Стали и чугуны.

 

Сталь является сплавом железа и неболь­шого количества углерода (до 2%) с примесями серы, кремния, фосфора, марганца.

Содержание углерода оказывает большое влияние на качество стали. С его увеличением повышается предел прочности и предел текучести, снижается пластичность, уменьшается склонность ста­ли к старению, повышается хрупкость и ухудшается свариваемость. Сталь, содержащая углерода меньше 0,25%, называется низкоуг­леродистой, от 0,25 до 0,6% —среднеуглеродистой и от 0,6 до 2% (предельное содержание) — высокоуглеродистой.

Различают сталь обыкновенного и повышенного качества, ка­чественную и высококачественную. Большую часть химических ап­паратов изготовляют из углеродистой стали обыкновенного и по­вышенного качества (ГОСТ 380—71).

Сталь обыкновенного качества используется для изготовле­ния деталей и аппаратов, к которым не предъявляется особых тре­бований в отношении прочности и коррозии (с антикоррозионными покрытиями она пригодна и для изготовления аппаратов, рабо­тающих в агрессивных средах). В химическом аппаратостроении наиболее часто применяются следующие марки сталей: Ст. 3, Ст. 4 и Ст.5. Цифра за буквами Ст. (сталь) означает условный поряд­ковый номер марки в зависимости от химического состава и меха­нических свойств.

Для изготовления ответственных деталей аппаратов, работаю­щих в неагрессивных средах, применяется углеродистая качест­венная сталь (ГОСТ 1050—60). В зависимости от содержания уг­лерода эта сталь условно маркируется цифрами: 08, 10, 15, 25, 30 и т. д. Двухзначные цифры указывают на среднее содержание уг­лерода в сотых долях процента (например, сталь марки 10 содер­жит в среднем 0,10% углерода).

Другим видом железоуглеродистых сплавов являются чугуны. Они отличаются повышенным содержанием углерода (более 2%). Для изготовления химической аппаратуры чугуны применяются в значительно меньшей степени, чем стали. Вследствие хрупкости и меньшей прочности чугуны обычно используются в виде литья для аппаратуры, работающей под из­быточным давлением не выше 6 кгс/см², а при диаметре аппарата более 2м — не выше 3 кгс/см².

В основном применяется наиболее распространенный серый чугун (ГОСТ 1412—70) марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и др. (обозначения в марке: С—серый, Ч—чугун, первые две цифры— предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — предел прочности при изгибе). При проектировании аппаратов и сосудов из серого чугуна необходимо считаться с ограничениями инспекции Госгортехнадзора, которая допускает применение этого чугуна для аппаратов с температурой стенок не выше 250 °С.

Большей прочностью и вязкостью обладает ковкий чугун (ГОСТ 1215—59) марок: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8 и др. (первые две циф­ры означают предел прочности при растяжении, цифры после де­фиса—относительное удлинение).

Стали и чугуны не обладают высокой коррозионной стойко­стью. Они мало устойчивы даже к действию воды при доступе кис­лорода. В растворах таких солей, как А1С1з, NaCI, K₂S0₄ и т. п., при взаимодействии которых с железом образуются растворимые соединения, коррозия протекает в еще большей. степени. Однако соли, дающие нерастворимые соединения с железом (например, Na₂CO₃, Na₃P0₄ и т. п.) уменьшают коррозию, а соли с окисли­тельными свойствами (например, К₂Сг0₄) даже при незначитель­ном содержании в растворах пассивируют железо. В растворах солей, катионы которых более электроположительны, чем железо (CuS0₄, NiS0₄ и т. п.), коррозия происходит вследствие вытесне­ния железом металла из солей.

В растворах щелочей на поверхности железоуглеродистых сплавов образуются нерастворимые продукты, защищающие их от кор­розии. Образование защитных пленок начинается уже при рН > 9,5; но при концентрациях щелочей более 30%, особенно при повышенных температурах, защитное действие этих пленок резко снижается.

В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (на­пример, в НС1), сталь, а тем более чугун, очень сильно разру­шаются, В кислотах с окислительными свойствами (H₂SO₄, НNОз) на поверхности железа образуются защитные пленки, препятст­вующие дальнейшей коррозии. Это относится к сравнительно кон­центрированным кислотам. Так, НNОз при концентрации более 30% пассивирует железо, а при концентрации выше 50% практи­чески не действует на него.

H₂SO₄ пассивирует железо при концен­трации более 75%.

В органических кислотах, не являющихся окислителями, железоуглеродистые сплавы быстро разрушаются. В других органиче­ских средах (спирты, углеводороды, хлорпроизводные и т. п.) в отсутствие воды они практически не корродируют.

Разрушение железоуглеродистых сплавов наблюдается и в су­хих газовых средах, особенно .при повышенных температурах (вы­ше 300°С). Газовой коррозии способствует наличие окислителей, которыми чаще всего являются кислород воздуха, а также ,пере­гретый водяной пар при температурах выше 500 °С.

При 200—300 °С и давлении 300 кгс/см² водород вызывает водородную коррозию, в результате которой резко ухудшаются ме­ханические свойства металла. Причиной разрушения является диффузия водорода в металл, вызывающая в нем глубокие изме­нения, обусловленные образованием гидридов и их разложением. Кроме того, водород реагирует с карбидом железа

Fe₃С + 2Н₂ = 3Fe + CH₄

в результате чего происходит разрыхление структуры и постепен­ное обезуглероживание стали.

При высоких температурах и давлениях окись углерода, а так­же другие газообразные агенты вызывают коррозию.

Легированные стали. Для улучшения механических по­казателей и химической стойкости сталей в их состав могут вво­диться специальные добавки, к которым относятся такие металлы, как никель, хром, титан, вольфрам, ванадий, марганец и др. Стали с такими добавками называются легированными. В зависимости от количества добавок они делятся на низколегированные (до 5% ле­гирующих добавок), среднелегированные (5—10%) и высоколеги­рованные (выше 10%).

При маркировке стали легирующие элементы условно обозна­чаются соответствующими буквами; Х — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Д — медь, С — кремний, Б — ниобий, Г — марганец, Ю—алюминий, В—вольфрам, Ф—ванадий, Р—бор и т. д. Цифра, стоящая после буквенного обозначения легирую­щего элемента, указывает примерное содержание (в %) данного элемента в сплаве; при содержании элемента до 1% цифра 1 опу­скается. В марках низколегированной стали цифры, стоящие слева от букв, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так, сталь марки 14Г2 содержит углерода около 0,14% (и марганца ~2%).

Из низколегированных сталей большое применение в аппара­то- и котлостроении получила хромомолибденовая сталь марки 12МХ с содержанием молибдена около 0,5% и хрома около 0,5%. Из этой стали изготавливаются теплообменники, работающие при высоких температурах, горячие коллекторы и паропроводы высо­кого давления.

Высоколегированные стали (ГОСТ 5632—61) в зависимости от основных свойств подразделяются на три группы: к I группе относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладаю­щие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосфер­ной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой и др.); ко II группе— жаростойкие (окалиностойкие) стали, работающие в ненагру­женном или слабонагруженном состоянии и обладающие при этом стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С; к III группе— жаропрочные стали, выдерживающие высокие температуры в нагруженном состоянии и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является хром, влияние которого на коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности стали устойчивой защит­ной пленки окислов. Минимальное содержание хрома в нержавею­щей стали должно составлять примерно 12%.

Дальнейшее повышение коррозионной стойкости стали дости­гается введением в нее никеля, титана, молибдена и других при­садок. Широко применяются стали марок ОХ18Н10 (содержание хрома 18%, никеля 10% и содержание углерода не более 0,08%), Х18Н10Т (содержание хрома 18%, 10% никеля, титана до 0,8% и углерода не более 0,12%).

Повышение жаростойкости стали достигается в основном вве­дением в сталь хрома, алюминия и кремния.

Легированные чугуны получаются подобно легирован­ным сталям. Особый интерес представляют сплавы, известные под названием ферросилидов, или кремнистых чугунов, с содер­жанием кремния до 15—17% (марки С15, С17, ГОСТ 2233—70). Они стойки к HNO₃ всех концентраций, даже при температуре ки­пения, к серной кислоте (до 98%), нагретой до 100°С, Однако стойкость их к НСl растворам едких щелочей и восстановительным средам недостаточна. Если ввести в состав ферросилида С15 3,5— 4% молибдена, получается кремнемолибденовый чугун марки С15М4, известный под названием антихлор. Этот материал приго­ден для изготовления деталей, работающих в среде горячей НС1. Изделия из ферросилидов (отливки) обладают высокой твердостью, хрупкостью и плохо переносят местный или быстрый нагрев.

Для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воз­действия горячих водных растворов или расплавов NaOH иКОН,используются щелочестойкие чугуны (СЧЩ-1, СЧЩ-2).

Металлургической промышленностью выпускаются высоко­прочные чугуны (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2 и др., ГОСТ 7293—70), пред­ставляющие большой интерес как конструкционные материалы для химического аппаратостроения.

Медь и ее сплавы. Вследствие дефицитности, высокой стоимо­сти и недостаточной химической стойкости во многих средах (ми­неральные кислоты, аммиак, хлориды и т. д.) медь находит огра­ниченное применение в качестве материала для химической аппа­ратуры. Однако она имеет очень ценное свойство - сохраняет пластичность при весьма низких температурах. Поэтому для аппаратуры, работающей в таких условиях, медь—очень удоб­ный материал. Верхняя предельная температура применения меди 400 °С.

Следует отметить высокую теплопроводность меди (в 6—7 раз выше, чем у железа) и легкость ее обработки, как в холодном, так и в горячем состояниях.

В зависимости от количества примесей медь подразделяется на ряд марок: МО, Ml, М2, МЗ, М4 и др. (ГОСТ 859—66). Наи­меньшее количество примесей содержится в марке МО. Для изго­товления, аппаратуры применяют медь Ml, М2 и МЗ.

Для изготовления отдельных деталей аппаратов, насосов, кра­нов широко используются различные медные сплавы — латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Широко при­меняются латуни с содержанием цинка до 50%. Они обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Марки простых латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л62 (ГОСТ 15527—70); двухзначные цифры в марке означают среднее содер­жание меди. Латуни с большим содержанием меди (90—96%) на­зываются томпаками.

Введение в латунь небольших количеств олова, никеля, алю­миния, марганца, железа и других, добавок во многих случаях улучшает механические свойства сплава и его коррозионную стой­кость—специальные латуни (например, алюминиевая— ЛА77-2, оловянистая—Л070-1, Л090-1, свинцовая — ЛС74-3, ЛС64-2 и др.).

Из бронз (сплав меди с алюминием или оловом) следует особо отметить алюминиевые (Бр. АЖН 10-4-4, Бр. АЖМц 10-3-1,5 и др.; ГОСТ 493—54), значительно превосходящие по коррозионной стойкости оловянистые бронзы и латуни. Они стойки в фосфористой, уксусной, лимонной и других органических кислотах, в условиях атмосферной коррозии, в мор­ской воде и т. д.

Кремнемарганцовистая бронза марки Бр. КМцЗ-1 применяется для изготовления аппаратуры, работающей под давлением, а так­же для взрывоопасной аппаратуры, так как эта бронза не дает искр при ударах.

Никель и его сплавы. Никель и сплавы на его основе благо­даря высокой механической прочности и значительной химической стойкости во многих агрессивных средах, пластичности и способ­ности к обработке различными способами представляют большой интерес для химического аппаратостроения.

Никель выпускается пяти марок: Н-0, Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4 (ГОСТ 849—70). Для изготовления химической аппаратуры при­меняют две марки НП2 и НПЗ (в виде проката).

Никель отличается высокой стойкостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей, высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах во многих органических средах, в том числе в жирных кислотах, феноле, спиртах и т. д., выдерживает действие слабых холодных растворов соляной кислоты и ее солей.

Вследствие дефицитности и высокой стоимости никель при­меняется для изготовления 'аппаратуры сравнительно редко. Зна­чительно чаще используются сплавы никеля с медью, молибденом и другими металлами, обладающими более высокой коррозионной стойкостью, чем никель.

Сплавы никеля с медью известны под названием монель-металл, они обладают высокой стойкостью в окислительных сре­дах при температурах до.750°С и сохраняют механическую проч­ность до 500 °С. Монель-металл стоек в чистой НзР04 высокой кон­центрации при нагревании и в растворах HF всех концентраций (включая и безводный HF) при всех температурах вплоть до ки­пения при ограниченном доступе воздуха.

К другим высокостойким в агрессивных средах сплавам никеля относятся никельмолибденовые (Н70М26Л, Н65МЗОЛ, Н60М35Л), пригодные для отливки арматуры и отличающиеся высокой кор­розионной стойкостью в слабых (до 5%) растворах соляной кис­лоты и 65—78%-ных растворах серной кислоты.

Алюминий. Высокой степени чистоты (не ниже 99,6%) алю­миний стоек к действию кислот — азотной, ортофосфорной, уксус­ной — и очень многих органических сред. Сернистые соединения и газы, содержащие сероводород, сернистый ангидрид, пары серы, сухой хлористый водород, также не действуют на алюминий. По­этому он находит применение в химическом аппаратостроении. Из алюминия изготовляют сборники, баки и цистерны для хране­ния и перевозки азотной кислоты, трубы, реакторы, теплообменники и другие аппараты, работающие без давления и при темпера­туре стенок не выше 150 °С.

Марки алюминия А995, А99, АО и др. (ГОСТ 11069—64).

Находят применение сплавы алюминия с кремнием (силумины СИЛ-1 и СИЛ-2—сплавы алюминия с 10—13% кремния, отли­чающиеся высокой стойкостью к азотной кислоте), марганцем (АМд), магнием (АМг1,АМг2 и др.), медью и магнием (Д1, ДЛ6 и др.), бериллием.

Свинец. Обладает высокой химической стойкостью, особенно как в чистой H₂S0₄, так и в ее растворах. Однако свинец весьма мало прочен. Поэтому его чаще всего применяют не непосредствен­но, а в качестве защитного покрытия стальных и чугунных аппа­ратов и деталей. Как самостоятельный материал он употребляется для изготовления труб.

Верхний температурный предел применения свинца 150— 200°С, при более высоких температурах он постепенно теряет прочность и коррозионную стойкость, что затрудняет его приме­нение.

Для защиты от коррозии используют свинец маркиС2(ГОСТ 3778—65).

Серебро. Этот металл очень редко применяется для изготов­ления химической аппаратуры из-за высокой стоимости. Однако в отдельных производствах, где перерабатываются особенно сложные агрессивные смеси (например, производство хлоруксусной кисло­ты), он является единственным подходящим материалом.

Титан. Это самый перспективный материал для изготовления химического оборудования. Отличается исключительно высокой прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью, малой плотно­стью, высокой сопротивляемостью эрозии и усталостным напря­жениям, хорошими технологическими свойствами и высокой кор­розионной стойкостью, превосходящей в ряде случаев стойкость высоколегированных кислотостойких сталей.

Исключительные антикоррозионные свойства титана обуслов­лены образованием на его поверхности защитной окисной пленки. Поэтому титан стоек в тех средах, которые способствуют созда­нию такой пленки или, по крайней мере, не разрушают ее. Он стоек в разбавленной H₂S0₄, разбавленной и концентрированной НNОз (за исключением дымящей), Н₂0₂, H₂S, сухом и влажном хлоре, царской водке, уксусной и молочной кислотах, а также во многих других средах, агрессивных для большинства металлов. Для титана характерна исключительно высокая стойкость в морской воде; в НС1иНзР0₄ она зависит от концентрации кислот и их температуры. Титан стоек в очень разбавленных растворах этих кислот при от­носительно невысоких температурах, но с повышением концентра­ции кислот и их температуры скорость коррозии увеличивается.

Большим преимуществом титана перед другими коррозионно-стойкими металлами и сплавами является то, что его коррозион­ное разрушение протекает равномерно—межкристаллитнаяиточечная виды коррозии наблюдаются в очень редких случаях.

Однако титан взаимодействует при повышенных температурах с кислородом, азотом и водородом, а также с СО, CO₂, NНз, во­дяным паром и многими летучими органическими соединениями. Марки технического титана: ВТ-1, ВТ1-2.

Представляют большой интерес также сплавы титана с различными металлами: алюминием, молибденом, хромом, вана­дием и др. (например, марки ВТ4, ВТ5, ВТ14, ВТ15, ОТ4 и др.). Добавки этих металлов приводят к улучшению механических свойств и повышению коррозионной стойкости титана. Предельная температура эксплуатации титановых сплавов 350—500°С.

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, титан и его сплавы быстро внедряются в химическую промышленность, глав­ным образом для изготовления ответственных деталей химической аппаратуры.

Другие металлы. Помимо титана, важное значение, в химиче­ском машиностроении приобретают цирконий, тантал, молибден, ниобий (и сплавы на их основе).

Отличительной характеристикой циркония является его стойкость в НС1, НNОз и H₂S0₄ (до концентрации кислоты 80%).

По стойкости в щелочах цирконий превосходит титан и тантал; он стоек в горячих концентрированных растворах NaOH и обла­дает исключительно высокой коррозионной стойкостью в морской воде при комнатной температуре.

Тантал стоек в горячей НС1 и в царской водке. Однако он нестоек к действию олеума, горячей НзР0₄, соединений фтора и концентрированных растворов щелочей. Следует также отметить склонность этого металла к водородной коррозии.