第五章-化工設(shè)備材料

第五章材料基礎(chǔ)知識(shí)鋼材生產(chǎn)基本知識(shí)

12材料的性能

鋼鐵是使用最多的金屬材料：

儲(chǔ)量大；

冶煉加工容易；

綜合性能好；

易改質(zhì)處理。

鋼材仍將是21世紀(jì)用途最廣的結(jié)構(gòu)材料和最主要功能材料。5.1.1鋼的介紹鋼材的定義：鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量大于0.025%,小于2.11%的鐵碳合金，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn等)的材料；鋼材的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）抗拉、抗壓、抗沖擊性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和鉚接，裝配方便；缺點(diǎn)：易銹蝕；5.1.2煉鋼煉鋼的原料：生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）、合金料等。

煉鋼的主要任務(wù)包括以下幾項(xiàng)：（四脫、二去、二調(diào)整）

1）脫碳；2）脫磷；3）脫硫；4）脫氧；5）去氮、氫等；6）去除非金屬夾雜物；7）調(diào)整成分；8）調(diào)整溫度。

煉鋼工藝主要包括

1）鐵水預(yù)處理；2）轉(zhuǎn)爐或電弧爐煉鋼；3）爐外精煉（二次精煉）；4）連鑄。

煉鋼過(guò)程是個(gè)氧化過(guò)程，其去除雜質(zhì)的主要手段是向熔池吹入氧氣并加入造渣劑形成熔渣出來(lái)。脫碳反應(yīng)是煉鋼過(guò)程的主要手段，硅、錳、磷、硫等元素也通過(guò)氧化反應(yīng)去除。鋼鐵生產(chǎn)工藝流程圖長(zhǎng)流程短流程5.1.3鋼材分類(lèi)—按冶煉方式分類(lèi)三大類(lèi):（1）轉(zhuǎn)爐鋼（2）平爐鋼（3）電爐鋼；（1）轉(zhuǎn)爐鋼：以熔融的鐵水為原料、由轉(zhuǎn)爐的底部或側(cè)面向轉(zhuǎn)爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進(jìn)行冶煉而得到的鋼，叫做轉(zhuǎn)爐鋼；轉(zhuǎn)爐鋼的缺點(diǎn)：吹煉時(shí)易混入空氣中的氮、氫等雜質(zhì)，故建筑中常用的是氧氣轉(zhuǎn)爐鋼；熔煉時(shí)間短，雜質(zhì)含量不易控制，因此質(zhì)量差；（2）平爐鋼：以固態(tài)或液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼；平爐鋼的特點(diǎn)：熔煉時(shí)間長(zhǎng)，易控制質(zhì)量，因此質(zhì)量好，但成本較轉(zhuǎn)爐鋼高；5.1.3鋼材分類(lèi)—按冶煉方式（3）電爐鋼：用電熱進(jìn)行高溫冶煉而得到的鋼；一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)則容易得多，故電爐鋼的質(zhì)量最好；電爐鋼的特點(diǎn)：熔煉溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)徹底，因此質(zhì)量最好，但成本最高；5.1.3鋼材分類(lèi)—按冶煉方式（1）沸騰鋼；（2）鎮(zhèn)靜鋼；（3）半鎮(zhèn)靜鋼(1)沸騰鋼：

含雜質(zhì)較多，質(zhì)量較差，致密性差，但成本低；（2）鎮(zhèn)靜鋼結(jié)構(gòu)致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質(zhì)量較好的鋼種，但是產(chǎn)品率低，且成本較高；（3）半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度以及鋼的質(zhì)量介于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼之間；

5.1.3鋼材分類(lèi)—按脫氧程度(1）熱加工鋼材：

是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠成呈塑性狀態(tài)進(jìn)行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材：指在常溫下進(jìn)行加工的鋼材；壓力加工的目的：排掉冶煉、鑄錠過(guò)程中鋼材結(jié)構(gòu)的不均勻、氣泡等缺點(diǎn)；5.1.3鋼材分類(lèi)—按加工方式分類(lèi)：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼：

指含碳量小于2%的鋼，一般又分為以下三種：碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼（2）合金鋼：

為改善鋼的某些性質(zhì)而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等；合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。5.1.3鋼材分類(lèi)—按化學(xué)成分（1）普通質(zhì)量鋼；（2）優(yōu)質(zhì)鋼；（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼；（4）特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：(1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.055%）(2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.040%）(3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.030%）(3)特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.025%）5.1.3鋼材分類(lèi)—按主要質(zhì)量等級(jí)(1)建筑及工程用鋼；（2）結(jié)構(gòu)鋼；（3）工具鋼；（4）特殊性能鋼；（5）專(zhuān)業(yè)用鋼(1)建筑及工程用鋼：a.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；b.低合金結(jié)構(gòu)鋼；c.鋼筋鋼。

(2)結(jié)構(gòu)鋼：a.機(jī)械制造用鋼：(a)調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼；(b)表面硬化結(jié)構(gòu)鋼：包括滲碳鋼、滲氨鋼、表面淬火用鋼；(c)易切結(jié)構(gòu)鋼；(d)冷塑性成形用鋼：包括冷沖壓用鋼、冷鐓用鋼。

b.彈簧鋼

c.軸承鋼

(3)工具鋼：a.碳素工具鋼；b.合金工具鋼；c.高速工具鋼。

(4)特殊性能鋼：a.不銹耐酸鋼；b.耐熱鋼：包括抗氧化鋼、熱強(qiáng)鋼、氣閥鋼；c.電熱合金鋼；d.耐磨鋼；e.低溫用鋼；f.電工用鋼。

(5)專(zhuān)業(yè)用鋼——如橋梁用鋼、船舶用鋼、鍋爐用鋼、壓力容器用鋼、農(nóng)機(jī)用鋼等。5.1.3鋼材分類(lèi)—按用途5.1.4鋼鐵牌號(hào)及表示方法牌號(hào)的表示原則依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2008,牌號(hào)中采用大寫(xiě)漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示鋼號(hào)表示法優(yōu)質(zhì)碳素鋼——08F20R沸騰鋼含碳量為0.08%；容器鋼含碳量為0.2%例：普通碳素鋼——Q235-AF沸騰鋼類(lèi)別為A鋼材屈服點(diǎn)(MPa)屈服點(diǎn)屈字的拼音首位字母低合金鋼——16MnR16——含碳量0.16%；

Mn——合金元素；

R——容器鋼。特殊性能鋼——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分?jǐn)?shù)）；

Cr,Ni——主要合金元素；

18——含鉻量18%；

9——含鎳量9%。

5.1.4鋼的熱處理

定義：鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過(guò)對(duì)鋼進(jìn)行不同的加熱、保溫、冷卻來(lái)改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要性能的一種工藝熱處理工藝曲線：金屬材料中的金相組織發(fā)生變化！鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體

常用熱處理工藝緩慢加熱，保溫一定時(shí)間后

※隨爐冷卻（曲線1）--退火；※空氣中冷卻（曲線2）--正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善機(jī)械性能；②使組織均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力。【注】加熱溫度為臨界點(diǎn)（鋼的內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度)以上30～50℃。Ac1：加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度;

Ac3：加熱時(shí)先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了溫度。緩慢加熱，保溫一定時(shí)間

淬火劑中冷卻（曲線3）；淬火劑:

水，鹽水---用于碳鋼；油---用于合金鋼。

作用：提高硬度、強(qiáng)度和耐磨性。

淬火淬火后再進(jìn)行一次較低溫度的加熱與冷卻。作用：消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，滿(mǎn)足技術(shù)要求?；鼗鹩址譃椋旱蜏鼗鼗穑?50～250℃）；中溫回火（300～450℃）；高溫回火（500～680℃）。

※淬火+高溫回火稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理。效果：強(qiáng)度、塑性、韌性均提高。回火奧氏體不銹鋼加熱到1000~1100℃，保溫一定時(shí)間后快速冷卻，獲得單相奧氏體組織的工藝方法稱(chēng)為固溶處理。作用：處理的奧氏體不銹鋼具有一定強(qiáng)度、很高的韌性和優(yōu)良的耐蝕性。固溶5.1.5材料的性能力學(xué)性能在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力。如彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等指標(biāo)。1.強(qiáng)度及其主要指標(biāo).

固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形或斷裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地腳螺栓拉斷;※爐管爆裂；..——強(qiáng)度不夠?。?）屈服點(diǎn)屈服現(xiàn)象：金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形。屈服點(diǎn)：（

s）——材料發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力。單位：MPa?！恍┖辖饹](méi)有明顯的屈服點(diǎn),規(guī)定發(fā)生0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)”。記作σ0.2（2）抗拉強(qiáng)度(sb)定義：金屬材料在受力過(guò)程，發(fā)生斷裂所達(dá)到的最大應(yīng)力值，以σb

表示，單位MPa。是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)。屈強(qiáng)比：

s/σb

屈強(qiáng)比小，表明材料具有較大的塑性?xún)?chǔ)備。（3）蠕變極限（sn）蠕變現(xiàn)象：高溫時(shí)，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象；或者金屬在高溫和存在內(nèi)應(yīng)力情況下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象；蠕變極限：材料在高溫下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力，以σn表示，單位MPa。（4）持久強(qiáng)度（sD）定義：在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間斷裂時(shí)的應(yīng)力，以σD表示，單位MPa。----是一定溫度和一定載荷下，材料抵抗斷裂的能力。材料抵抗斷裂的能力越大，在相同的條件下，能支持的時(shí)間越久。規(guī)定：化工設(shè)備設(shè)計(jì)壽命一般為十萬(wàn)小時(shí)，所以用試件在十萬(wàn)小時(shí)斷裂時(shí)的應(yīng)力作為持久強(qiáng)度。設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命！（5）疲勞強(qiáng)度構(gòu)件或零件受到大小和方向變化的交變載荷作用，應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服點(diǎn)就斷裂--疲勞。疲勞極限---構(gòu)件或零件在交變載荷作用下不致斷裂的最大應(yīng)力。表示符號(hào)：σ-1(MPa)。例如：

頻繁開(kāi)、停車(chē)--容器內(nèi)壓力或溫度波動(dòng)；活塞式壓縮機(jī)壓縮氣體--容器及管道內(nèi)壓力波動(dòng)；離心泵頻繁開(kāi)停機(jī)或震動(dòng)--泵軸受力成交變式。

2.塑性金屬的塑性：金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。納米銅的室溫超塑性—盧柯院士塑性指標(biāo)的實(shí)際意義：意義：便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等；使構(gòu)件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂。——壓力容器及其零件都需要具備這個(gè)性質(zhì)。塑性指標(biāo)：

延伸率、斷面收縮率、冷彎性能3.硬度的概念金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。硬度高材料強(qiáng)度也高，耐磨性較好；—綜合性能指標(biāo)。

布氏硬度試驗(yàn)示意圖4.沖擊韌性材料在外加動(dòng)載荷作用下的一種吸收機(jī)械能，迅速塑性變形，抵抗斷裂的能力。材料的沖擊韌性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其沖擊韌性不一定高。

頭盔抵抗子彈5.缺口敏感性——在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

韌性范疇——靜載荷下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能。沖擊韌性？

——是動(dòng)載荷作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。物理性能——密度，熔點(diǎn)，線膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容，電阻率，磁導(dǎo)率，彈性模量，泊桑比等。化工設(shè)備設(shè)計(jì)與制造主要考慮的物理性能：線膨脹系數(shù)異種鋼焊接——收縮率不同，引起變形或損壞；復(fù)合鋼板（如不銹鋼與碳鋼)——熱變性不同,容器殼體將會(huì)？設(shè)備襯里（如碳鋼殼體內(nèi)噴涂鋁）——熱變性不同時(shí)？固定管板式換熱器的管子與殼體——線膨脹量相差過(guò)大，將會(huì)？碳鋼表面電鍍一層銅——升溫后會(huì)？彈性模量E：金屬材料對(duì)彈性變形抗力的指標(biāo)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的。隨著溫度升高而降低。泊松比μ：拉伸試件的單位橫向收縮與單位縱向伸長(zhǎng)之比。各種鋼材近乎為μ=0.3?；瘜W(xué)性能