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環(huán)境工程設備與設計,1,主講教師：食品學院 張仲欣 電 話：64222390 13525918503 E-mail：zhzhx@,2,本課件使用說明,1、紅顏色：標題； 藍顏色：需記筆記的內容； 綠顏色：重點； 黑顏色：解釋性材料； 棕顏色：重復前頁的標題。 2、頁面切換聲：“咔嚓”； 頁面上增加內容聲：“鐺”或“嗒嗒”。,3,教材：,普通高等教育“十一五”國家級規(guī)定教材 《環(huán)境工程設備》 金兆豐主編 化學工業(yè)出版社 主要參考書： 《化工設備機械基礎》 董大勤主編 化學工業(yè)出版社,本課件使用說明,4,主要內容及學時安排,緒論 2學時 第一章 環(huán)境工程設備材料 8 學時 第二章 容器設計與制造 16 學時 第三章 管道與閥門 6 學時 第四章 機械傳動與減速器 10 學時 第五章 環(huán)境工程設備設計實例 6 學時,5,本課程的學習方法,一、開設本課程的目的與意義 1.了解環(huán)境工程設備的相關知識，能認識設備。 2.掌握環(huán)境工程設備的結構、原理、工作過程、特點等，為設備的選型配套打基礎。 3.掌握環(huán)境工程設備設計的基礎知識與方法，為設備的設計與改造打基礎。,6,二、本課程的學習方法 1.提倡記筆記，必須做作業(yè)。 2.期末考試：平時占30%， 卷面占70%。 3.答疑時間：周三晚8點-10點， 地點：2-231（最西頭）。,7,緒論,主要內容： 1.環(huán)境工程設備的定義和分類 2.機械類與容器類環(huán)保設備 3.標準化知識簡介 4.環(huán)境工程設備的選用與設計原則,8,一、環(huán)境工程設備的定義與分類,1.定義： 以控制環(huán)境污染為目的的設備，稱為環(huán)境保護設備或環(huán)保設備 環(huán)境保護設備是水污染治理設備、空氣污染治理設備、固體廢棄物處理設備、噪聲與振動控制設備、放射性與電磁波污染防護設備的總稱。,9,2.分類：,按類別、亞類別、組別和型別四個層次進行分類。 （1）按類別：即按控制的污染物對象分類 水污染治理設備 空氣污染治理設備 固體廢棄物處理處置設備 噪聲與振動控制設備 放射性與電磁波污染防護設備,10,2.分類：,（2）按亞類別：即按環(huán)保設備的原理和用途分類 物理法 化學法 物理化學法 （3）按組別：即按功能原理分類 如用于分離的原理有： 沉淀 澄清 上浮 氣浮 離心 磁分離,11,2.分類：,（4）按型別分類：即按結構特性和工作方式 如氣浮分離器的典型結構有： 溶氣氣浮 真空氣浮 分散空氣氣浮 電解氣浮 泡沫分離器,12,二、機械類與容器類環(huán)保設備,單體設備可分為機械類與容器類兩種類型 機械類設備可分為通用設備與專用設備 容器類設備可分為常壓容器、中低壓容器、高壓容器等 常壓：只承受容器內介質的靜壓 低壓：介質工作壓力≤1.6MPa 中壓：介質工作壓力為1.6~10MPa 高壓：介質工作壓力為10~100MPa 容器類環(huán)境工程設備一般是指沒有運動構件的設備，主要是指設備的外殼。,13,三、標準化知識簡介,1.標準化的發(fā)展歷史：由統(tǒng)一性決定 2.標準化的主要作用：便于設計、生產、使用 3.標準化和標準的定義：大家都遵守的規(guī)則 4.標準的分類：國家、部門、行業(yè)、企業(yè) 5.標準的代號和編號：由名稱、代號、編號、年份組成。如《鋼制壓力容器》（ GB150-1998 ）,6.ISO9000和ISO14000：ISO為國際標準，9000為質量標準，1400為環(huán)保標準,,14,四、環(huán)境工程設備的選用與設計原則,1.成套設備與單體設備：成套設備滿足工藝要求，單體設備盡量選通用設備。 2.通用設備的選用原則：適用、先進、安全、經(jīng)濟 3.專用設備的設計原則：滿足工藝要求、結構簡單、成本低,15,第1章 環(huán)境工程設備材料,主要內容： 1.材料的基本性能 2.碳鋼與鑄鐵 3.合金鋼 4.有色金屬及其合金 5.非金屬材料與復合材料 6.材料的腐蝕與防腐 7.環(huán)境工程設備材料選擇,第一節(jié) 材料的基本性能,主要包括：力學性能、物理性能、化學性能和加工性能 一、力學性能 力學性能是指材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力，如強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。這些性能是化工設備設計中材料選擇及計算時決定許用應力的依據(jù)。,一、力學性能,1. 強度 是指材料抗變形或斷裂的能力 。 （1）材料拉伸時的應力應變曲線 ①應力：單位面積所受的力,②應變：單位長度所產生的變形,,,,,應力的單位為MPa，即106N/m2,1.強度,③材料拉伸時的應力應變曲線 材料拉伸試驗： 試棒制備,材料拉伸過程演示,l0=10d0,l0= 5d0,一般d0=10mm,,1.強度,材料拉伸時的應力應變曲線（畫出）,1.強度,σp——比例極限 σe——彈性極限 σs——屈服極限（屈服點） σb——強度極限 E=tan(α)——材料的彈性模量 在比例極限內，σ=Eε,1. 強度,長期靜載對強度的影響：蠕變極限σn 交變載荷對強度的影響：疲勞極限σ-1 交變載荷大小用應力循環(huán)系數(shù)或應力比衡量， r= σmin/σmax 疲勞極限σ-1以106~107次交變這材料不被破壞的應力,許用應力,不同的設計對應不同的強度極限。 安全系數(shù)是對設備安全性的保護，一般n=2~5。,2. 硬度,硬度是指固體材料對外界物體機械作用（如壓陷、刻劃）的局部抵抗能力。 是彈性、強度與塑性的綜合性能指標。 常用硬度表示方法： （1）布氏硬度(HB)：用于軟質材料， 如低碳鋼，HB200~300 布氏硬度與抗拉強度的對應關系： 低碳鋼 σb=0.36 HB 高碳鋼 σb=0.34 HB 灰鑄鐵 σb=0.1 HB （2）洛氏硬度(HRC、HRB)：用于硬質材料， 如高碳鋼或合金鋼，HRC40~60,3. 塑性,延伸率 δ,斷面收縮率ψ,化工設備材料一般要求δ5=10～20%,其中εp為斷裂時的應變。L1和s1為斷裂時的長度和斷面面積。,4.沖擊韌性 沖擊韌性αk：使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積，即,低溫容器所用鋼板的αk值 不得低于0.3MJ/m2,二、物理性能,密度、熔點、比熱容、熱導率、線膨脹系數(shù)、導電性、磁性、彈性模量與泊松比等。,三、化學性能 1. 耐腐蝕性 材料對周圍介質侵蝕的抵抗能力 2. 抗氧化性 材料抵抗高溫氧化的能力。,四、加工工藝性能 1. 可鑄性：收縮與偏析 2. 可鍛性 3. 焊接性 4. 可切削加工性,第一節(jié) 材料的基本性能,【作業(yè)】 1.一個總重為700N的電機，用一個M8吊環(huán)螺釘起吊。螺紋根部直徑為6.4mm，其截面上的應力有多大？ 2.一鋼管，中徑為D，厚度為δ，要受F的拉力。已知斷面上的許用應力為σm。F允許多大？(圓環(huán)面積近似用中徑周長乘以厚度),第一節(jié) 材料的基本性能,【作業(yè)答案】 1.σ=22MPa 2.F=πDδσm,第二節(jié) 碳鋼與鑄鐵,碳鋼即“鐵碳合金”是由95％以上的鐵和0.05％～4％的碳及1％左右的雜質元素所組成的合金。 一般含碳量0.02％～2％的稱為鋼； 大于2％稱為鑄鐵； 含碳量小于0.02％的稱為純鐵(工業(yè)純鐵)； 含碳量大于4.3％的鑄鐵極脆。 后二者的工程應用價值都很小。,一、鐵碳合金的組織結構,1.金屬的組織與結構,組織：在金相顯微鏡下看到的金屬的晶粒，簡稱組織。,結構：電子顯微鏡觀察到金屬原子各種規(guī)則排列，稱為金屬的晶體結構，簡稱結構。 不同溫度下純鐵體心立方與面心立方晶格,體心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的強度高于前者。,1.金屬的組織與結構,鑄鐵中的碳一般以石墨的形式存在，有不同的組織形貌。石墨在鑄鐵中的三種存在形式如下：,球墨鑄鐵強度最高；細片狀石墨次之；粗片狀石墨最差。,1.金屬的組織與結構,2.純鐵的同素異構轉變,體心立方晶格的純鐵稱α-Fe， 面心立方晶格的鐵稱為γ-Fe。 α-Fe加熱可變?yōu)棣?Fe， 反之高溫下的γ-Fe冷卻可變?yōu)棣?Fe。 在固態(tài)下晶體構造隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象， 稱“同素異構轉變”。 純鐵的同素異構轉變是在910℃恒溫下完成的。 在固態(tài)下重新排列、結晶過程，是鋼進行熱處理的依據(jù)。,3.碳鋼的基本組織 碳在鐵中的存在形式有固溶體、化合物和混合物三種。 (固溶體：兩種或兩種以上的元素在固態(tài)下互相溶解，而仍然保持溶劑晶格原來形式的物體。) 這三種不同的存在形式，形成了不同的碳鋼組織。,（1）鐵素體 碳溶解在α-Fe中形成固溶體稱鐵素體。 α-Fe原子間隙小，溶碳能力低（室溫下0.006％），強度和硬度低，但塑性和韌性很好。 低碳鋼是含鐵素體的鋼，具有軟而韌的性能。 （2）奧氏體 碳溶解在γ-Fe鐵中形成固溶體稱奧氏體。 γ-Fe原子間隙較大，碳的溶解度比α-Fe中大得多，如在723℃時可溶解0.8％，在1147℃時可達最大值2.06％。 奧氏體組織是在α-Fe發(fā)生同素異構轉變時產生的。由于奧氏體有較大的溶解度，故塑性、韌性較好，且無磁性。,3.碳鋼的基本組織,（3）滲碳體 碳和鐵形成一種化合物（Fe3C）稱滲碳體。 熔點約1600℃，硬度高。 鐵碳合金含碳量小于2％時，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是碳素鋼。 含碳量大于2％時，部分碳以石墨形式存在，稱鑄鐵。抗拉強度和塑性都比碳鋼低。但鑄鐵具有一定消震能力。,3.碳鋼的基本組織,（4）珠光體 鐵素體與滲碳體的機械混合物。 力學性能介于鐵素體和滲碳體之間，即其強度、硬度比鐵素體顯著提高；塑性、韌性比鐵素體差，但比滲碳體要好得多。,3.碳鋼的基本組織,（5）萊氏體 珠光體和初次滲碳體的共晶混合物。 具有較高的硬度，是一種較粗而硬的金相組織，存在于白口鑄鐵、高碳鋼中。 （6）馬氏體 鋼和鐵從高溫急冷下來的組織，是碳在α-Fe中過飽和的固溶體。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，幾乎不能承受沖擊載荷。,3.碳鋼的基本組織,,,從鐵碳合金狀態(tài)圖中可以看出：溫度和含碳量對鋼鐵組織影響的規(guī)律是： 溫度由高到低：液體→奧氏體→珠光體 含碳量由低到高：鐵素體→滲碳體→萊氏體 即：不同含碳量的鐵在不同的溫度下有不同的組織結構。,3.碳鋼的基本組織,三、鋼的熱處理,鋼、鐵固態(tài)下加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金相組織以滿足所要求的物理、化學與力學性能，稱為熱處理。常用的熱處理方法有：,1. 退火和正火 退火：緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻。 目的：細化晶粒，提高力學性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分內應力，防止工件變形。 正火是置于空氣中冷卻。晶粒變細，韌性可顯著提高。 鑄、鍛件切削加工前一般進行退火或正火。 2. 淬火和回火 淬火：加熱至淬火溫度(臨界點以上30℃～50℃)，并保溫一段時間，然后投入到淬火劑中冷卻。 目的：淬火后得到的組織是馬氏體。增加硬度、強度和耐磨性。 淬火劑有空氣、油、水、鹽水，冷卻能力遞增。 碳鋼在水和鹽水中淬火，合金鋼在油中淬火。,三、鋼的熱處理,回火：是淬火后進行的一種較低溫度的加熱與冷卻熱處理工藝。 目的：降低或消除零件淬火后的內應力，提高韌性。 在150℃～250℃范圍內的回火稱“低溫回火”?；鼗瘃R氏體有較高的硬度和耐磨性，內應力和脆性有所降低。刃具、量具，要進行低溫回火處理。 中溫回火溫度是300℃～450℃。 有一定的彈性和韌性，并有較高硬度。 軸類、刀桿、軸套等進行中溫回火。 高溫回火溫度為500℃～680℃。 綜合性能：強度、韌性、塑性等都較好 淬火＋高溫回火習慣上稱為“調質處理”。 用于各種軸類零件、連桿、齒輪、受力螺栓等。,2. 淬火和回火,時效熱處理：材料經(jīng)固溶處理或冷塑變形后，在室溫或高于室溫條件下，其組織和性能隨時間而變化的過程。 時效處理可進一步消除內應力，穩(wěn)定零件尺寸，它與回火作用相似。,2. 淬火和回火,3. 表面淬火 使零件表面層比心部具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部則具有一定的韌性。 4. 化學熱處理 有滲碳、滲氮(氮化)、滲鉻、滲硅、滲鋁、氰化(碳與氮共滲)等。 滲碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 滲鋁可提高耐熱、抗氧化性； 氮化與滲鉻的零件，表面比較硬，可顯著提高耐磨和耐腐蝕性； 滲硅可提高耐酸性等。,三、鋼的熱處理,四、碳鋼 1. 常存雜質元素對鋼材性能的影響,碳鋼中的雜質元素有： 硫、磷、錳、硅、氧、氮、氫等 （1）硫：有害元素。FeS和 Fe形成低熔點(985℃)化合物。鋼材熱加工1150～1200℃，過早熔化而導致工件開裂，稱為“熱脆”。 高級優(yōu)質鋼：S＜0.02%～0.03%； 優(yōu)質鋼：S＜0.03%～0.045%； 普通鋼：S＜0.055%～0.7%。,（2）磷:有害元素。雖能使強度、硬度增高，但塑性、沖擊韌性顯著降低。 特別是在低溫時，使鋼材顯著變脆，稱“冷脆”。 使冷加工及焊接性變壞， 高級優(yōu)質鋼： P＜0.025%； 優(yōu)質鋼： P＜0.04%； 普通鋼： P＜0.085%。 （3）錳:脫氧劑，有益元素。 MnS(1600℃) ，部分消除硫的有害作用。 錳具有很好的脫氧能力，與FeＯ成為MnＯ進入爐渣，從而改善鋼的品質，特別是可以降低脆性，提高強度和硬度。 在0.5%～0.8%以下時，看成是常存雜質。 優(yōu)質碳素結構鋼中，正常含錳量是0.5%～0.8%；高錳結構鋼可達0.7%～1.2%。,1. 常存雜質元素對鋼材性能的影響,（4）硅:脫氧劑。有益元素。 硅與FeO能結成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去。 硅在鋼中溶于鐵素體內使強度、硬度增加，塑性、韌性降低。 鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%～0.07%。 由于鋼中硅含量一般不超過0.5%，對鋼性能影響不大。 （5）氧：有害元素。 在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧，但不可能除盡。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。,1. 常存雜質元素對鋼材性能的影響,（6）氮 長時間放置或在200～300℃加熱，氮以氮化物的形式析出，硬度、強度提高，塑性下降。 （7）氫 氫會使鋼材出現(xiàn)氫脆、白點等缺陷。即在斷面上出現(xiàn)白色斑點，易斷裂。,1. 常存雜質元素對鋼材性能的影響,2. 分類與編號,按用途分：建筑及工程用鋼、結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼和特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼） 按含碳量分：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼 按脫氧方式分：鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼 按品質分：普通鋼、優(yōu)質鋼和高級優(yōu)質鋼 （1）普通碳素鋼 編號：Q235-A，Q235——屈服強度及數(shù)值（MPa） A——質量等級，有A，B，C，D四級。 脫氧方法有F，b，Z，TZ。其中Z——鎮(zhèn)靜鋼，在編號中忽略 化工壓力容器一般選用鎮(zhèn)靜鋼。 普通碳素鋼有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五個鋼種。,（2）優(yōu)質碳素鋼 S＜0.03%～0.045% ；P＜0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。即平均含碳量為萬分之幾。45號鋼中含碳量平均為0.45%(0.42%～0.50%)。 優(yōu)質低碳鋼（含C＜0.25%），如08、10、 15、20、25；塑性好，焊接性能好，用于殼體、接管等。 優(yōu)質中碳鋼（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50與55； 45號鋼，用于攪拌軸、齒輪等傳動零件。 優(yōu)質高碳鋼（含C＞0.6%），如60、65、70、80。60、65鋼主要用來制造彈簧，70、80鋼用來制造鋼絲繩等。,2. 分類與編號,（3）高級優(yōu)質鋼 S＜0.02%～0.03%； P＜0.025%，均＜0.03%。 它的表示方法是在優(yōu)質鋼號后面加一個A字，如20A。,2. 分類與編號,品種：鋼板、鋼管、型鋼、鑄鋼和鍛鋼 （1）鋼板（壓力容器用熱扎厚鋼板） 4mm～6mm厚度間隔為0.5mm 6mm～30mm厚度間隔為 lmm 30mm～60mm厚度間隔為2mm 一般碳素鋼板材料有 Q235-A、 Q235-A·F、08、10、15、20等。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,但常用鋼板厚度參見HG20581-1998,,40mm沒有奇數(shù)厚度的鋼板（25代替24和26除外）,（2）鋼管 無縫鋼管和有縫鋼管。 無縫鋼管有冷軋和熱軋。 普通無縫鋼管常用材料有10、15、20等。 另外還有專門用途的無縫鋼管，如熱交換器用鋼管、石油裂化用無縫管、鍋爐用無縫管等。 有縫鋼管和水煤氣管：分鍍鋅(白鐵管)和不鍍鋅(黑鐵管)兩種。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,（3）型鋼 有圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼（等邊與不等邊）、工字鋼和槽鋼。 圓鋼與方鋼主要用來制造各類軸件； 扁鋼常用作各種槳葉； （4）鑄鋼和鍛鋼 鑄鋼用 ZG表示， 如ZG25、 ZG35等，用于制造各種承受重載荷的復雜零件，如泵殼、閥門、泵葉輪等。 鍛鋼有08、10、15、…、50等牌號。石油化工容器用20、25等制作管板、法蘭、頂蓋等。,3. 碳鋼的品種及規(guī)格,含碳量2%以上，含有 S、 P、 Si、 Mn等雜質。 脆性材料，抗拉強度較低，但有良好的鑄造性、耐磨性、減振性及切削加工性。 在一些介質(濃硫酸、醋酸、鹽溶液、有機溶劑等)中有相當好的耐腐蝕性能。 鑄鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。,五、鑄鐵,1. 灰鑄鐵 含碳2.7%～4.0%，片狀石墨形式，斷面暗灰色。 有優(yōu)良的鑄造性、減振性能，用于支架、閥體、泵體、機座、管路附件等。 在化工生產中可做燒堿生產中的熬堿鍋、聯(lián)堿生產中的碳化塔及淡鹽水泵等。 編號：HT200，HT——灰鑄鐵，200——抗拉強度sb值，MPa。 常用灰鑄鐵牌號有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。 2. 球墨鑄鐵 石墨呈球形，簡稱球鐵。在強度、塑性和韌性方面大大超過灰鑄鐵，甚至接近鋼材。 編號：QT400-18， QT——球墨鑄鐵， 400 ——抗拉強度sb值，MPa ，18——延伸率d=18%。,五、鑄鐵,3. 高硅鑄鐵 有高的耐蝕性能，含硅量增加，耐蝕性增加。 強度低、脆性大、內應力大，易于脆裂 熱導率小，線膨脹系數(shù)大，不適于制造溫差較大的設備，否則容易產生裂紋。 常用于各種耐酸泵、冷卻排管和熱交換器 牌號有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,五、鑄鐵,第三節(jié) 合金鋼,在碳鋼中添加適量的一種或多種合金元素，得到或改善某些性能，稱為合金鋼。 一、分類與編號 按合金元素總含量分： 合金含量10%：高合金鋼 按用途分： 合金結構鋼 調質結構鋼、表面硬化鋼 低碳馬氏體鋼、非調質結構鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼:不銹鋼和耐熱鋼等,,低合金鋼的編號表示方法：12CrNi3。 12——表示含碳量為萬分之十二(或0.12%)， Cr、Ni3——所含的主要合金元素及其含量，數(shù)字為百分數(shù)，含量1.5%時，不標數(shù)字，如Cr 含量為0.4%，則不標數(shù)字，Ni3表示鎳含量為3%左右 。,一、分類與編號,二、合金元素對鋼的影響 目前常用的合金元素有：鉻(Cr)，錳(Mn)，鎳(Ni)，硅(Si)，硼(B)，鎢(W)，鉬(Mo)，釩(V)，鈦(Ti)和稀土元素(Re)等。 1. 鉻 提高耐腐蝕性能和抗氧化性能。 含量達到13％時，能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高，并增加鋼的熱強性。 提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，但使塑性和韌性降低。 2. 錳 提高強度和低溫沖擊韌性。,3. 鎳 提高淬透性，有很高的強度，而又保持良好的塑性和韌性。 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性。 鎳基合金具有更高的熱強性能。 鎳被廣泛應用于不銹耐酸鋼和耐熱鋼中。 4.硅 提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性及耐H2S等介質的腐蝕性。 硅含量增高會降低鋼的塑性和沖擊韌性。,二、合金元素對鋼的影響,5.鋁 強脫氧劑，顯著細化晶粒，提高沖擊韌性，降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐熱性，對抵抗H2S介質腐蝕有良好作用。 價格便宜，在耐熱鋼中常以它來代替鉻。 6.鉬 提高高溫強度、硬度、細化晶粒、防止回火脆性。鉬能抗氫腐蝕。 7.釩 在固溶體中提高高溫強度，細化晶粒，提高淬透性。 鉻鋼中加少量釩，在保持鋼的強度情況下，能改善鋼的塑性。,二、合金元素對鋼的影響,8. 鈦 強脫氧劑，可提高強度、細化晶粒，提高韌性，減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向。 在不銹鋼中穩(wěn)定碳，防止晶間腐蝕， 提高耐熱性。 9. 稀土元素 提高強度，改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。,二、合金元素對鋼的影響,三、可焊接的低合金高強度鋼 碳含量通常小于0.25%。 有較高的屈服強度（300～1000MPa）和屈強比（σs/σb=0.65～0.95）， 較好的冷熱加工性能、良好的焊接性能，較低的冷脆傾向以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。 主要有高強度鋼、低溫鋼和耐蝕鋼 1. 高強度鋼 350MPa強度級，典型牌號為16Mn； 400MPa強度級，典型牌號為14MnMoV 500MPa強度級，典型牌號為12MnNiCrMoVCu,2. 低溫鋼 主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃) 3. 耐蝕鋼 10MnPNbRE鋼耐海洋大氣及海水腐蝕， 12MnAlV鋼制造煉油廠耐高溫硫化氫設備。 大型化工容器16MnR，質量比碳鋼輕l/3； 與碳鋼相比，用15MnV制造球形貯罐可節(jié)省鋼材約45%。 根據(jù)容器的具體操作條件(溫度、壓力)和制造加工(卷板、焊接)要求選用。,三、可焊接的低合金高強度鋼,四、專業(yè)用鋼 鍋爐用鋼，壓力容器用鋼、焊接氣瓶用鋼等。 在鋼號后分別加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。 質地均勻、雜質量低，能滿足某些力學性能的特殊檢驗項目要求。,五、特殊性能鋼 不銹鋼、耐熱鋼和高溫合金及低溫用鋼 1. 不銹鋼 不銹耐熱鋼和不銹耐酸鋼的統(tǒng)稱。 編號： 1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni9 其中最前邊的數(shù)字表示碳的千分含量，若小于千分之一，也要標注0。 后邊為所含的主要合金元素及其含量，數(shù)字為百分數(shù)，含量1.5%時，不標數(shù)字，如Cr 含量為18%左右， Ni含量為9%左右， Ti 含量1.5%，則不標數(shù)字。,2. 耐熱鋼和高溫合金 例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等，溫度往往達到1000℃以上。 300℃～350℃即需選用耐熱鋼，一般耐熱鋼工作溫度都在700℃以下， 700℃～1000℃用高溫合金。,（1）耐熱鋼 Cr、 Al、 Si鐵素體形成元素，被高溫氣體氧化后生成一種致密的氧化膜。 Ni、Mn奧氏體形成元素， 提高高溫強度和改善抗?jié)B碳性。 V、Nb、Ti形成強碳化物提高高溫強度。 C和N擴大和穩(wěn)定奧氏體提高高溫強度。 B和Re均為耐熱鋼中添加的微量元素，可以顯著提高鋼材的抗氧化性，并改善其熱塑性。 按特性和用途分為抗氧化鋼（又稱高溫不起皮鋼）和熱強鋼。 抗氧化鋼指在高溫下有較好的抗氧化性，并有適當?shù)膹姸取?熱強鋼在高溫下有較好的抗氧化性和耐腐蝕能力，且有較高的強度。常用來做高溫工作下的汽缸、螺栓及鍋爐的過熱器等。,2. 耐熱鋼和高溫合金,（2）高溫合金 鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金。 鐵基耐熱合金工作溫度在700℃以下，含有相當高的鉻、鎳成分和其他強化元素。 鎳基耐熱合金是目前在700℃～900℃范圍內使用得最廣泛的一種高溫合金。這類合金的鎳含量通常在50%以上。 鈷基耐熱合金的高溫強度主要靠固溶強化獲得。鈷價格昂貴，應用受到很大的限制，一般在1000℃以上才用。,2. 耐熱鋼和高溫合金,3. 低溫用鋼 深冷分離、空氣分離等。 （溫度≤-20℃） 目前國外低溫設備用的鋼材主要是以高鉻鎳鋼為主，也有使用鎳鋼、銅和鋁等。 我國無鉻鎳的低溫鋼材系列主要有： 16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR,第四節(jié) 有色金屬及其合金,主要包括：銅 、鋁、鉛、鑄造合金、軸承合金等。 一、鋁及其合金 質輕，導電導熱性好，易于加工。 鋁不會產生火花，常用于制作含易揮發(fā)性介質的容器； 鋁不會產生食物中毒，不污染物品，不改變物品顏色，在食品工業(yè)中代替不銹鋼； 鋁的導熱性能好，適合于作換熱設備。,1. 純鋁 （1）高純鋁 抗硫腐蝕，可用于濃硝酸設備，如高壓釜、槽車、貯槽、閥門、泵。 （2）工業(yè)高純鋁 純度高，可用于制造鋁箔。 （3）工業(yè)純鋁 用于接觸含硫物質但要求不高的設備，例如：反應器、熱交換器、深冷設備、塔器等。,一、鋁及其合金,2. 鋁合金 是鋁中加入合金元素而成，強度提高，主要用于要求質輕而強度高的航空零件。 化工上常用鑄造鋁合金，主要有： 鋁硅合金：制造泵殼 鋁銅合金：制造簡單鑄件 鋁鎂合金：力學性能高，耐腐蝕性能好，但熱強性低。多用于食品機械零件。 鋁鋅合金：制造復雜鑄件和日用品。,一、鋁及其合金,二、銅及其合金 導熱導電性好，易于加工，色澤美觀。 1. 純銅（紫銅） 低溫時可保持較高的塑性和沖擊韌性，用于制作深冷設備和高壓設備墊片； 耐稀硫酸、亞硫酸、稀的和中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸及其它非氧化性酸等介質的腐蝕，對淡水、大氣、堿類溶液的耐蝕能力很好； 不耐各種濃度的硝酸、氨和銨鹽溶液。,2. 銅合金 是銅中加入合金元素而成，強度提高。 主要有： 黃銅：銅與鋅的合金稱為黃銅 白銅：銅與鎳的合金稱為白銅 青銅：銅與錫的合金稱為錫青銅；銅與鋁、硅、鉛、鈹、錳等組成的合金稱無錫青銅。,（1）黃銅 鑄造性能好，力學性能比純銅高，耐蝕性能與純銅相似，在大氣中耐腐蝕性比純銅好，價格便宜，應用較廣。 在黃銅中加入錫、鋁、硅、錳等元素，形成特種黃銅。 錳、鋁能提高強度；鋁、錳和硅提高抗蝕性和減磨性；鋁能改善切削加工性。 常用的黃銅牌號有H80、H68、H62等，數(shù)字為含銅量。 H80大氣、淡水及海水中有較高耐腐蝕性、加工性能優(yōu)良，可作薄壁管和波紋管。 H68塑性好，可在常溫下沖壓。 H62在室溫下塑性較差，但機械強度較高，易焊接，價格低廉，可做深冷設備的筒體、管板、法蘭及螺母等。 錫黃銅 HSn70-l含有1%的錫，能提高在海水中的耐蝕性。稱海軍黃銅。,2. 銅合金,（2）白銅 鎳含量低于50%的銅鎳合金稱為簡單（普通）白銅，再加入錳、鐵、鋅或鋁等元素的白銅稱為復雜（特殊）白銅。 白銅是工業(yè)銅合金中耐腐蝕性能最優(yōu)者，抗沖擊腐蝕、應力腐蝕性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。 （3）青銅 錫青銅分鑄造錫青銅和壓力加工錫青銅。 錫青銅典型牌號 ZQSn10-1，有高強度和硬度，能承受沖擊載荷，耐磨性很好，具有優(yōu)良的鑄造性，比純銅耐腐蝕。 錫青銅用來鑄造耐腐蝕和耐磨零件，如泵殼、閥門、軸承、蝸輪、齒輪、旋塞等。 無錫青銅力學性能好。,2. 銅合金,三、鈦及其合金 鈦合金的密度?。?.507g/cm3）、強度高、耐腐蝕性好、熔點高。 工業(yè)純鈦牌號有 TA0、TA2、TA3(編號愈大、雜質含量愈多)。 純鈦加工性能良好；有良好的耐蝕性。鈦也是很好的耐熱材料。 在鈦中添加錳、鋁或鉻鉬等元素，可獲得性能優(yōu)良的鈦合金。,四、鎳及其合金 高強度和塑性，好的延伸性和可鍛性。好的耐腐蝕性，用于制造處理堿介質的化工設備。 Ni-Cu合金中的蒙乃爾耐蝕合金應用最廣。蒙乃爾合金能在500℃時保持高的力學性能，能在750℃以下抗氧化，在非氧化性酸、鹽和有機溶液中比純鎳、純銅更具耐蝕性。,五、鉛及其合金 硬度低、強度小，不宜單獨作為設備材料，只做設備的襯里。 熱導率小，純鉛不耐磨，非常軟。但在許多介質中，特別是在硫酸中，鉛具有很高的耐蝕性。 鉛與銻合金稱為硬鉛，硬度、強度都比純鉛高，在硫酸中的穩(wěn)定性也比純鉛好。硬鉛的主要牌號為 PbSb4、 PbSb6、 PbSb8和 PbSb10。 鉛和硬鉛在硫酸、化肥、化纖、農藥、電器設備中可用來做加料管、鼓泡器、耐酸泵和閥門等零件。 由于鉛具有耐輻射，在工業(yè)上用作 X射線和g射線的防護材料。 鉛合金的自潤性、磨合性和減振性好，是良好的軸承合金。 鉛合金還用于鉛蓄電池極板、鑄鐵管口、電纜封頭的鉛封等。,第五節(jié) 非金屬材料,既可用作結構材料，又能作設備的保護襯里、涂層，還可做設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。 非金屬材料分為無機非金屬材料（陶瓷、搪瓷、巖石、玻璃等）和有機非金屬材料（塑料、涂料、橡膠等）及近20～30年來發(fā)展的復合材料（玻璃鋼、不透性石墨等）。,一、無機非金屬材料 1. 陶瓷 好的耐腐蝕性、耐熱性和一定機械強度。 導熱性差，熱膨脹系數(shù)較大，受碰擊或溫差急變而易破裂。 2. 搪瓷 由含硅量高的瓷釉通過900℃左右的高溫煅燒，使瓷釉密著在金屬表面。 有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學性能和電絕緣性能，但易碎裂。 熱導率不到鋼的1/4，熱膨脹系數(shù)大。不能直接用火焰加熱，以免損壞搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴緩慢加熱。使用溫度為-30℃～270℃。,3. 輝綠巖鑄石 用輝綠巖熔融后制成，可制成板、磚等材料作設備襯里，也可作管材。 鑄石除對氫氟酸和熔融堿不耐腐蝕外，對各種酸、堿、鹽都具有良好的耐腐蝕性能。 4. 玻璃 化工用的玻璃不是一般的鈉鈣玻璃，而是硼玻璃（耐熱玻璃）或高鋁玻璃，它們有好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。 具有耐腐蝕性、清潔、透明、阻力小、價格低等特點，但質脆、耐溫度急變性差，不耐沖擊和振動。,一、無機非金屬材料,二、有機非金屬材料 1. 工程塑料 是用高分子合成樹脂為主要原料，加入添加劑以改善產品性能。 熱塑性材料遇熱軟化或熔融，冷卻后又變硬，可反復多次。主要有聚氯乙烯、聚乙烯等。 熱固性塑料固化后不能用加熱的方法使之再軟化，如酚醛樹脂、氨基樹脂等。 有良好的耐腐蝕性能、一定機械強度、良好的加工性能和電絕緣性能，價格較低。,（1）硬聚氯乙烯（PVC）塑料 使用溫度-10～+55℃。當溫度在60～90℃時，強度顯著下降。 （2）聚乙烯（PE）塑料 在室溫下，除硝酸外，對各種酸、堿鹽溶液均穩(wěn)定，對氫氟酸特別穩(wěn)定。 （3）耐酸酚醛塑料（PF） 使用溫度為-30℃～+130℃。這種塑料性質較脆、沖擊韌性較低。 （4）聚四氟乙烯（PTFE）塑料 耐腐蝕性強。甚至超過貴重金屬金和銀，有塑料王之稱。 常用作耐腐蝕、耐高溫密封元件及高溫管道。 有良好的自潤滑性，還可以用作無油潤滑壓縮機的活塞環(huán)。,1. 工程塑料,（5）玻璃鋼 又稱玻璃纖維增強塑料。 用合成樹脂為粘結劑，以玻璃纖維為增強材料，按一定成型方法制成。 具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，強度高，具有良好的工藝性能，是一種新型非金屬材料。 樹脂不同而差異很大。 環(huán)氧玻璃鋼（常用）、酚醛玻璃鋼（耐酸性好）、呋喃玻璃鋼（耐腐蝕性好）、聚酯玻璃鋼（施工方便）等。,1. 工程塑料,2. 涂料 品種多，選擇范圍廣、適應性強、使用方便、價格低、適于現(xiàn)場施工等。 涂層較薄容易脫落，應用受到了限制。 防銹漆、底漆、大漆、酚醛樹脂漆、環(huán)氧樹脂漆以及某些塑料涂料，如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。 用靜電噴涂。涂料利用率高，容易進行機械化、自動化的大型生產，減少溶劑和涂料的揮發(fā)和飛濺，涂膜質量穩(wěn)定。,3. 不透性石墨 由各種樹脂浸漬石墨消除孔隙后得到 有較高的化學穩(wěn)定性和良好的導熱性，熱膨脹系數(shù)小，耐溫度急變性好；不污染介質，能保證產品純度；加工性能良好。 機械強度較低、性脆。 常被用來作腐蝕性強介質的換熱器，如氯堿生產中應用的換熱器和鹽酸合成爐，,第六節(jié) 材料的腐蝕及防腐,一、材料的腐蝕,常見的金屬腐蝕破壞的形態(tài)有均勻腐蝕和局部腐蝕（區(qū)域腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕等）,二、材料的防腐,第七節(jié) 環(huán)境工程設備材料選擇,從設備結構、制造工藝、使用條件和壽命等方面考慮，而且還要從設備工作條件下材料的物理性能、力學性能、耐腐蝕性能及材料價格與來源、供應等方面綜合考慮。,一、材料的物理、力學性能方面 一般中、低壓設備屈服極限235到345MPa級。 若直徑較大、壓力較高，最好采用普低鋼（普通低合金鋼），強度級別宜用400MPa級或以上。 操作溫度超過400℃，還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。 壓力容器用鋼材，鋼材延伸率d5不得低于14%。當d5＜18%時，加工應特別注意。 鋼管不宜強度級別過高，彎管率很關鍵，要求塑性好。,二、材料的耐腐蝕性 例如某磷肥廠需設計一個40m3濃硫酸貯罐， 可選灰鑄鐵、高硅鑄鐵、碳鋼、鉻鎳不銹鋼和碳鋼用瓷磚襯里等。 灰鑄鐵、高硅鑄鐵抗拉強度低、質脆，不能鑄造大型設備，故不宜采用。 碳鋼的機械強度高、質韌，焊接性能好，但稀硫酸腐蝕嚴重，故也不能采用。 不銹鋼價格比較貴，焊接加工要求較高。 可用碳鋼做罐殼，內襯非金屬較合適,三、材料的經(jīng)濟性 碳鋼與普低鋼的價格比較低廉，應優(yōu)先選用。 考慮國家生產與供應情況，因地制宜選取，品種應盡量少而集中，以便于采購與管理。,四、其他方面 壓力容器的材料選擇應根據(jù)容器的操作條件、腐蝕情況及制造加工要求，依照國家標準GB150-1998的規(guī)定，并按GB6654-1996壓力容器用鋼板與JB 4726-94 壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件的規(guī)定選用。 為了節(jié)省材料，中、高壓容器應優(yōu)先選用普通低合金鋼（16MnR、15MnVR）。,