化工設(shè)備主體常用金屬材料論述

耿雪峰

摘要：本文對(duì)化工行業(yè)所涉及到的金屬材料進(jìn)行了歸納與總結(jié)，特別是化工設(shè)備主體所涉及到的金屬材料進(jìn)行了闡述。金屬材料中所涉及到的最重要的金屬就是鐵做出了主要的闡述，比如鐵碳相圖、珠光體奧氏體等等。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備；金屬材料；碳素鋼；合金材料

1.簡(jiǎn)介

化工生產(chǎn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的詞匯，但是這個(gè)詞匯中卻包含著各種復(fù)雜以及研究者的辛酸與無(wú)奈，從各種化合物到另一種物質(zhì)提純萃取乃至簡(jiǎn)單合成！[1]每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)步奏所帶來(lái)的酸堿性都不一樣，溫度壓力也會(huì)有變化或是放熱反應(yīng)或是吸熱反應(yīng)，所以不同性質(zhì)的反應(yīng)在不同時(shí)間對(duì)化工設(shè)備具有一定的腐蝕性。所以在不同反應(yīng)階段設(shè)備所需要用到的主體金屬材料也是不一樣的。是防酸防堿防高溫防低溫都會(huì)有一定的具體要求，減少腐蝕產(chǎn)生的不必要的災(zāi)害！這些都是研究金屬材料，特別是化工設(shè)備所用金屬材料的研究者們所要考慮的首要問(wèn)題。離開(kāi)了這些因素完全是背道而馳，要生產(chǎn)出好的產(chǎn)品先決條件就是有一套配置良好的化工設(shè)備。盡量規(guī)避因?yàn)榛ぴO(shè)備所帶來(lái)的影響因素。因?yàn)槿绻麑?duì)化工所用材料掌握不夠，掌握不全面就會(huì)造成選擇的不會(huì)合理，不合理的后果就是導(dǎo)致材料浪費(fèi)成本增加，產(chǎn)生事故等等[2-3]。

在目前我國(guó)國(guó)內(nèi)所使用的化工設(shè)備使用的比較多的主要是塔器，除此之外就是換熱器以及冷凝器常用的分離器等等。對(duì)于這些化工設(shè)備主要運(yùn)用的是碳素鋼，以及比較常見(jiàn)的低合金鋼以及不銹鋼。我們所用的金屬材料的性能包括以下幾方面。我們所在乎的無(wú)非就是這幾個(gè)性能的綜合利用而已。

1.1力學(xué)性能

何為力學(xué)性能，力學(xué)性能的主要指標(biāo)是什么，這些指標(biāo)才是我們所需要控制的東西。第一就是強(qiáng)度，作為化工設(shè)施的主體金屬材料一定要先考慮這一個(gè)方面。也就是構(gòu)件抵抗外載荷而不被拉壞的能力。在化工設(shè)備中如果利用強(qiáng)度達(dá)不到的金屬，就會(huì)浪費(fèi)原材料。同樣的在極限強(qiáng)度內(nèi)長(zhǎng)度也是有一定的影響的，長(zhǎng)度太長(zhǎng)就會(huì)達(dá)不到強(qiáng)度的要求，同時(shí)也會(huì)相對(duì)的增加運(yùn)輸以及安裝保養(yǎng)的費(fèi)用及難度。第二一個(gè)就是硬度，所謂的硬度其實(shí)就是局部的一個(gè)抵抗力，也可以說(shuō)是彈性、強(qiáng)度、塑性的一個(gè)綜合指標(biāo)。硬度有三種表示方式，分別是布氏硬度就是我們平常所用的HB，洛氏硬度即HRC或HRB，以及維氏硬度HV[4]。

1.2物理性能

我們所說(shuō)的，主要關(guān)注的物理性能包括線膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、磁性、導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率、泊松比、密度、比熱容、彈性模量等諸多方面的內(nèi)容。

1.3化學(xué)性能

由于用于化工設(shè)施主體的大部分金屬材料都得在強(qiáng)酸或者是強(qiáng)堿的環(huán)境下進(jìn)行，所以耐腐蝕性顯得尤為重要，主要表現(xiàn)出了金屬以及合金對(duì)酸堿的耐腐蝕能力。其次與空氣接觸，在高溫的工作環(huán)境下就涉及到耐氧化性能，在高溫工作環(huán)境下一班要耐熱性以及耐高溫性能比較突出。

1.4加工工藝性能[5]：

這一個(gè)方面的性能主要包括可切削加工性、焊接性、可鍛性、可鑄性等幾個(gè)方面的內(nèi)容。

2.碳鋼與鑄鐵

2.1鐵碳合金

平時(shí)使用的鐵碳合金主要包括鐵、碳以及雜質(zhì)幾個(gè)方面，三者所占的比例分別為>95%，0.05%-4%，1%。①通常情況下，碳比例處于0.02%-2%范圍內(nèi)的，這樣的叫做鋼；②要是碳比例在2%以上，這樣的叫做鑄鐵；③要是碳比例在0.02%以下，這樣的叫做工業(yè)純鐵；④碳比例在4.3%以上的鑄鐵性質(zhì)非常脆[6]。

2.2組織結(jié)構(gòu)

2.2.1金屬的組織與結(jié)構(gòu)即在金相顯微鏡下觀察到的金屬晶粒；電而我們所說(shuō)的金屬的結(jié)構(gòu)就是指金屬是由排列規(guī)則的金屬原子所組成的，我們?cè)诮鹣囡@微鏡下面所看到的即為晶體結(jié)構(gòu)。各種類型的鐵的空間結(jié)構(gòu)存在一定的差異，不同溫度下純鐵體心立方晶格[7]塑性要優(yōu)于面心立方晶格，但是前者的強(qiáng)度要比后者強(qiáng)。

2.2.2我們經(jīng)常會(huì)提到α-Fe以及β-Fe，兩者分別指的是純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變體心與面心立方晶格的純鐵。前者經(jīng)由加熱之后就能夠轉(zhuǎn)化成后者，與之相反，高溫下的后者在冷卻之后則能夠轉(zhuǎn)換成前者。所謂同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即指在固態(tài)下晶體的構(gòu)造隨溫度而改變。

碳鋼的碳在鐵中主要是以化合物、固溶體、混合物3個(gè)形式存在。

固溶體：在固態(tài)下彼此溶解的2種及以上的元素，但是依舊具有溶劑晶格過(guò)去的形式的物體。上述3個(gè)形式，共同構(gòu)建起各種類型的碳鋼組織。

鐵素體即指碳在-Fe中溶解之后所得到的固溶體。 -Fe具有相對(duì)較小的原子間隙、硬度、強(qiáng)度，同時(shí)具有相對(duì)較低的溶碳能力低，然而其韌性與塑性非常不錯(cuò)。含鐵素體的鋼為低碳鋼，其性能軟而韌 [7-9]。

奧氏體：即指碳在α-Fe鐵中溶解之后得到的固溶體。

滲碳體：即Fe3C，是指鐵與碳兩者形成的化合物。其具有相對(duì)較高的硬度，其熔點(diǎn)處于 左右，其沒(méi)有塑性。鐵碳合金含碳量在2%以下時(shí)，在這種情況下，其被稱為碳素鋼。含碳量在2%以上時(shí)，在這種情況下，有的碳的存在形式為石墨，這樣的叫做鑄鐵。塑性與抗拉強(qiáng)度兩者均小于碳鋼。然而鑄鐵卻具備或多或少的消震能力。

奧氏體滲碳體和鐵素體兩者的混合物。其具有的力學(xué)性能處在兩者之間，也就是它的硬度與強(qiáng)度都明顯高于鐵素體；其韌性與塑性都不如鐵素體搶購(gòu)，然而要明顯優(yōu)于滲碳體。萊氏體初次滲碳體與珠光體的共晶混合物。其硬度相對(duì)偏高，作為金相組織，其相對(duì)偏粗且硬，主要是在高碳鋼、白口鑄鐵里面存在。

馬氏體：鐵與鋼自高溫驟然冷卻而形成的組織，C在α-Fe里面過(guò)飽和之后形成的固溶體。其硬度非常高，然而卻非常脆，具有相對(duì)較低的延伸性，無(wú)法承受沖擊載荷。

2.2.3鐵碳相圖

鐵碳相圖直觀的反映了鐵含量、碳含量與溫度三者之間的關(guān)系[10]，可以直白的看到某一溫度區(qū)域所含的化學(xué)成分。由于鐵碳相圖的測(cè)定繪制，我們可以很容易的確定的說(shuō)出某溫度下的組成成分，為我們所需要的合成的合金做出了準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

2.2.4鋼的熱處理：鐵、鋼在固態(tài)下保溫、加熱與通過(guò)各種冷卻方式進(jìn)行處理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)金相組織的改變，以達(dá)到所需的性能，這個(gè)過(guò)程叫做熱處理。退火就是指緩慢加熱到某個(gè)溫度，然后在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行保溫，接著任其隨爐冷卻。對(duì)鋼的熱處理旨在使晶粒細(xì)化，最終使其力學(xué)性能有所提升；同時(shí)還為了使其硬度降低，使鋼的塑性提高，從而能夠?yàn)楹笃诩庸ぬ峁┯欣麠l件；除此之外，還為了將部分內(nèi)應(yīng)力消除，以避免工件發(fā)生變形損壞。

2.2.5碳鋼其中會(huì)存在一系列的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)影響材料的性能。具體來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)主要有S、P、Mn、Si、O、N、H等。其中S、P、O屬于有害元素，而Si、N則屬于有益元素。

（1）S這種屬于有害元素。有硫元素的存在會(huì)與鐵形成化合物。鋼材1150-1200℃熱加工，就會(huì)太早熔化，最終使得工件開(kāi)裂，這種現(xiàn)象叫做熱脆。對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)、優(yōu)質(zhì)以及普通三種鋼來(lái)說(shuō)，其含有的S分別是：<0.02%-0.03%；<0.03%-0.045%；<0.055%-0.7%。

（2）P其存在的優(yōu)點(diǎn)是可以提高硬度與強(qiáng)度，然而其不足之處是使沖擊韌性、塑性大幅下降。特別是當(dāng)溫度相對(duì)較低的時(shí)候，能夠使使鋼材的脆性明顯提高，我們將其叫做冷脆。對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)、優(yōu)質(zhì)以及普通三種鋼來(lái)說(shuō)，其含有的P分別是：小于0.025%；小于0.04%；小于0.085%。

（3）Mn這種元素屬于脫氧劑。在 溫度條件下，其能夠與S結(jié)合成硫化錳MnS，因此能夠在一定程度上將S元素的有害功能消除。同時(shí)，Mn元素的脫氧能力相對(duì)較好，能夠在一定程度上使鋼的品質(zhì)改善，特別是能夠使其脆性降低，最終使其硬度與強(qiáng)度提升。Mn低于 時(shí)，在這種情況下，我們將其看做為常存雜質(zhì)。對(duì)于優(yōu)質(zhì)碳鋼來(lái)說(shuō)，其中含有的Mn往往處于 范圍內(nèi)；而對(duì)于高錳結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō)，其含有的Mn處于 范圍內(nèi)。

（4）Si 脫氧劑。其可以和氧化亞鐵形成一種硅酸鹽從而被從爐渣中除去。硅元素的優(yōu)點(diǎn)在于溶于鐵素體內(nèi)使強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。

（5）O有害元素。氧元素在高溫時(shí)中加入結(jié)合諸多元素形成氧化物，是一種有害的元素，所以后期的處理過(guò)程中在煉鋼末期要加入各種元素來(lái)除去氧元素。氧化物的存在會(huì)使得塑性與強(qiáng)度有所減小。尤其是能夠在很大程度上影響到?jīng)_擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。

（6）N 當(dāng)其加熱至 時(shí)，就能夠析出（氮化物），這樣就使強(qiáng)度與硬度增加，然而使其塑性有所降低，發(fā)生時(shí)效。如果想將時(shí)效消除，則能夠通過(guò)固氮處理的方式實(shí)現(xiàn)，也就是添加Ti、Al或V。

（7）H白點(diǎn)、變脆等不足。白點(diǎn)：組織缺陷處擴(kuò)散氫，時(shí)間長(zhǎng)；變脆：氫化物變形小。

2.2.6碳素鋼 按照用途分可以分為工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼、結(jié)構(gòu)鋼、特殊性能鋼；根據(jù)含碳高低對(duì)其進(jìn)行劃分，主要包括高、中、低三種類型；根據(jù)品質(zhì)對(duì)其進(jìn)行劃分，主要包括高級(jí)優(yōu)質(zhì)、優(yōu)質(zhì)與普通三種類型；根據(jù)脫氧方式對(duì)其進(jìn)行劃分，主要包括沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼兩種類型。

2.2.7碳鋼的品種及規(guī)格

（1）鋼板 4-6，6-30，30-60mm厚度間隔分別是0.5，1，2mm。通常情況下，碳素鋼板材主要包括 Q235-A、Q235-A·F、 等幾種類型。

（2）鋼管 主要包括無(wú)縫與有縫2類，其中，前者主要包括冷、熱軋2類。一般情況下，普通無(wú)縫鋼管常用材料為 等。還存在專門(mén)用途的無(wú)縫鋼管。而后者主要包括黑白鐵管2類。

（3）型鋼主要包括槽鋼、工字鋼、角鋼、扁鋼、方鋼與圓鋼等諸多類型。其中，前三種鋼能夠制作不同類型的設(shè)備的支架、塔盤(pán)支承與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；扁鋼一般是在制備不同類型的槳葉中使用；而后兩種鋼通常在在各種軸件的生產(chǎn)中使用。

（4）鑄鋼與煅鋼前者以 ZG來(lái)描述，主要有 等，主要是應(yīng)用在生產(chǎn)不同承受重載荷的復(fù)雜零件之中，包括泵葉輪、泵殼等。后者主要存在 等諸多類型。對(duì)于石油化工容器來(lái)說(shuō)，其主要是通過(guò)20、25等來(lái)生產(chǎn)頂蓋、法蘭、管板等。

2.2.8鑄鐵其中C元素的比例超過(guò)2%，具有許多雜質(zhì)，例如硫、磷、錳等。其屬于脆性材料，具有相對(duì)偏低的抗拉強(qiáng)度，然而其切削加工性、減振性、耐磨性、鑄造性等性能相對(duì)較好。在許多介質(zhì)林木具備非常不錯(cuò)的耐腐蝕性。其主要包括可鍛鑄鐵、灰鑄鐵等諸多類型。

3.合金鋼

將一定量的合金元素加到碳鋼里面，獲得新的性能或者使其某方面的性能有所改善。

3.1分類

根據(jù)合金元素總含量對(duì)其進(jìn)行劃分，主要包括以下三種類型：也就是低（小于5%）、中（處于5%-10%范圍之間）、高合金鋼（大于10%）三種。

對(duì)于高合金鋼來(lái)說(shuō)，根據(jù)其用途對(duì)其進(jìn)行分類，主要將其分成以下幾種：

（1）表面硬化鋼、調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼；非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、低碳馬氏體鋼。

（2）特殊性能鋼。

（3）合金工具鋼。

3.2合金元素對(duì)鋼的作用

耐熱鋼與不銹鋼等現(xiàn)階段應(yīng)用最普及的合金元素包括：Cr，Mn，Ni，Si，B，W，Mo，V，Ti，Re等諸多類型。

（1）Cr使抗氧化性與耐腐蝕提高。其含量處于13%的時(shí)候，在這種情況下，可以在很大程度上提高耐腐蝕性，同時(shí)能夠使鋼的熱強(qiáng)性增加。使其淬透性提升，使其耐磨性、硬度與強(qiáng)度大幅提升，然而還能夠使其韌性與塑性所有減小。

（2）Mn能夠使低溫沖擊韌性與強(qiáng)度增加。

（3）Ni能夠使淬透性增加，具備非常高的強(qiáng)度，同時(shí)還能夠具有非常不錯(cuò)的韌性與塑性。

3.3各種合金的主要性質(zhì)

（1）銅合金黃銅：也就是Cu和Zn兩者形成的合金。白銅：Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量在50%以下的Cu、Ni合金叫做簡(jiǎn)單白銅，在此基礎(chǔ)上，添加Mn、Fe、Zn、Al等，則叫做復(fù)雜白銅。青銅：其它合金。錫青銅是Cu和Sn的合金；而Cu和Al、Si、Pb、Mn等的合金則叫做無(wú)錫青銅。