈好。为了提高钢的热强性，通常采用加入Cr、Mo、V、Ti等元素，以强化金属金相组织，提高材
11、料的再结晶温度。 常用耐热钢 化工设备上常用的耐热钢，按耐热要求的不同，可分为抗氧化钢与热强钢。 抗氧化钢主要能抗高温氧化，但强度并不高，常用作直接受力或受力不大的零部件，如炉管托架等 常用的如Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti. 热强钢主要能抗蠕变，但也有一定的抗氧化能力，常用作高温下受力的零部件，如炉管、反应器等。常用的有12CrMo,0Cr18Ni9.,2.4.3低温用钢 在化工生产中，有些设备（如深冷分离、空气分离、润滑油脱脂、液化天然气贮存等）常处于低温状态下工作，因而其零部件必须采用能承受低温的金属材料制造。普通碳钢在低温F（-20度以下）变脆，冲击韧性显著下降。 对低温
12、用钢的基本要求是：具有良好的韧，良好的加工工艺性能和可焊性。为保证这些性能，低温钢的含碳量尽可能降低，其平均含碳量为0.08-0.18%，再加入含适量的Mn、Nb、Ti、V、N等元素以改善钢的综合机械性能。 目前国外低温设备用的钢材，主要是以高铬镍钢为主，其次是使用镍钢、铜、铝等。,第三节 有色金属及其合金,3.1 铜及其合金 3.2 铝及其合金 3.3 铅 3.4 钛,有色金属具有很多优越性，例如铜有良好的导电性和低温韧性，铝的相对密度小，铅能防辐射耐稀硫酸等多种介质的腐蚀。 3.1 铜 铜及其合金具有很高的导热、导电性和塑性。在低温下因强度提高，冲击韧性好，常用来作低温设备。 在大气、水及
13、中性盐、苛性碱中都相当稳定。在不浓的硫酸、亚硫酸、乙酸、氢氟酸、稀的和中等浓度的盐酸、乙酸、氢氨酸和其他非氧化性酸中也有较高的稳定性。在氮、铁盐和各种浓度的硝酸中则不耐蚀。,纯铜又称紫铜。纯铜塑性好，导电性和导热性很高，在低温下可保持较高的塑性和冲击韧性，多用来做深冷设备和高压设备的垫片；也可以用于深度冷冻分离气体的装置中，如制做蒸发器、蒸馏釜、蒸馏塔、蛇管、管子、离心机的转鼓等；也可以用于有机合成及有机酸工业。 化工上常用的紫铜有T2、T3、T4、TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）等四种。 铜与锌组成的合金叫黄铜。黄铜铸造性能好，机械强度比纯铜高，价格便宜，耐蚀性也高于纯铜，但在中性、弱酸性介质中
14、，因锌易溶解而被腐蚀。,化工上常用的黄铜有H80、H68、H62（H后的数字代表铜的平均百分含量）等。H80、H 68的塑性好，可在常温下冲压成形做容器的零件。H62在室温下塑性较差，机械强度较高，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。 铜与银、铝、铅等元素的合金统称为青铜。它具有较高的耐蚀性和耐磨性，所以常用来制造轴瓦等耐磨零件。常用的锡青铜有ZQSn6-6-3和ZQSn10-1等。 因锡价格昂贵，在铜基合金中加入铝、铁、铅等得到的青铜称无锡青铜，它的价格低于锡青铜，而机械强度和耐蚀耐磨性都好。,3.2 铝 铝及其合金铝以相对密度小，导热导电性好而著称。它的塑性好，强度低，因而压
15、力加工性能良好，可以焊接和切削。纯铝和铝合金最高使用温度为 150。防锈铝LF3、LFS、LFll等使用温度不超过66。熔焊的铝材在0-196之间冲击韧性不下降，因此铝和铝合金很适于制作低温设备。 铝能耐硝酸、乙酸、碳酸氢氨和尿素等的腐蚀，但不耐碱及盐水的腐蚀。化工上常用的工业纯铝牌号有：L2、L3和L4，主要用来制作热交换器、塔、贮罐、深冷设备和防止污染产品的设备，如在食品工业中可广泛用以代替不锈钢做有关的设备。,铝和铜、镁的合金叫硬铝，它的显著特点除耐蚀性好之外，是强度高。化工上常以硬铝棒料制作受力零件，如深冷设备上螺栓等。 3.3 铅 铅在硫酸中和在大气中（特别是有SO2、H2S的气体中
16、）有很高的耐蚀性。所以化工上主要用于处理硫酸的设备上。因铅的强度低，比重大，有毒且价贵，所以目前生产上多为其他非金属材料所代替。 3.4钛及其合金 钛的相对密度不大（仅 4.5），比钢轻 43，但钛的强度比铁高一倍，比纯铝几乎高5倍。这种高的强度与不大的相对密度相结合的特性，使得钛在技术上占有极重要的地位。同时，钛的耐腐蚀性近乎或超过不锈钢，因此，在航空工业和化学工业中，钛及其合金都得到了广泛的应用。,第四节 金属的腐蚀与防护,4.1腐蚀的定义与分类 4.1.1化学腐蚀 4.1.2电化学腐蚀（钛） 4.1.3物理腐蚀（略） 4.2常见的几种腐蚀与控制方法 均匀腐蚀 电偶腐蚀或双金属腐蚀 应力腐蚀 缝隙腐蚀、小孔腐蚀、高温气体腐蚀等,4.1腐蚀的定义与分类 通常将金属及其合金在外界介质（液体和气体）的作用（化学、电化学、物理溶解）下所引起破坏称为腐蚀。 1.腐蚀的危害：在化学工业中，制造设备的主要材料为金属（特别是黑色金属），由于其经常要和强烈的腐蚀性介质如各种酸、碱。盐、有机溶剂及腐蚀性气体等接触，常常会发生腐蚀现象。腐蚀不仅会给金属及其合金材料造成巨大的损失，
