化工设备机械基础课件

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管壳式换热器的机械设计

*第一节换热器概述一、定义

换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？*3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省

*三、不同目的的换热器

冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）四、换热器的基本类型*按传热方式或工作原理分类1、直接接触式传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间图7-1直接接触式换热器热流体冷流体热流体冷流体*2、蓄热式温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大图7-2蓄热式换热器冷流体冷流体热流体热流体*3、间壁式重点——又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等*对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式(1)管式(2)紧凑式螺旋板式、板式、板翅、伞板等排管、蛇管、套管重点下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构*管壳式换热器

*图7-3换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？*固定管板式换热器

浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器五、管壳式换热器的分类

基本类型*（一）固定管板式换热器优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。图7-4固定管板式换热器结构三维图*为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图7-5带膨胀节的固定管板式换热器适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。*（二）浮头式换热器优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。图7-6浮头式换热器fts1.rmfts2.rm*图7-7浮头结构沟圈与浮头管板连接*U形管式换热器*U形管式换热器*动画*（三）U形管式换热器图7-8

U型管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。*（四）填料函式换热器优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。

缺点：填料处易泄漏。适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。填料函式密封图7-9填料函式换热器*（一）工艺计算

六、管壳式换热器设计内容

选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数

。（二）机械设计

1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。*课堂提问说出换热器类型固定管板式换热器浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器*第二节管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用

（一）直径

粘性大或污浊的流体大管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体小管径*（二）规格

（外径×壁厚），长度按规定决定

换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。*（三）结构型式

换热管型式光管强化传热管螺旋槽管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）

多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。*图7-10几种异形管（a）扁平管（b）椭圆管（c）凹槽扁平管（d）波纹管*图7-11纵向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整体式外翅片管（c）镶嵌式外翅片管（d）整体式内外翅片管*图7-12径向翅片管图7-13螺纹管*（四）材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等*二、管子与管板的连接

（一）胀接

利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。

图7-14胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后*液压胀管器*液压胀接

*机械胀接

*适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，且无特殊要求的场合。原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。*图7-15胀管连接结构及尺寸*（二）焊接

优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。图7-16焊接间隙示意图管板间隙换热管*图7-17焊接接头的结构(a)c(c)(b)(d)*（三）胀焊并用胀焊并用连接主要有：强度焊＋贴胀………………先焊后胀强度胀＋密封焊………………先胀后焊概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度；贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。

*第三节管板结构一、换热管排列方式

三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。（一）正三角形和转角正三角形排列

图7-18正三角形排列的管子流体流动方向流体流动方向正三角形排列转角正三角形排列**（二）正方形和转角正方形排列

管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。图7-19正方形排列的管子流体流动方向流体流动方向转角正方形排列正方形排列*（三）组合排列法

在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图7－20。图7-20组合排列法*二、管间距

（一）定义（二）要求管间距指两相邻换热管中心的距离。管间距≥1.25d0，符合表7-5规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。*表7-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772

最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于[(换热管外径的一半)＋10mm]。*三、管程的分程及管板与隔板的连接

当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。（一）分程原因

*（二）分程原则

（三）分程隔板

图7-21双层隔板与管板的密封①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形状应简单。图7-22单层隔板与管板的密封隔板管板封头隔板管板*（四）分程方式

表7－2管程布置表*五、管板与壳体的连接结构（一）不可拆的焊接式

固定管板式换热器管板与壳体的连接兼做法兰不兼做法兰*图7-23-02兼作法兰时管板与壳体的连接结构*图7-23-03兼作法兰时管板与壳体的连接结构

焊接**通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊又分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊等。化工装置焊接的构件量约占75％左右。

第一节电弧焊利用电弧热量加热并熔化金属进行焊接一、焊接电弧一种强烈的持久的气体放电现象。在一定的电场作用下，将电弧空间的气体介质电离，带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。**引燃电弧：接触引弧和非接触引弧。手工电弧焊采用接触引弧。瞬时接触短路使接触点上电流密度相当大；氧化皮电阻大产生热，使金属熔化蒸发。焊条提起，空间内充满了金属蒸气和空气，其中某些原子可能已被电离。刚拉开瞬间，阴极发射电子。气体介质被撞击电离,电弧温度进一步升高,开始引燃。维持一定电压，连续放电，电弧连续燃烧。

**非接触引弧一般借助于高频或高压脉冲引弧装置，使阴极表面产生强场发射，电子流与气体介质撞击，使其离解导电**阴极区温度2400K左右，放热量38％；阳极区温度2600K左右，热量占42％；弧柱区中心温度达5000－8000K，热量占20％左右。二、手工电弧焊设备简单,操作灵活,对不同位置、不同接头焊缝均能方便焊接，目前仍广泛使用。**短路，随即分开（约2－4mm）引燃电弧。电弧下工件熔化构成一个半卵形熔池。药皮熔化,气体隔绝空气,免于氧、氮侵害；溶渣,喷向熔池或与焊芯熔滴喷向溶池。**在电弧及熔池中，液态金属、熔渣和电弧气体间发生某种物理化学变化，熔池内气体和渣上浮。电弧移去,温度降低，金属和渣凝固,结晶连接。渣壳脱落露出带鱼鳞纹状的金属焊缝。**交流电焊机实质上是一种特殊的变压器，将工业用电的电压降低。瞬时熄弧、重新引弧和再次稳定燃烧，交流电弧稳定性较差。但因结构简单、维修方便、造价低廉和省电等优点，所以广泛采用

**直流电焊机又分为旋转式直流电焊机和硅整流式直流电焊机。前者成本高、噪音大、重量大、维护不方便。硅整流式直流电焊机结构简单，已逐渐替代旋转式直流电焊机。电弧持续而稳定，焊缝质量容易保证。**焊条接负极、工件接正极时为正接法；反之为反接法。一般用碱性低氢型焊条（如J507），为使电弧稳定燃烧，规定用直流反接法；用酸性焊条（如J422）焊接厚钢板时，用正接法，因为阳极部分温度高于阴极部分，用正接法可得到较大的熔深；焊接薄钢板及有色金属采用反接法。**三、埋弧自动焊引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械完成。**30－50mm厚的粒状焊剂，电弧热量使焊丝、工件和焊剂溶化，形成金属熔池，使它们与空气隔绝。低碳钢用H08A，配高锰高硅型焊剂HJ431**埋弧自动焊的主要优点是：1）生产率高用大电流，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对接焊可不开坡口,不留间隙，填充金属少2）焊缝质量高保护完善，杂质较少，易获得稳定高质量的焊缝。3）劳动条件好没有弧光辐射，劳动条件较好。最常用。适于批量大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。**埋弧自动焊的不足之处1)不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；2)工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；3)由于埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，必须严格控制焊接规范。**四、氩弧焊氩气的电离势较高，引弧较困难，常借用高频振荡器产生高频高压电引弧。氩气的散热能力较低，一旦引燃后，能较稳定地燃烧。氩弧焊按所用的电极不同分为两种：非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊。

**1、非熔化极氩弧焊（TIG焊）电极只发射电子、产生电弧，本身不熔化，常用熔点较高的钍钨棒或铈钨棒作为电极，又叫钨极氩弧焊。可以用手工进行，也可以自动进行。**非熔化极氩弧焊（TIG焊）防止电极熔化和烧损，电流不能过大，常用于焊接4mm以下的薄板，管子对接、管子与管板的连接**2、熔化极氩弧焊（MIG焊）焊丝为电极，焊接电流可大大提高，适用于中、厚板焊接，如化工容器筒体的焊接。焊接过程可采用自动或半自动方式

**金属熔滴沿焊丝轴向高速喷射入溶池。不短路，电弧燃烧稳定，无飞溅，焊缝成形好，熔透深度增加，用于焊接厚度为3mm以上的金属。焊接成本高。焊接易氧化的有色金属、稀有金属、高强度合金钢及一些特殊用途的高合金钢（不锈钢、耐热钢）。

**近三十年来，发展了钨极、熔化极脉冲氩弧焊，扩大了应用范围。用可控的脉冲电流代替连续电流，控制电弧能量，精确控制熔池体积、焊缝熔深及溶滴过渡等，可焊接薄板或超薄板构件。直流脉冲TIG焊可焊小至0.1mm的薄板。**第二节焊接接头和坡口形式对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头一、对接接头容易焊透，受力情况好，应力均匀，联接强度高，焊接接头质量容易保证。坡口的主要作用是保证焊透****X形坡口可减少焊条金属量二分之一，变形及内应力小较重要的焊接结构用U形坡口**等厚度焊接，避免焊不透或烧穿；薄板≤10mm，两板厚度差≥3mm；薄板>10mm而厚度差大于薄板30％，或超过5mm时，削薄厚度边缘。二、T形接头和角接接头分不开坡口、单边和双边V形及K形坡口**应力不均，焊缝根部有较大应力集中，

**三、搭接接头不开坡口,均属角焊缝,分端焊缝和侧焊缝****第三节焊接材料一、手工电弧焊用焊接材料电焊条：内部钢芯和外侧药皮1、钢芯主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。**2、药皮又称为涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。**药皮中各种组分作用：1）稳弧剂：凡易电离的物质均能稳弧。用碱金属及碱土金属化合物，碳酸钾、碳酸钠、大理石等。2）造渣剂：形成溶渣，覆盖熔化金属表面，保护熔池及改善焊缝成形3）脱氧剂：降低含氧量，提高机械性能。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁。4）造气剂：高温下分解出气体，保护电弧及熔池，防止空气中氧和氮侵入**药皮中各种组分作用：5）合金剂：补偿合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝的化学成分及性能等。6）增塑润滑剂：增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，减小偏心度。7）粘接剂：使药皮粉料在压涂过程中有一定粘性，与焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的强度。**3、电焊条的分类（1）按用途分****（2）按熔渣的碱度分类酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条焊接工艺性好，成形整洁,去渣容易，不易产生气孔和夹渣。但药皮氧化性强使合金元素烧损大,机械性能（冲击韧性）比较低。酸性焊条一般均可用交直流电源。典型的酸性焊条是J422。**碱性焊条焊接的焊缝机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结构的焊接。氟化物粉尘有害，应加强现场的通风排气，以改善劳动条件。典型的碱性焊条有J507。**（3）按焊条药皮主要成分分类当药皮中含有30％以上的二氧化钛及20％以下的钙、镁的碳酸盐时，就称为钛钙型。****4、电焊条牌号与型号(1)焊条牌号是焊条产品的具体命名。根据主要用途及性能特点命名。每种产品只有一个牌号，但多种牌号可同时对应于一种型号。焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。**结构钢焊条牌号J422，中“J”表示结构钢焊条,按用途分第一、二位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度等级（用MPa值的1/10表示），末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类****奥氏体铬镍不锈钢焊条牌号A132中“A”表示奥氏体不锈钢焊条；第一、第二位数字表示焊缝金属主要化学成分组成末位数字表示药皮类型和焊接电源种类**（2）焊条型号是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条型号根据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分。**碳钢焊条型号E4315中“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa值的1/10；第三位数字表示焊条焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。**常用焊条a.E4303、E5003焊条钛钙型。主要用于较重要的碳钢结构。b.E4315、E5015焊条低氢钠型，主要用于重要的低碳钢结构及低合金钢结构，也被用于焊接高硫钢和涂漆钢c.E4316、E5016型焊条低氢钾型，电弧稳定，主要用于重要的低碳钢结构与低合金钢结构。**低合金钢焊条型号如E5018－A1，后缀字母为熔敷金属的化学成分分类代号**不锈钢焊条型号E308－15，字母E表示焊条，“E”后面数字表示熔敷金属化学成分分类代号，短划“-”后面的两位数字表示焊条药皮类型、焊接位置及焊接电流种类******二、埋弧焊用焊丝和焊剂焊丝牌号与优质碳素钢钢号的表示方法类似，前面加上“H”。强度钢用焊丝牌号如H08、H08A、H10Mn2。若牌号最后带有A字，表示为S、P含量较少的优质焊丝。**国产焊剂依据化学成分分类，在牌号前面加HJ，如HJ431。第一位数字表示氧化锰的平均含量，如“４”表示含MnO>30％；第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“３”表示高硅低氟型（SiO2>30%,CaF2<10%）；末位数字表示同类焊剂的不同序号。**（GB5293-85）规定焊剂型号：HJ401－H08A的焊剂，用H08A焊丝按本标准，抗拉强度为412－550MPa，屈服强度不小于330MPa，伸长率不小于22％，在0℃时冲击值不小于34.3J/cm2

。**三、焊条、焊丝及焊剂的选用焊缝机械性能与基体金属一致；其次，在化学成分方面接近基体还应根据焊接位置及板厚确定药皮类型。常用钢号查表2-15，不同钢号相焊接查表2-16**第四节焊接缺陷与焊接质量检验一、焊接缺陷1、焊接变形应力超过屈服极限产生焊接变形；超过强度极限会出现裂缝。**2、焊缝的外部缺陷（1）焊缝增强过高坡口的角度开得太小或焊接电流过小应力集中，为提高疲劳寿命，要求将焊缝的增强高铲平。**（2）焊缝过凹焊缝工作截面减小使接头处强度降低。（3）焊缝咬边**在工件上沿焊缝边缘形成凹陷。减少工作截面，并造成严重应力集中。（4）焊瘤对静载强度无影响引起应力集中，使动载强度降低。（5）烧穿**部分熔化金属从焊缝反面漏出，甚至烧穿成洞，使接头强度下降。3、焊缝内部缺陷（1）未焊透应力集中严重，降低强度，开裂根源。（2）夹渣减少工作截面，造成应力集中，降低焊缝强度和冲击韧性。（3）气孔减少有效工作截面，降低机械强度。（4）裂纹热裂纹和冷裂纹**热裂纹是由液态到固态结晶中产生焊缝中存在低熔点物质（FeS），受到较大的焊接应力，容易在晶粒之间引起破裂。焊件及焊条内含S、Cu等杂质多时，容易产生热裂纹。热裂纹有沿晶界分布的特征。**冷裂纹是冷却过程中产生，由于热影响区或焊缝内形成了淬火组织，在高应力作用下，引起晶粒内部的破裂，焊接含碳量较高或合金元素较多的易淬火钢材时，最易产生冷裂纹。焊缝中熔入过多的氢，也会引起冷裂纹。还有再热裂纹等裂纹是最危险的一种缺陷，一般不允许存在，一经发现须铲去重焊。**二、焊接检验外观检查、无损探伤和机械性能试验（水压与气压试验），以无损探伤为主。1、外观检查肉眼或用5－20倍放大镜观察。可发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。焊缝的外形尺寸还可采用焊口检测器或样板进行测量。**2、无损探伤内部夹渣、气孔、裂纹等缺陷用X射线检验，还有超声波探伤和磁力探伤。X射线检验是利用X射线对焊缝照相,根据底片影像判断内部缺陷。再根据技术要求评定是否合格。**超声波探伤超声波探伤比X光照相简便，广泛应用。只凭经验判断，而且不能留下检验根据。对于离焊缝表面不深的内部缺陷和表面极微小裂纹，还可采用磁力探伤。**3、水压试验和气压试验1.25－1.5倍工作压力的清水或等于工作压力的气体（1.15倍）4、焊接试板的机械性能试验热影响区的金属的机械性能一般只对新钢种的焊接接头进行这方面的试验。****现代化企业的雄姿**现代化企业的雄姿**现代化企业的雄姿第一篇材料与焊接第一章化工设备材料**第一节概述根据物料与适宜工作条件选材物料腐蚀性压力与温度蠕变、氢腐蚀、低温脆性等第二节材料的性能力学性能、物理性能、化学性能和加工性能等一、力学性能决定许用应力强度、硬度、弹性、塑性、韧性等****1、强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力

抵抗外力的静强度按所抵抗外作用形式可分为抵抗冲击外力的冲击强度抵抗交变外力的疲劳强度常温下抵抗外力的常温强度按环境温度可分为高温下抵抗外力的高温强度低温下抵抗外力的低温强度常温强度指标：屈服强度σs和抗拉(压)强度σb(σy)屈强比σs/σb适当蠕变强度σn：在高温时，材料抵抗发生缓慢塑性变形的能力持久强度σD

：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力疲劳强度σ-1：σ-1,以106-107次不被破坏的应力**2、硬度局部抵抗能力弹性、强度与塑性的综合性能指标压入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)

低碳钢σb=0.36

HB

高碳钢σb=0.34

HB

灰铸铁σb=0.1

HB**3、塑性延伸率δ**断面收缩率ψ化工设备材料一般要求δ5=10%-20%4、冲击韧性

冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm2**二、物理性能

密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。**三、化学性能1、耐腐蚀性金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力2、抗氧化性高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度选耐热材料**四、加工工艺性能1、可铸性：收缩与偏析2、可锻性3、焊接性4、可切削加工性**第三节碳钢与铸铁“铁碳合金”：由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金；一般含碳量0.02％～2％称为钢；大于2％称为铸铁；当含碳量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)；含碳量大于4.3％的铸铁极脆**一、铁碳合金的组织结构1、金属的组织与结构

在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织**

电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构；不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格**

体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。铸铁一般碳以石墨形式存在，有不同的组织形貌。**球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。2、纯铁的同素异构转变

体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方晶格的铁称为g-Fe。a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。纯铁的同素异构转变是在910℃恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程。是钢进行热处理的依据。**3、碳钢的基本组织

碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。**（1）铁素体

碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。

a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006％），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。**（2）奥氏体

碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，如在723℃时可溶解0.8％，在1147℃时可达最大值2.06％。奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。**（3）渗碳体

碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。**（4）珠光体

铁素体与渗碳体的机械混合物。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。**（5）莱氏体

珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。**（6）马氏体

钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。**二、铁碳合金状态图****钢在加热时形成单一的奥氏体组织。

所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。**三、钢的热处理

钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。**1、退火和正火

退火：缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却。目的：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。正火是置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。**2、淬火和回火

加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。**

回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。**

中温回火温度是300℃～450℃。有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。高温回火温度为500℃～680℃。综合性能：强度、韧性、塑性等都较好淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。**

时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。**3、表面淬火

使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。**4、化学热处理

有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝可提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性等。**四、碳钢1、常存杂质元素对钢材性能的影响硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等（1）硫有害元素。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。**（2）磷

有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。使冷加工及焊接性变坏。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。**（3）锰

脱氧剂。有益元素。

MnS(1600℃)，部分消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。在0.5%～0.8%以下时，看成是常存杂质。优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。**（4）硅

脱氧剂。有益的元素。硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。**（5）氧

有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。

FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。**（6）氮

长时间放置或在200～300℃加热氮以氮化物形式的析出，硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。**（7）氢氢脆、白点等缺陷。变脆：氢化物变形小白点：组织缺陷处扩散氢，时间长**2、分类与编号

按用途：建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢**（1）普通碳素钢Q235-A，屈服强度数值（MPa）质量等级A，B，C，D。脱氧方法为F，b，Z，TZ。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。**（2）优质碳素钢S＜0.03%～0.045%；P＜0.04%08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。

45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。**

优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、

15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢搅拌轴优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。**（3）高级优质钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。**3、碳钢的品种及规格

品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）

4mm～6mm厚度间隔为0.5mm6mm～30mm厚度间隔为lmm30mm～60mm厚度间隔为2mm

一般碳素钢板材有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。**（2）钢管

无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管。有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。**（3）型钢

有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。圆钢与方钢主要用来制造各类轴件；扁钢常用作各种桨叶；角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。**（4）铸钢和锻钢

铸钢用ZG表示，ZG25、ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。**五、铸铁

含碳量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。**1、灰铸铁2.7%～4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。有优良的铸造性、减振性能，支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。

HT和抗拉强度sb值表示，如HT100，其中100表示sb＝100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。**2、球墨铸铁

简称球铁。在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示sb＝400MPa，18表示d=18%。**3、高硅铸铁

有高的耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。强度低、脆性大及内应力大，易于脆裂热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、TSi15Mo3R等。**第四节合金钢

在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。

一、分类与编号按合金元素总含量分：合金含量<5%，低合金钢合金含量5%-10%，中合金钢合金含量>10%，高合金钢**按用途分：合金结构钢调质结构钢、表面硬化钢低碳马氏体钢、非调质结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢和耐热钢等

**一种是汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含Cr、Mo在1%左右。当平均质量分数≥1.5%、≥2.5%，≥3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。**二、合金元素对钢的影响目前常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。**1、铬提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。含量达到13％时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。**2、锰提高强度和提高低温冲击韧性。3、镍提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。**4、硅

提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。5、铝强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。提高抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。**6、钼

提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。7、钒于固溶体中提高高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况，能改善钢的塑性。**8、钛强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀提高耐热性。

9、稀土元素提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。**三、可焊接的低合金高强度钢碳含量通常小于0.25%。有较高的屈服强度（300～1000MPa）和屈强比（ss/sb=0.65～0.95），较好的冷热加工性能、良好的焊接性能，较低的冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。**低合金高强度钢按性能和用途分高强度钢、低温钢和耐蚀钢1、高强度钢350MPa强度级，典型牌号为16Mn；400MPa强度级，典型钢号为14MnMoV500MPa强度级，典型12MnNiCrMoVCu用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。**2、低温钢主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃)3、耐蚀钢10MnPNbRE钢耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。**

大型化工容器16MnR，质量比碳钢轻l/3；与碳钢相比，用15MnV制造球形贮罐可节省钢材约45%。根据容器的具体操作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求，选用**四、专业用钢

锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢。在钢号后面分别加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。质地均匀、杂质含量低，能满足某些力学性能的特殊检验项目要求。**五、特殊性能钢

不锈钢、耐热钢和高温合金及低温用钢1、不锈钢不锈钢和耐酸钢的统称，也称不锈耐酸钢一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢，称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。**通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢等**（1）铁素体不锈钢

含碳≤0.15％，铬量在12～30％。有些钢种还含有钼、钛等元素。不锈纲中的含碳量都较低，Cr23C6而消耗了铬。都在13％以上。对晶间腐蚀比较敏感；铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。

lCr13、2Cr13、受冲击载荷较大的零件

0Cr13、0Cr17Ti耐氧化性酸和硫化氢气体的腐蚀，部分代替高铬镍型不锈钢**（2）奥氏体不锈钢

优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀性。含氯离子，发生晶间腐蚀的倾向。锰和氮代替不锈钢中的镍，发展出了铬锰镍氮系和铬锰氮系不锈钢。例如Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10Ni5Mo3N。**

在400℃～800℃的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬（Cr23C6）形式沿晶界析出，使晶界附近的合金元素（铬与镍）含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量12%）以下，腐蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称为晶间腐蚀。**防止晶间腐蚀的方法：1）降低含碳量<0.06%时不易产生，<0.03%时可靠地克服，超低碳不锈钢，如00Cr19Nil02）稳定碳原子，加入Ti，Nb，V，Mo稳定剂，广泛用，0Cr18Nil0Ti、0Cr18NillNb3）形成双相组织，加入铁素体促成元素Ti，Al，Si，Mo，铁素体含铬高、补充快，5%以内，阻断腐蚀通路。**防止晶间腐蚀的方法：4）控制热规范，快速加热和冷却，或非常缓慢。5）补充热处理稳定化退火（免疫处理）：850度保温2小时，充分扩散高温淬火水冷（固熔）：1100度左右加热后淬火，单相奥氏体**加入Mo提高对氯离子Cl-的耐蚀能力，lCr18Nil2Mo3Ti。0Cr18Nil8Mo2Cu2Ti。同时加入Mo、Cu，则在室温、浓度为50%以下的硫酸中也具有较高的耐蚀性，也可提高在低浓度盐酸中的抗腐蚀性**2、耐热钢和高温合金

例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等，温度往往达到1000℃以上。

300℃～350℃即需选用耐热钢，一般耐热钢工作温度都在700℃以下，700℃～1000℃用高温合金。**耐热钢Cr、Al、Si铁素体形成元素，被高温气体氧化后生成一种致密的氧化膜。

Ni、Mn奥氏体形成元素，

提高高温强度和改善抗渗碳性。

V、Nb、Ti形成强碳化物提高高温强度。

C和N扩大和稳定奥氏体提高高温强度

B和Re均为耐热钢中添加的微量元素，可以显著提高钢材的抗氧化性，并改善其热塑性。**耐热钢按特性和用途可分为抗氧化钢（又称高温不起皮钢）和热强钢。抗氧化钢是指高温下具有较好的抗氧化性，并有适当强度的钢种。热强钢高温下有较好的抗氧化性和耐腐蚀能力，且有较高的强度。常用来高温工作下的汽缸、螺栓及锅炉的过热器等。**高温合金铁基合金、镍基合金、钴基合金。铁基耐热合金工作温度在700℃以下，含有相当高的铬、镍成分和其他强化元素。镍基耐热合金是目前在700℃～900℃范围内使用得最广泛的一种高温合金。这类合金的镍含量通常在50%以上。钴基耐热合金的高温强度主要靠固溶强化获得。钴价格昂贵，应用受到很大的限制，一般在1000℃以上才用。**3、低温用钢深冷分离、空气分离等。（温度≤-20℃）目前国外低温设备用的钢材主要是以高铬镍钢为主，也有使用镍钢、铜和铝等。我国无铬镍的低温钢材系列。16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR**第五节有色金属铜T黄铜H青铜Q铝L铅Pb

铸造合金Z轴承合金Ch**一、铝及其合金浓硝酸以及干氯化氢、氨气中耐腐蚀卤素离子的盐类、氢氟酸以及碱溶液都会破坏铝表面的氧化膜。铝不会产生火花，常用于制作含易挥发性介质的容器；铝不会使食物中毒，不沾污物品，不改变物品颜色，在食品工业中代替不锈钢。铝的导热性能好，适合于作换热设备**变形铝合金（工业纯铝和防锈铝）和铸造铝合金1、变形铝合金（1）工业纯铝工业高纯铝1A85、1A90，抗硫腐蚀，浓硝酸设备，高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵。工业纯铝8A06，耐硫腐蚀、防污染而不要求强度的设备，例如：反应器、热交换器、深冷设备、塔器等。**（2）防锈铝由铝锰系或铝镁组成的铝合金，5A02、5A03、5A05、5A06等。强度比纯铝高5A02、5A03用于中等强度的零件或设备；5A05制造油箱、管道、低压容器、铆钉5A06用于受力零件及焊制容器。由于熔焊的铝材在低温(0～-196℃)下冲击韧性不下降，很适合做低温设备。**2、铸造铝合金是铝、硅合金。Al-Si系，俗称"硅铝明"，典型牌号ZAlSi7Mg，合金号为ZL101；Al-Cu系，应用最早，热强性高，300℃，耐腐蚀性较差。典型牌号ZAlCu5Mn，合金号为ZL201；Al-Mg系，室温力学性能高，耐腐蚀性能好，但热强性低。铸造性能差，典型牌号ZAlMg10，合金号为ZL301；**Al-Zn系，Zn在Al中溶解度大，再加入硅及少量镁、铬等元素，具有良好的综合性能，典型牌号ZAlZn11Si17，合金号为ZL401。铝的铸造性、流动性好，铸造时收缩率和生成裂纹的倾向性都很小。耐蚀性好，且密度小，广泛用来铸造形状复杂的耐蚀零件，如管件、泵、阀门、汽缸、活塞等。**二、铜及其合金半贵重金属1、纯铜（紫铜）低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备垫片。耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。**变形纯铜的牌号Tl、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2等。T1、T2是高纯度铜，用于制造电线，配制高纯度合金。T3杂质含量和含氧量比T1、T2高，主要用于一般材料，如垫片、铆钉等。TU1、TU2为无氧铜，纯度高，主要用作真空器件。TP1、TP2为磷脱氧铜，多以管材供应，主要用于冷凝器、蒸发器、换热器、热交换器的零件等。**2、铜合金黄铜：铜与锌的合金称黄铜白铜：镍的质量分数含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。

青铜：其它合金。铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。**（1）黄铜铜与锌的合金称黄铜。铸造性能好，力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格便宜，应用较广。在黄铜中加入锡、铝、硅、锰等元素，特种黄铜。锰、铝能提高强度；铝、锰和硅提高抗蚀性和减磨性；铝能改善切削加工性。**常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等H80大气、淡水及海水中有较高耐腐蚀性、加工性能优良，可作薄壁管和波纹管。H68塑性好，可在常温下冲压H62在室温下塑性较差，但机械强度较高，易焊接，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。锡黄铜HSn70-l含有1%的锡，能提高在海水中的耐蚀性。称海军黄铜。**（2）白铜镍含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者，抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。**（3）青铜铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、被、锰等组成的合金称无锡青铜。锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜。锡青铜典型牌号ZQSn10-1，有高强度和硬度，能承受冲击载荷，耐磨性很好，具有优良的铸造性，比纯铜耐腐蚀。锡青铜用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。无锡青铜力学性能好**三、钛及其合金钛的密度小（4.507g/cm3）、强度高、耐腐蚀性好、熔点高。工业纯钛牌号有TA0、TA2、TA3(编号愈大、杂质含量愈多)。纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀性。钛也是很好的耐热材料。在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。**四、镍及其合金高强度和塑性，好的延伸性和可锻性。好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。牌号为NCu28-2.5-1.5的蒙乃尔耐蚀合金应用最广。蒙乃尔合金能在500℃时保持高的力学性能，能在750℃以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。**五、铅及其合金硬度低、强度小，不宜单独作为设备材料，只适于做设备的衬里。热导率小；纯铅不耐磨，非常软。但在许多介质中，特别是在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。铅与锑合金称为硬铅，硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好。硬铅的主要牌号为PbSb4、PbSb6、PbSb8和PbSb10。**铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电器设备中可用来做加料管、鼓泡器、耐酸泵和阀门等零件。由于铅具有耐辐射的特点，在工业上用作X射线和g射线的防护材料。铅合金的自润性、磨合性和减振性好，噪音小，是良好的轴承合金。铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、电缆封头的铅封等。**第六节非金属材料既可用作结构材料，又能作设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。非金属材料分为无机非金属材料（陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）及有机非金属材料（塑料、涂料、橡胶等）及近20～30年来发展的复合材料（玻璃钢、不透性石墨等）。

**一、无机非金属材料1、化工陶瓷好的耐腐蚀性、耐热性和一定机械强度。导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变而易破裂。**2、化工搪瓷由含硅量高的瓷釉通过900℃左右的高温煅烧，使瓷釉密着在金属表面。具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和电绝缘性能，但易碎裂。热导率不到钢的1/4，热膨胀系数大。不能直接用火焰加热，以免损坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30℃～270℃。**3、辉绿岩铸石用辉绿岩熔融后制成，可制成板、砖等材料作设备衬里，也可做管材。铸石除对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外，对各种酸、碱、盐都具有良好的耐腐蚀性能。**4、玻璃化工用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃，它们有好的热稳定性和耐腐蚀性。有耐腐蚀性、清洁、透明、阻力小、价格低等特点，但质脆、耐温度急变性差，不耐冲击和振动。目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道，来弥补其不足。**二、有机非金属材料1、工程塑料是用高分子合成树脂为主要原料，加入添加剂以改善产品性能。热塑性材料遇热软化或熔融，冷却后又变硬，可反复多次。聚氯乙烯、聚乙烯等。热固性塑料固化后不能用加热的方法使之再软化，酚醛树脂、氨基树脂等。有良好的耐腐蚀性能、一定机械强度、良好的加工性能和电绝缘性能，价格较低**（1）硬聚氯乙烯（PVC）塑料使用温度为-10～+55℃。当温度在60～90℃时，强度显著下降。（2）聚乙烯（PE）塑料在室温下，除硝酸外，对各种酸、碱盐溶液均稳定，对氢氟酸特别稳定。（3）耐酸酚醛塑料（PF）使用温度为-30℃～+130℃。这种塑料性质较脆、冲击韧性较低。**（4）聚四氟乙烯（PTFE）塑料耐强腐蚀性介质腐蚀。甚至超过贵重金属金和银，有塑料王之称。常用作耐腐蚀、耐高温密封元件及高温管道。有良好的自润滑性，还可以用作无油润滑压缩机的活塞环。有突出的耐热和耐寒性，使用温度范围为-200℃～250℃。**（5）玻璃钢又称玻璃纤维增强塑料。用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，按一定成型方法制成。具有优良的耐腐蚀性能，强度高和良好的工艺性能，是一种新型非金属材料。树脂不同而差异很大。环氧玻璃钢（常用）、酚醛玻璃钢（耐酸性好）、呋喃玻璃钢（耐腐蚀性好）、聚酯玻璃钢（施工方便）等。**2、涂料品种多，选择范围广、适应性强、使用方便、价格低、适于现场施工等。涂层较薄容易脱落，应用受到了限制。防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料，如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。用静电喷涂。涂料利用率高，容易进行机械化、自动化的大型生产，减少溶剂和涂料的挥发和飞溅，涂膜质量稳定。**3、不透性石墨由各种树脂浸渍石墨消除孔隙后得到有较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好；不污染介质，能保证产品纯度；加工性能良好。机械强度较低、性脆。常被用来作腐蚀性强介质的换热器，如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉，**第七节化工设备的腐蚀及防腐措施**常见的金属腐蚀破坏的形态有均匀腐蚀和局部腐蚀（区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀等）**第八节化工设备材料选择从设备结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑，而且还要从设备工作条件下材料的物理性能、力学性能、耐腐蚀性能及材料价格与来源、供应等方面综合考虑。**一、材料的物理、力学性能方面一般中、低压设备屈服限235到345MPa级。直径较大、压力较高，最好采用普低钢，强度级别宜用400MPa级或以上。操作温度超过400℃，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。压力容器用钢材，d5不得低于14%。当钢材延伸率d5＜18%时，加工应特别注意。钢管不宜强度级别过高，弯管率很关键，要求塑性好。**二、材料的耐腐蚀性某磷肥厂需设计一个40m3浓硫酸贮罐，可选灰铸铁、高硅铸铁、碳钢、铬镍不锈钢和碳钢用瓷砖衬里等。灰铸铁、高硅铸铁抗拉强度低、质脆，不能铸造大型设备，故不宜采用。碳钢的机械强度高、质韧，焊接性能好，但稀硫酸腐蚀严重，故也不能采用。不锈钢价格比较贵，焊接加工要求较高。碳钢做罐壳内衬非金属较合适**三、材料的经济性碳钢与普低钢的价格比较低廉，应优先选用。考虑国家生产与供应情况，因地制宜选取，品种应尽量少而集中，以便于采购与管理。**四、其他方面压力容器的材料选择应根据容器的操作条件、腐蚀情况及制造加工要求，依照国家标准GB150-1998的规定，并按GB6654-1996压力容器用钢板与JB4726-94压力容器用碳素钢和低合金钢锻件的规定选用。为了节省材料，中、高压容器应优先选用普通低合金钢（16MnR、15MnVR）。**

搅拌器的机械设计

**一、作用

1、使物料混合均匀

第一节概述2、强化传热、传质

使气体在液相中很好地分散使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化强化相间的传质（如吸收等）强化传热*1-搅拌器2-罐体3-夹套4-搅拌轴5-压出管6-支座7-人孔8-轴封9-传动装置图9-1搅拌设备结构图二、结构*搅拌设备搅拌装置轴封搅拌罐罐体附件搅拌轴搅拌器传动装置*第二节搅拌器的型式及选型一、常见型式*二、搅拌器的功能

提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌过程的目的。浆叶旋转运动，产生能量，作用于液体，形成流动状态。关键在浆叶，也与其它因素有关，如介质特性，搅拌器的工作环境等。*三、选型

搅拌器选型搅拌目的

物料粘度

搅拌容器容积的大小选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。*表9-1搅拌器型式适用条件表注表中空白为不适或不详，○为适合。搅拌器型式流动状态搅拌目的搅拌容器容积(m3)转速范围(r/min)最高粘度(P)对流循环湍流扩散剪切流低粘度混合高粘度液混合传热反应分散溶解固体悬浮气体吸收结晶传热液相反应涡轮式○○○○○○○○○○○○1~10010~300500桨式○○○○○

○○

○○○1~20010~30020推进式○○

○○○○

○○○1~100010~500500折叶开启涡轮式○○

○○○○

○○1~100010~300500布尔马金式○○○○○

○

○○1~10010~300500锚式○

○

○

1~1001~1001000螺杆式○

○

○

1~500.5~501000螺带式○

○

○

1~500.5~501000*四、几种常用搅拌器简介

桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75～80％。*1.桨式搅拌器

结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。图9-3桨式搅拌器*主要应用液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。*桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。*2.推进式搅拌器

推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低