辽宁大学化工制图课件第1章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二篇 化工容器设计,第一篇 化工设备材料,第三篇 典型化工容器的,机械设计,化 工 设 备 机 械 基 础,课程内容概述,第一篇 化工设备材料,第一章 化工设备材料及其选择,序,化 工 设 备 机 械 基 础,序,化 工 设 备 机 械 基 础,一、什么是化工设备：,化工设备：在化工厂中所用各种设备的统称。,化工设备分类：,序,化 工 设 备 机 械 基 础,1,、贮罐类,（一般容器）：用,R,表示,球形,圆筒形,化工设备分类,：,卧式 立式 常 压,序,化 工 设 备 机 械 基 础,1,、贮罐类（一般容器）：用,R,表示,球型,圆筒型,化工设备分类：,2,、换热器（,H,）,：用来实现热量交换,的化工设备,蓄热式,直接接触式,间壁式,序,化 工 设 备 机 械 基 础,化工设备分类：,3,、反应器（,F,）,：用来实现化学反应,的化工设备,4,、塔器（,T,）,：用来实现传质传热,的化工设备,精馏塔 吸收塔 干燥塔,萃取塔 解吸塔,序,化 工 设 备 机 械 基 础,化工设备分类：,5,、泵（,B,）,：输送液体的化工设备,（加压或提供能量）,离心泵,6,、风机或压缩机（,J,）,：输送气体,的化工设备,序,化 工 设 备 机 械 基 础,化工设备分类：,规律：,前,4,种都是不动的，所以称为静设备,也称化工设备,后,2,种是动的设备，它的某一部件相,对其它部分是运动的，称为化工机器,序,化 工 设 备 机 械 基 础,二、课程的特点,1,、概念、理论多，计算量少,2,、属于机械类的基础课,3,、主要研究化工设备：,R H T F,序,化 工 设 备 机 械 基 础,化工设备设计原则：,安、稳、长、满、优,安全 平稳 长周期 满负荷 优质,序,化 工 设 备 机 械 基 础,化工设备与化工工艺：,化工工艺：,工艺参数的控制。通过调整工艺参数，保证装置节能、低耗的正常运行，生产出优质合格的产品。,化工设备：,保证设备满足工艺条件的同时，安全、平稳的运行，保证生产效率的最大化。,第一章 化工设备材料及其选择,第一节,概述,第二节,材料的性能,第三节,金属材料的分类,第四节,碳钢与铸铁,第五节,低合金钢及化工设备用特种钢,第六节,有色金属材料,第七节,非金属材料,第八节,化工设备的腐蚀及防腐措施,第九节,化工设备材料的选择,化 工 设 备 机 械 基 础,第一节 概 述,本节主要内容：,一、化工过程特点及化工设备材料种类,二、化工设备选材原则和一般要求,化 工 设 备 机 械 基 础,现代化工生产是一个非常复杂的过程，工艺条件和物料性质千差万别。,例如：,（）温度从低温到高温；,（）压力从真空到超高压；,（）物料从无毒、无腐蚀、不易燃易爆到剧毒、强腐蚀和易燃易爆。,出于化工生产安全和经济性的考虑，对于制造化工设备的材料就必须有区别。,常用化工材料有两类：即,金属,和,非金属,一、化工过程特点及化工设备材料种类,化 工 设 备 机 械 基 础,（一）金属,（）碳钢：低碳钢、中碳钢和高碳钢,（）铸铁：灰口铸铁、球墨铸铁、耐蚀铸铁,（）合金钢：低合金钢、高合金钢,（）有色金属：铜、铝、铅、钛,（二）非金属,（）有机非金属：工程塑料、玻璃钢等；,（）无机非金属：化工陶瓷、搪瓷、不透性石墨、砖板衬里等。,一、化工过程特点及化工设备材料种类,化 工 设 备 机 械 基 础,二、化工设备选材原则和一般要求,原则：,适用、安全和经济,一般要求：,（）材料品种应符合我国资源和供应情况,（尽量采用国产材料）；,（）材质可靠，确保使用寿命；,（）符合工艺条件对强度、塑性、韧性、,高低温性能、耐蚀性等的要求；,（）加工（弯卷、焊接、热处理等）性能好；,（）价格便宜，经济上合算。,化 工 设 备 机 械 基 础,第二节材料的性能,化 工 设 备 机 械 基 础,材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能和加工工艺性能等。,本节主要是一些基本概念和定义，要求概念清楚。,第二节材料的性能,一、力学性能,构件在使用过程中受力（载荷）超过某一限度时，就会发生变形，甚至断裂失效。,材料的力学性能,就是指材料抵抗外力作用而不产生,超过允许的,变形或不被破坏的能力。,通常采用,弹性、塑性、强度、硬度和韧性,等特征指标来衡量材料的性能。,化 工 设 备 机 械 基 础,第二节材料的性能,化 工 设 备 机 械 基 础,A,、,应力,：指单位面积上所受到的,内力,。（用,表示）,应力单位：,Pa,，,KPa,，,MPa,应力可分为：拉应力、压应力、弯曲应力、扭转力,一、力学性能,化 工 设 备 机 械 基 础,B,、,应变,：,L,原长,L,绝对伸长量,无单位,线应变。还有其它应变，如角应变。,一、力学性能,化 工 设 备 机 械 基 础,C,、,低碳钢的拉伸实验图,（,1,）,OA,段为弹性变形阶段,E,E,为弹性模量,p,为弹性极限（,MPa,）,（,2,）,BC,为屈服阶段,外力虽然不增加或缓慢增加，但变形是增加的。说明材料好像失去了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。,一、力学性能,化 工 设 备 机 械 基 础,C,、,低碳钢的拉伸实验图,s,为屈服极限（,MPa,）,塑性形变的最低点,大部分金属合金没有明显的屈服点，因此规定：,0.2,发生,0.2,变形时所对应的应力，称为屈服强度。,一、力学性能,化 工 设 备 机 械 基 础,C,、,低碳钢的拉伸实验图,（,3,）,CD,段为强化阶段,若想变形增加，外力就必须增加，否则不行，这时材料好像恢复了抵抗外力变形的能力，称为强化。,b,为强度极限（,MPa,）,拉断前最大载荷下的应力。,一、力学性能,化 工 设 备 机 械 基 础,C,、,低碳钢的拉伸实验图,（,4,）,DF,段为颈缩阶段,外力虽不增加，但变形增加。,发生颈缩现象变形不均匀。,一、力学性能,一、力学性能,1,、强度,强度是固体材料在外力作用下抵抗产生,塑性变形,和,断裂,的特性。,常用的强度指标有,屈服点,和,抗拉强度,。,（,1,）屈服点（,S,）,金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象习惯上称为“屈服”，发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用,S,（,MPa,）,表示。它代表,材料抵抗塑性变形的能力,。,S,表示如下,：,化 工 设 备 机 械 基 础,式中,P,s,是负荷不增加，甚至有所降低时试件还继续伸长的,最小负荷,N,；,F,0,是试件的横截面积,m,2,。,除了退火的或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金具有明显的屈服现象外，大多数金属合金没有明显的屈服点，因此，规定发生,0.2%,残余应变时的应力，作为,“,条件屈服点,”,，称为,屈服强度,，以,0.2,（,MPa,）表示：,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,P,0.2,为产生,0.2,残余伸长载荷,N,注意：,工程技术上绝大部分构件和零件在弹性条件下工作，不允许发生塑性变形，常因过量的塑性变形而失效。因此，常以开始塑性变形的强度作为主要依据。由于不同用途的构件或零件允许塑性变形的程度有差异，通常分别选用,比例极限、弹性极限或屈服点,作为设计的依据。但实际上对塑性变形量的要求并不十分严格，而且设计时还要加安全系数，所以,最常用的是材料的屈服点,。屈服点是金属材料最重要的性能指标之一，它是设计和选材的主要依据。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,2,）抗拉强度（,b,）,金属材料在受拉力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的,最大应力值,，称为,抗拉强度,。由于外力作用的形式不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，它是试件,拉断前最大负荷下的应力,，以,b,（,MPa,）表示。,式中,P,b,是拉断前试件所承受的最大负荷（,N,）。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,3,）蠕变及蠕变极限,(,n,),蠕变：,是指在,高温和一定应力,下应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和内应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。对于某些金属，如铅、锡在常温下也有蠕变现象，而钢和有色金属在温度超过一定值后才会发生蠕变，如碳素钢在,420,以上、合金钢在,450,以上时才发生蠕变。,蠕变极限,n,(,MPa,),：,是指材料在高温下抵抗发生缓慢,塑性变形的能力,。,蠕变强度有两种表示方法。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,一种,是在工作温度下引起规定变形速度的应力值。,另一种,是在一定工作温度下，在规定的使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。如在某一温度下，在一万小时内或十万小时内产生的总变形量为,1%,时的最大应力。,（,p5,表,1,1,）。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,2,、塑性,塑性是金属材料在断裂前发生,不可逆永久变形,的能力。,塑性指标：指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,常用的塑性指标是,延伸率,（,）和,断面收缩率,（,）。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,1,）、延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。以,（）表示,。,值的大小与试件的尺寸有关，为了方便比较，试件要求标准化。,规定试件计算长度为试件直径的,5,倍或,10,倍。,以,5,，,10,表示。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,2,）、断面收缩率：试件拉断后，断面缩小的面积同原始截面积之比的百分率。以,（）表示,。,值的大小与试件的尺寸无关。,它能更可靠的反映材料塑性的变化。,一、力学性能,第二节,化 工 设 备 机 械 基 础,3,、硬度,硬度是指金属材料抵抗其他更硬的物体压入其表面的能力。它是反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的综合性能指标。,硬度指标：布氏硬度,HB,，洛氏硬度,HR,，维氏硬度,HV,，肖氏硬度,HS,布氏硬度,HB,比较准确，用途较广。,二、物理性能、化学性能、加工工艺性能,化 工 设 备 机 械 基 础,金属材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、弹性模量等等。,1,、物理性能,（,1,）热膨胀性,异种钢的焊接时，要考虑到他们的线膨胀系数，以免受热后因膨胀不同而松动或破坏。,二、物理性能、化学性能、加工工艺性能,化 工 设 备 机 械 基 础,1,、物理性能,（,2,）,弹性模量（,E,）,是衡量材料产生弹性变形难易程度的。,弹性模量是金属材料最稳定的性能之一。,同一种材料，随温度，,E,。,E,，产生一定量的弹性变形应力。,（,3,）,泊松比（,m,）,泊松比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。,对于钢材，它是一个常数,m,=0.3,。,二、物理、化学、加工工艺性能,化 工 设 备 机 械 基 础,耐腐蚀性,(P10,表,1-3),抗氧化性,2,、化学性能,3,、加工工艺性能,铸造、锻造、焊接、切削等性能。,第三节 金属材料的分类及牌号,金属材料可分为两大类，即,黑色金属,和,有色金属,。,要求：,（,1,）,了解：,金属材料的种类；,（,2,）,掌握：,低碳钢、中碳钢和高碳钢的定义及其特点，,沸腾钢、镇静钢、半镇静钢的含义。,（,3,）,掌握：,金属牌号的编制方法及牌号含义。,化 工 设 备 机 械 基 础,黑色金属包括,生铁,（炼钢生铁、铸造生铁和合金生铁）,和钢,。,钢的分类如下,:,（,1,）按冶炼方法分类,（,2,）按化学成分分类：,分为碳素钢和合金钢,（,3,）按质量分类：,a.,普通钢；,b.,优质钢；,c.,高级优质钢,（,4,）按用途分类,（,5,）按脱氧程度分类：,镇静钢、半镇静钢和沸腾钢,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,平炉钢、转炉钢、电炉钢,酸性钢、碱性钢,镇静钢、半镇静钢和沸腾钢,一、黑色金属及分类,按冶炼方法分类,化 工 设 备 机 械 基 础,a.,碳素钢：,低碳钢,(C 0.25%),：,强度较低、塑性最好的碳钢。冷冲压及焊接性能良好，适于制作焊制的化工容器及负荷不大的机械零件；,中碳钢,(0.25,C 0.6%),：,强度、硬度均较高，塑性差，用来制作弹簧、钢丝绳等。,b.,合金钢,低合金钢,（合金元素总量,10,）,按化学成分分类,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,a.,建筑钢；,b.,结构钢（碳素结构钢、合金结构钢）；,c.,弹簧钢；,d.,轴承钢；,e.,工具钢；,f.,特殊性能钢（不锈钢、耐热钢等）。,按用途分类,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,镇静钢、半镇静钢和沸腾钢的概念,按照炼钢时脱氧情况和锭模形式的不同，将钢分为：,镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。,a.,镇静钢：,镇静钢在浇注前用,Si,，,Al,等把钢液完全脱氧，将,FeO,中的氧还原出来，生成,SiO,2,和,Al,2,O,3,，,使得钢中的含氧量不超过,0.01%,（通常是,0.002%,0.003%,），而且钢锭模上大下小，浇注后钢液从底部向上、向中心顺序地凝固，在钢锭上部形成集中缩孔，锻压时将这一部分截去，因而成材率低，成本较高。但这种方法铸成的钢锭内部紧密坚实，因此，重要用途的优质碳钢和合金钢大都是镇静钢。化工压力容器一般也要选用镇静钢。镇静钢的钢锭示意图如,P12,图,1,5,所示。,按脱氧程度分类,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,b.,沸腾钢：,沸腾钢在冶炼时只用弱脱氧剂,Mn,脱氧，脱氧不完全，含氧量为,0.03%,0.07%,，其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，,FeO,C,CO,Fe,放出大量的,CO,气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松，强度差。但这个缺点通过碾压可以得到克服。沸腾钢锭由于没有缩孔处的废弃部分，所以成材率较高，成本低。但沸腾钢锭中的碳含量常有偏析。,按脱氧程度分类,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,c.,半镇静钢,:,半镇静钢介于镇静钢与沸腾钢之间，浇注前在盛钢桶内或钢锭模内加入脱氧剂，锭模也是上小下大，钢锭的特征是具有薄的紧密外壳，头部还有缩孔，钢锭内部结构下半部好像沸腾钢，上半部好像镇静钢。,由于此种钢经部分脱氧，能早期消除模内沸腾，所以钢锭的偏析发展较弱。因而，它的性能也介于镇静钢与沸腾钢之间。同时，这种钢锭头部切除较小，成材率也较高。,按脱氧程度分类,一、黑色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,（,2,）轻金属及其合金,（,3,）其它有色金属及其合金,（,1,）铜及其合金,纯铜（紫铜）、铜锌合金（黄铜）、铜锡合金,（锡青铜）、无锡青铜（铝青铜等）,铝及铝合金、钛及钛合金、镁及镁合金,铅、锡及其合金，锌及其合金，镍、钴及其合金,二、有色金属及分类,化 工 设 备 机 械 基 础,按合金成分分类：,三、钢铁牌号及表示方法,化 工 设 备 机 械 基 础,1,、牌号表示原则,国家标准,GB/T 221,2000,化学元素,化学符号和汉字表示,产品用途、冶炼和浇注方法,汉字和拼音字母表示,（见,P13,表,1-4,）,三、钢铁牌号及表示方法,（,1,）、普通碳素结构钢（,P14,）,这类钢属于普通碳素钢，共有五个钢号，,分别用,Q195,Q215,，,Q235,，,Q255,，,Q275,表示。,碳素结构钢钢号表示方法为：,屈服强度的汉语拼音字首,Q,、屈服强度数值、质量等级符号和冶炼时的脱氧程度等四部分按顺序组成。如：,化 工 设 备 机 械 基 础,2,、钢号表示法,碳钢的质量,分为,A,、,B,、,C,、,D,四个等级。,D,级质量最高，,A,级最低。划分依据是钢中碳、硫、磷的含量、脱氧程度、允许使用的最低温度、以及是否提供冲击功,A,kv,值等。,脱氧程度,以沸腾钢（,F,）最差，半镇静钢,(b),次之、镇静钢（,Z,）脱氧最为完全。镇静钢（,Z,）在钢号中不标符号。,在化工设备制造中,常用的是,Q235-B,和,Q235-C,脱氧程度代号,质量等级,屈服强度值,屈服强度代号,Q235-AF,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,（,2,）、优质碳素结构钢（,P13&P297,附录,2,）,优质钢与普通钢不同之处在于前者含硫磷等有害杂质少，冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，同时保证钢材的化学成分和力学性能，但冶炼成本较高。,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,优质碳钢的牌号仅用两位数字表示，钢号顺序是：,08F,，,10F,，,15F,；,08,，,10,，,15,，,20,，,20g,，,20R,85,；,15Mn,，,20Mn,，,25Mn,70Mn,等。,（,2,）、优质碳素结构钢（,p13,）,a.,钢号中的数字表示钢中平均含碳量的,万分之几,。如,45,号钢，表示其中平均含碳量为,0.45%,。,b.,含锰较高的钢将,Mn,标出，,锰含量,0.7,1.2,（见,P23,）。如,40Mn,c.,浇注方式如为,镇定钢不标出符号,，沸腾钢标出,F,，半镇定钢标出,b,。如,08,、,08F,。,d.,专门用途的钢其牌号末用符号标明。如,g,代表锅炉钢，,R,代表容器钢。如,20g,、,20R,。,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,含义（见,p13,表,1,5,）：,（,3,）、高级优质碳素钢（,p23,）,高级优质碳素钢的硫、磷等有害杂质含量比优质钢更少，均不高于,0.03,。,表示方法是在优质钢号后加字母,A,，如,20A,等。,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,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符号及其含量的,百分数,。当合金元素含量低于,1.5%,时，该元素符号后不注明数字；当合金元素含量在,1.5,2.49,时，可在该元素后注“,2”,。,如,16Mn,，,表示钢中含碳量平均为万分之,16,，含锰量不大于,1.5%,。,又如,09Mn2V,，其含碳量平均为万分之,9,，含锰量,1.4,1.8%,，含钒量,0.04,0.1%,。,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,（,4,）、低合金钢,新标准,GB/T1591,94,规定，低合金钢钢号采用屈服点表示，类似于普通碳素钢的表示方法，见,p15,表,1-9,和,1-10,。,特殊性能钢，如,0Cr18Ni9,（见,P30,）,说明：,这类钢含碳量很低，其含碳量以,千分之几,表示，“,0”,表示含碳量小于,0.08,，“,00”,表示含碳量小于,0.03,。,合金元素含量以,百分计,。,化 工 设 备 机 械 基 础,三、钢铁牌号及表示方法,（,5,）、特殊性能钢,各种钢钢号表示法，见表,1-5,（,P13,）,化 工 设 备 机 械 基 础,四、铸铁和铸钢牌号及表示方法,灰铸铁,HT,球墨铸铁,QT,铸钢,ZG,如：,HT150-330,QT450-1,ZG20Cr13,（自学）,P16,化 工 设 备 机 械 基 础,钢铁牌号及表示方法练习题,P50,习题二,A,组、,B,组、,C,组,第四节 碳钢与铸铁,本节主要内容,一、碳钢和铸铁的化学组成和组织结构,（一）铁及其同素异构转变,(,铁,-,铁,),（二）碳的存在形式,(,固溶体、化合态和单质石墨,),（三）碳钢中的金相组织,二、钢的热处理,三、铸铁,化 工 设 备 机 械 基 础,第四节 碳钢与铸铁,本节教学要求,1,、,掌握,基本概念和术语；,2,、,了解,铁碳合金中不同金相组织的相互转化及其,基本性能特点；,3,、,了解,钢的不同热处理方法的特点及其相应处理后,对钢材性能的影响；,化 工 设 备 机 械 基 础,一、碳钢和铸铁的化学组成和组织结构,第四节,碳钢和铸铁是应用最为广泛的工程材料，它们都是由,95,以上的铁元素、,0.05,4,的碳元素和,1,左右的杂质元素所组成，因此，钢和铸铁又称为,“铁碳合金”,。,一般认为：,钢碳含量为,0.02%,2,；铸铁碳含量为,2,；纯铁碳含量为,910,686MPa,），是一种较粗而硬的组织。,(6),马氏体（,M,artensite,）：,使奥氏体急冷，碳来不及从奥氏体中析出，在,铁中形成过饱和的固溶体即马氏体。在马氏体中，过量的碳原子充塞在,铁的晶格间隙中，引起晶格的胀大和严重畸变，故其硬度极高且脆。马氏体不稳定，加热后容易分解或转变为其它组织。,一、碳钢和铸铁的化学组成和组织结构,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（五）铁碳合金状态图,金属在高温下冷却的过程中，受成分的影响，在不同温度下会形成不同的结晶体，其结晶过程可用图示。,(P21,图,1-12,）,铁碳合金状态图又称合金相图,，它是描述铁碳合金内部组织、成分（含碳量）与温度关系的图形，它能显示不同含碳量的钢和铸铁在,缓慢加热或冷却,过程中组织变化的规律，是研究钢铁性能与组织的基础，对于各种热加工工艺，也具有重要的指导意义。,一、碳钢和铸铁的化学组成和组织结构,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（六）、碳钢中的杂质对其性能的影响 （,p22,）（自学）,1,、锰的影响；,2,、硅的影响；,3,、硫的影响；,4,、磷的影响；,5,、氧的影响；,6,、氮的影响；,7,、氢的影响。,一、碳钢和铸铁的化学组成和组织结构,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（一）热处理的概念,钢材的热处理,就是以消除钢材的某些缺陷或改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却下来的一种操作。,钢的性能取决于其组织结构，要改善钢的性能就需要改变钢的组织结构。钢的组织结构与其化学成分及所经历的热处理过程（即加热和冷却过程）有关。,二、钢的热处理,第四节,时间,加热,保温,冷却,温度,化 工 设 备 机 械 基 础,（二）常用热处理操作,1,、退火和正火,2,、淬火和回火,3,、化学热处理,二、钢的热处理,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,1,）退火：,是将工件加热至某一温度（临界点以上），保温一段时间，然后随炉或埋入沙中缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。,退火的功能是：,退火可以消除冷加工硬化，恢复材料的良好塑性；可以细化铸焊工件的粗大晶粒，改善工件的机械性能；可以消除残余应力，防止工件变形；可以使高碳钢中的网状渗碳体球化，降低材料硬度，提高塑性，便于切削加工。,（,2,）正火：,正火与 退火的不同之处是在空气中冷却，冷却速度较快。经过正火处理的工件较退火处理硬度和强度要高。,二、钢的热处理,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,2,、淬火和回火,（,1,）淬火：,将工件加热至淬火温度（临界点以上,30,50,），并保温一段时间，然后投入淬火剂中迅速冷却的一种热处理工艺。常用的淬火剂有：空气、油、水、盐水，其冷却能力依次增加。碳钢一般在水和盐水中淬火，合金钢因导热性能差，为防止过高应力，一般在油中淬火。碳钢淬火后得到淬火马氏体，可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。,（,2,）回火：,回火是工件淬火后进行的较低温度下的加热和冷却。回火可以降低或消除工件淬火后的内应力。使金相组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。回火处理有以下几种：,低温回火、中温回火和高温回火,。,二、钢的热处理,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,3,、化学热处理,将零件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却等过程，使介质中的某些元素渗入零件表面，改善表面层的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某种特殊性能。,化学热处理有,：,渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、渗铝、氰化等，其中渗碳或碳氮共渗（氰化），可提高零件的耐磨性；渗铝可耐热抗氧化性；渗氮、渗铬可提高耐磨性等。,二、钢的热处理,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,1,、铸铁的化学成分,铸铁中的碳和硅较钢高，硫磷杂质的控制也比钢要松。铸铁的一般组成为：,C,，,2,4.5%,；,Si,，,0.5,3.5%,；,Mn,，,0.5,1.5%,；,P,，,0.1,1.0%,；,S0.15%,。,2,、铸铁的组织结构,铸铁是由钢的基体（金属基体）与散布在其中的石墨（非金属）所组成。石墨在基体中的数量、形状和分布状态对铸铁的性质有巨大的影响。,三、铸铁,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,1,）灰口铸铁（,HT,）,碳大部分或全部以自由状态的,片状石墨,形式存在，断口呈灰色。由于片状石墨对金属基体的割裂较为严重，所以灰口铸铁的机械强度较低。,灰口铸铁的“长大”现象,所谓“长大”是指灰口铸铁在超过,300,400,以上的温度下长期使用时，体积发生膨胀的现象。,原因是：,三、铸铁,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,a),氧气沿石墨的缝隙渗入铸铁内部与,Si,发生氧化反应，所生成的,SiO,2,体积变大；,b),铸铁中渗碳体不断分解，生成的石墨比渗碳体的体积大,3.5,倍。,铸件一旦发生长大现象，机械性能便会急剧下降，零件发生翘曲，不能继续使用。,三、铸铁,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,2,）球墨铸铁,(QT),：,球墨铸铁的组织特征是,石墨呈球体,。通常在浇铸前，向铁水中加入少量球化剂（如镁、钙、稀土元素等）、石墨化剂（如硅铁、硅钙合金），以促进碳以球状石墨结晶存在。,球墨铸铁在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，其综合机械性能接近于钢，是目前性能最好的铸铁。,三、铸铁,第四节,化 工 设 备 机 械 基 础,第五节 低合金钢及化工设备用特种钢,一、合金元素及其对钢性能的影响,二、低合金钢,三、锅炉钢和容器钢,四、不锈钢,五、耐热钢,六、低温用钢,七、钢材的品种规格,化 工 设 备 机 械 基 础,一、合金元素及其对钢性能的影响,第五节,在碳钢中加入数量不等的其他元素以改善钢的性能，这些人为加入的元素就称为合金元素，所生产的钢就称为合金钢。按合金元素加入量的多少，将合金钢分为：,低合金钢,（合金元素总量,10,）,常用的合金元素有：,Cr,、,Mn,、,Ni,、,Si,、,B,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Al,、稀土元素等。它们改善钢性能的作用各不相同，详见教材,p28,。,化 工 设 备 机 械 基 础,低合金钢,中常用的合金元素有：铬,(Cr),、锰,(,Mn,),、镍,(Ni),、硅,(Si),、硼,(B),、钨,(W),、钼,(Mo),、矾,(V),、钛,(Ti),和稀土元素铌,(,Nb,),等。,低合金钢中大部分合金元素的含量低于,1,，只有少数低合金钢，其合金元素含量达,2,5,。,二、,低合金钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,低合金钢的应用：,P29,（一）锅炉钢,锅炉钢有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管主要用于锅炉及某些换热设备的受热面（如过热器、再热器和水冷壁管等）和蒸汽管道。锅炉钢板则常用于锅炉 和其他压力容器的承压壳体。在钢号后有符号,g,，如,20g,。,（二）容器钢,由于化工生产所用容器与设备的操作条件比较复杂，再加上制造技术要求严格，因而对压力容器用钢板有比较严格的要求，并制定了相应的国家标准,GB150,1998,，强制执行。容器钢在钢号后有符号,R,，如,20R,、,16MnR,。,三、,专用钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,不锈钢是在空气、水及一些弱酸性介质中能抵抗腐蚀的合金钢。不锈耐酸钢是在酸和其他强烈腐蚀性介质中能抵抗腐蚀的合金钢。习惯上将这两种钢,统称为不锈钢,。,1,、不锈钢中的主要合金元素,主要为铬、镍、钛、钼，其中铬和镍的含量较高，对合金的组织有强烈的影响。,四、不锈钢与不锈耐酸钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,1,）铬：,在不锈钢中起耐蚀作用的主要是铬元素。铬能在氧化性介质中生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用。当铬含量达到,11.7%,时，耐蚀性才会显著提高，含铬越多，耐蚀性越好。为了确保钢的耐蚀性，实际应用的不锈钢中铬含量均不低于,13%,。,（,2,）镍：,镍可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力；镍可以扩展,g,相区，使钢材具有奥氏体组织，不仅提高钢的强度，同时又保持良好的塑性和韧性。镍可以提高钢材的热强度。镍是广泛应用的合金元素。,四、不锈钢与不锈耐酸钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,3,）钼：,钼能提高抗氯离子的腐蚀能力；钼可以提高钢的耐热强度。,（,4,）钛：,在不锈钢中起稳定碳的作用，可防止高碳不锈钢发生晶间腐蚀。,四、不锈钢与不锈耐酸钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,（,1,）铬钢,铬钢是不锈钢的一类，含铬,13,28,。由于钢中存在碳元素，碳与铬会生成碳化物，使钢中有效铬含量降低，会产生晶间腐蚀而降低其耐蚀性。故不锈钢中的碳含量均较低。常用的铬钢钢号有：,0Cr13,，,1Cr13,，,0Cr17Ti,等。,四、不锈钢与不锈耐酸钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,2,、常用不锈钢,常用不锈钢,主要有铬钢和铬镍钢。,（,2,）铬镍钢 （,P31,）,为了改变钢材的组织结构，扩大铬不锈钢的耐蚀范围，可在铬钢中加入镍，构成铬镍不锈钢，,简称铬镍钢,。,铬镍钢的典型钢号有,1Cr18Ni9Ti,，其中含碳小于,0.14%,，含铬,17,19%,，含镍,8,11%,。故过去常用铬镍的平均含量,“,18,8”,作为这种钢的代号。这种钢根据碳含量分为高碳级（,C 0.08%,）、低碳级（,C=0.08,0.03%,）和超低碳级（,C=0.01,0.03%,）。其在钢号中分别用,1,、,0,和,00,表示。如,0Cr18Ni9,，表示该钢是低碳级的，其碳含量在,0.08,0.03%,的范围内。,四、不锈钢与不锈耐酸钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,普通钢只能在低于,400,的温度下工作，而在实际生产中，许多化工过程的温度在,650,800,，因此，这种设备只能用耐热钢制造。,钢的,耐热性通常包含两种含义，,一是热安定性,(,化学稳定性,),，指的是金属对高温气体（,O,2,、,H,2,S,、,SO,2,、,H,2,等）腐蚀的抵抗能力；,二是抗热性（热强度）,，指的是金属在高温下对机械载荷的抵抗能力。抗热性，蠕变。,通常在钢中熔入,Cr,、,Al,、,Si,等可提高热安定性；熔入,Ni,、,Mn,、,Al,、,Cr,、,W,、,V,等提高高温强度。,五、耐热钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,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）处于低温状态下工作。由于普通碳钢在低温下（,20,以下）变脆，冲击韧性显著下降。因而，低温设备必须采用能承受低温的金属材料来制造。,对低温用钢的基本要求是：,具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性,。,为了保证这些性能，低温钢的含碳量应尽可能低，其平均含碳量为,0.08,0.18%,，以形成单相铁素体组织，再加入适量的,Mn,，,Al,，,Ti,，,Nb,，,Cu,，,V,，,N,等元素以改善钢的综合机械性能。,六、低温用钢,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,钢材的品种有,板材、管材、型钢、铸钢和锻钢,。,1,、钢板,我国供应的钢板有热轧与冷轧薄钢板（,4mm,）和热轧厚钢板（,4mm,）两种。,钢板的规格尺寸见,p322,附录,10,。钢板的厚度规格如下表所示。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,对制造压力容器用钢板的要求,对于压力容器，钢板的使用有如下要求：,(1),必须用规定的钢板制造压力容器,有两类，一类是压力容器专用钢板，有碳素钢中的,20R,和,20HP,（焊接气瓶用钢板）；另一类是非容器专用钢板，有碳钢中,Q235,B,、,Q235,C,，优质碳钢中的,10,、,15,、,20,、,20g,，此外，船体用钢板中的,A,级板和,B,级板也可分别代替,Q235,A,和,20R,用来制造压力容器。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,(2),钢板必须按规定的限制条件使用,如厚度、使用温度和压力、盛装介质毒性等项要求，可查阅有关标准。,(3),钢板必须符合有关标准中规定的质量指标，并出具质量证明书。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,2,、管材,钢管分为有缝的,焊管,和热轧或冷拔的,无缝钢管,两类。有缝钢管适用于输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力（,0.6MPa,）的流体。材料可用,Q195,、,Q215,、,Q235,制造。无缝钢管主要用于各种化工设备和较高压力的流体输送中。普通无缝钢管常用的材料有,10,、,15,、,20,、,16Mn,等。此外还有专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、化肥用高压无缝钢管、石油裂化用无缝钢管、锅炉用无缝钢管等。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,3,、型钢,（,1,）圆钢和方钢,Q235,AF,、,20,、,25,、,45,及合金钢，主要用来制造各种轴件；,（,2,）扁钢,有,Q235A,、,Q235,AF,、,20,及,16Mn,等，常用作各类桨叶。,（,3,）角钢、工字钢及槽钢,有,Q235A,、,Q235,AF,、及,16Mn,等，可做各类设备的支架、塔盘支承及各类加强结构。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,4,、锻件,化工设备上的法兰、平板封头、整体锻件补强接管以及大尺寸的紧固件均可使用锻件。凡是需要焊接的锻件材料使用,20,，不需焊接的使用,35,或,45,。,七、钢材的品种和规格,第五节,化 工 设 备 机 械 基 础,自学,第六节 有色金属材料第七节 非金属材料,化 工 设 备 机 械 基 础,第八节 化工设备的腐蚀及防腐措施,本节要点：,1,、金属腐蚀的种类,2,、几种常见的腐蚀形式,3,、金属设备的防腐措施,化 工 设 备 机 械 基 础,（一）腐蚀的定义,腐蚀,是指金属在周围介质（最常见的是液体和气体）作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏作用。,一、金属腐蚀的定义及腐蚀的评定方法,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,这种方法只能用于均匀腐蚀，并且只有当能很好地除去腐蚀产物而不致损害试件主体金属时，结果才能准确。,一、金属腐蚀的定义及腐蚀的评定方法,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,（二）金属腐蚀的评定方法,（,1,）根据,重量变化,评定金属的腐蚀,根据金属试件在单位表面积、单位时间内因腐蚀而引起的,重量变化,作为金属腐蚀速度的指标。,（,2,）根据,腐蚀深度,评定金属的腐蚀,根据重量变化表示腐蚀速度时，没有反映出金属的密度，因此，当重量损失相同时，密度的差异将导致金属减少的截面尺寸不同。在使用上更多地采用金属厚度的变化即,腐蚀深度,来表示腐蚀速度。,一、金属腐蚀的定义及腐蚀的评定方法,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,按,腐蚀深度,评定金属耐蚀性能，见下表：,金属腐蚀的三级标准表,耐蚀性能 腐蚀速度，,mm/a,腐蚀级别,耐 蚀,1.0 3,一、金属腐蚀的定义及腐蚀的评定方法,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,（一）化学腐蚀,（二）电化学腐蚀,（三）物理腐蚀,二、金属腐蚀的种类,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,（一）化学腐蚀,金属与介质之间发生,纯化学作用,而引起的腐蚀，主要包括金属与干燥的气体和非电解质溶液发生的化学作用。化学腐蚀的产物在金属的表面上，腐蚀过程中,没有电流产生,。实际上单纯的化学腐蚀是较少见的。,常见的化学腐蚀有,高温氧化及脱碳,和,氢腐蚀,。,二、金属腐蚀的种类,第八节,化 工 设 备 机 械 基 础,金属的高温氧化及脱碳是一种高温下的气体腐蚀。,二、金属腐蚀的种类,第八节,在,57