APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA

APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA

-

3. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

Wykład dla kierunku Ochrona Środowiska

Wrocław, 2015 r.

Materiały do budowy aparatury procesowej

Do budowy aparatury procesowej wykorzystać można:

• materiały

̶ stale,

̶ metale nieżelazne i ich stopy,

• materiały

̶ polimery,

̶ tworzywa ceramiczne,

̶ szkło,

̶ grafit,

̶ inne (np. drewno),

• materiały

Stal ̶ stop

z

(zawartość węgla

ewentualnie z innymi pierwiastkami.

Masowa produkcja stali polega na:

• produkcji surówki wprocesie wielkopiecowym,

• utlenianiu surówki (świeżeniu) ̶ usuwaniu zanieczyszczeń (C, Si, Mn, P, S).

Podstawowe rudy żelaza:

1) magnetyty (Fe₃O₄), 2) hematyty (Fe₂O₃),

3) limonity (2Fe₂O₃x 3H₂O), 4) syderyty (FeCO₃).

Stale

Ogólny podział gatunków stali

STAL WĘGLOWA

konstrukcyjna

zwykłej jakości

wyższej jakości

najwyższej jakości

narzędziowa o szczególnych właściwościach fizycznych

STOPOWA

konstrukcyjna narzędziowa o szczególnych właściwościach fizycznych

do pracy w podwyższonych temperaturach odporne na korozję

żaroodporne i zaworowe o specjalnych

Stal węglowa

Stal węglowa (niestopowa konstrukcyjna) ̶ obejmuje gatunki, w których najmniejsze zawartości

nie przekraczają (w %):

Mn ̶ 0,8, Si ̶ 0,4, Ni ̶ 0,3, Cr ̶ 0,3, W ̶ 0,2, Co ̶ 0,2, Cu ̶ 0,2, Al ̶ 0,1, Mo ̶ 0,05, V ̶ 0,05, Ti ̶ 0,05 i nie zawierają innych, celowo dodanych składników.

Rodzaje:

• stale niskowęglowe (do 0,25 % C),

• średniowęglowe (0,25 ̶ 0,6 % C),

• wysokowęglowe (> 0,6 % C).

Stal stopowa

Stal stopowa ̶ obejmuje gatunki, w których zawartość chociażby jednego z wymienionych uprzednio

jest równa lub większa od podanych.

Podział w zależności od dominującego udziału pierwiastka stopowego: np.

stale chromowe, niklowe, manganowe, chromowo-niklowe, chromowo-molibdenowe, manganowo-chromowe, niklowo- chromowo-molibdenowe, itp.

Stal w budowie aparatów procesowych

W budowie aparatury procesowej największe zastosowanie znajdują stale o szczególnych właściwościach, w tym

oraz odporne na korozję:

• stale nierdzewne;

• stale kwasoodporne.

Podział według budowy strukturalnej:

• stale austenityczne,

• stale ferrytyczne,

• stale martenzytyczne,

• stale duplex (ferrytyczno-austenityczne).

Stal nierdzewna

Stale nierdzewne:

•

• odporne na korozję ze strony czynników atmosferycznych (korozja gazowa), rozcieńczonych kwasów organicznych, r-rów alkalicznych (korozja w cieczach);

• odporność na korozję zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości Cr i zwiększa się wraz ze zmniejszeniem zawartości C;

• nie są odporne na większość kwasów nieorganicznych, stężonych r-rów kwasów organicznych isoli kwaśnych;

• zastosowanie: zbiorniki i cysterny, kolumny

Stal kwasoodporna

Stale kwasoodporne:

• zasadniczo stale chromowo-niklowe (o zawartości Cr=17-20 %, Ni=8-14 % i o możliwie najmniejszej zawartości węgla);

• inne dodatki stopowe (np. Ti, Mo, W, Mn) zwiększają odporność na działanie szczególnego środowiska;

• odporne na działanie kwasów organicznych i większości kwasów nieorganicznych (z wyjątkiem HCl i H₂SO₄);

• zastosowanie: zbiorniki kwasów, wymienniki ciepła, instalacje w przemyśle nawozów sztucznych, farbiarskim, farmaceutycznym, chemicznym, spożywczym.

Stal żaroodporna

Stale żaroodporne:

• odporne na korozyjne działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach;

• zasadniczo stale chromowo-niklowe (o zawartości C=0,1-0,4 %, Cr=13-30 %, Ni=1-20 %);

• żaroodporność zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości Cra obecnośćNi podnosi wytrzymałość;

• w celu zwiększenia wytrzymałości dodawany jest Mo (0,5-1,0 %) lub W (do ok. 2 %);

• dodatki, takie jak Si (do 3 %) lub Al (do 5 %) podnoszą odporność na utlenianie;

• zastosowanie: elementy pieców, kotłów parowych, wentylatory do gorących gazów, komory spalania, szyny.

Metale nieżelazne: miedź i jej stopy

Miedź

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne;

• dobraodporność na korozję;

• łatwość przetwarzania;

• zastosowanie: radiatory i wymienniki ciepła, kataliza- tory, instalacje wodociągowe, gazowe i ogrzewcze.

Stopy miedzi:

• mosiądz ̶ stop z cynkiem (Zn=5-45 %); dodatki Pb, Sb, Al polepszają właściwości antykorozyjne;

• brąz ̶ stop z cyną (Sn=2-13 %); twardszy, bardziej wytrzymały i bardziejodporny na korozję od mosiądzu;

• stopy z niklem (Ni=5-30 %); odporne na korozję w solance i wwodzie morskiej.

Metale nieżelazne: nikiel i jego stopy

Stopy niklu:

• stopy o dużej zawartości Ni zapewniają odporność na korozję iwytrzymałość w wysokiej temperaturze;

• stopy z Cu charakteryzują się większą odpornością na warunki redukujące niż sam Ni i bardziej niż Cu są odporne na środowisko utleniające;

• odporne na wodę morską;

• odporne na kwas fluorowodorowy;

• zastosowanie: grzejne elementy oporowe, elementy maszyn pracujących w styczności z agresywnymi substancjami, np. łopatki turbin parowych.

Metale nieżelazne: aluminium i stopy

Aluminium:

• duża plastyczność; mała gęstość (metal lekki);

• dobreprzewodnictwo cieplne i elektryczne;

• stopy z miedzią (Cu=2,5-5,5 %), Mg, Mn mają dobrą odporność na korozję (środowiska utleniające, mieszaniny alkoholi z wodą, aldehydy, niektóre kwasy organiczne, tłuszcze,oleje,wodę utlenioną, H₂S);

• nie są odporne na alkalia, niektóre kwasy (HF, HCl), jony Hg;

• zastosowanie: elementy grzejne, tłoki i cylindry silników, zbiorniki ciśnieniowe, instalacje sprężonego powietrza.

Inne metale nieżelazne

Ołów:

• duża ciągliwość;

• dobre właściwości odlewnicze;

• może być spawany i lutowany;

• stosowany do budowy rurociągów i aparatury odpornej na kwasy.

Metale trudnotopliwe i ich stopy (W, Ti, Ta, Zr, Mo,

• dobra wytrzymałość mechaniczna w wysokiej temperaturze;

• odporne w środowiskach korozyjnych i utleniających wobec wielu agresywnych chemicznie substancji.

Materiały niemetalowe - polimery

Polimery:

• mała gęstość,

• właściwości antykorozyjne,

• odporność chemiczna (zależna od rodzaju związku!),

• stosowane do budowy zbiorników, rurociągów, uszczelnień.

Przykłady:•polichlorek winylu (PCW, ang. PVC–polyvinyl chloride),

• polietylen (PE, ang. polyethylene),

• polipropylen (PP, ang. polypropylene),

• polistyren (PS, ang. polystyrene),

• politetrafluoroetylen (PTFE, ang. polytetrafluoroethylene, Teflon^®),

• polifluorek winylu (PVF, ang. polyvinyl fluoride, Tedlar^®).

Materiały niemetalowe - szkło

Szkło:

• borokrzemowe i krzemowe stosowane w laboratoriach i w przemyśle do wyrobu rur, zbiorników i aparatów procesowych;

• odporne na korozję i naprężenia termiczne;

•

i

• szkło krystalizowane używane w aparatach

wymagających większej odporności na uderzenia.

Materiały niemetalowe - ceramika

Tworzywa ceramiczne:

• cement, kamień, tlenki metali, węgliki metali, azotki;

• duża odporność na ścieranie i korozję, również w wysokiej temperaturze;

• stosowane do wyrobu elementów jako odlewy lub w postaci wykładzin (cegły, płytki, kształtki);

• stosowane do wyrobu wypełnień kształtkowych (np.

pierścieni) wymienników masy (kolumny absorpcyjne, kolumny rektyfikacyjne).

Materiały niemetalowe - grafit

Grafit:

• stosowany gdy wymagana jest duża odporność korozyjna w wysokiej temperaturze;

• stosowany jako tworzywo konstrukcyjne i wykładzina;

• stosowany do budowy wymienników ciepła.

Materiały kompozytowe

Kompozyty: •

• złożone są z osnowy (matrycy), w której osadzone są włókna lub ziarna (wzmocnienie/zbrojenie);

• osnową mogą być metale, ceramika i tworzywa sztuczne (np. estry winylowe, żywice epoksydowe);

• fazą zbrojącą mogą być cząsteczki/ziarna zbrojące (np.

tlenki metali, węgliki, grafit) lub włókna (np. włókna szklane, włókna grafitowe, włókna metalowe, włókna z tworzyw sztucznych);

• charakteryzują się dużą odpornością korozyjną;

• stosowane do wyrobu rurociągów i zbiorników, kolumn, wymienników ciepła, pomp, wentylatorów.