化工设备主体常用金属材料论述

耿雪峰

摘要：本文对化工行业所涉及到的金属材料进行了归纳与总结，特别是化工设备主体所涉及到的金属材料进行了阐述。金属材料中所涉及到的最重要的金属就是铁做出了主要的阐述，比如铁碳相图、珠光体奥氏体等等。

关键词：化工设备；金属材料；碳素钢；合金材料

1.简介

化工生产是一个简单的词汇，但是这个词汇中却包含着各种复杂以及研究者的辛酸与无奈，从各种化合物到另一种物质提纯萃取乃至简单合成！[1]每一个化学反应步奏所带来的酸碱性都不一样，温度压力也会有变化或是放热反应或是吸热反应，所以不同性质的反应在不同时间对化工设备具有一定的腐蚀性。所以在不同反应阶段设备所需要用到的主体金属材料也是不一样的。是防酸防碱防高温防低温都会有一定的具体要求，减少腐蚀产生的不必要的灾害！这些都是研究金属材料，特别是化工设备所用金属材料的研究者们所要考虑的首要问题。离开了这些因素完全是背道而驰，要生产出好的产品先决条件就是有一套配置良好的化工设备。尽量规避因为化工设备所带来的影响因素。因为如果对化工所用材料掌握不够，掌握不全面就会造成选择的不会合理，不合理的后果就是导致材料浪费成本增加，产生事故等等[2-3]。

在目前我國国内所使用的化工设备使用的比较多的主要是塔器，除此之外就是换热器以及冷凝器常用的分离器等等。对于这些化工设备主要运用的是碳素钢，以及比较常见的低合金钢以及不锈钢。我们所用的金属材料的性能包括以下几方面。我们所在乎的无非就是这几个性能的综合利用而已。

1.1力学性能

何为力学性能，力学性能的主要指标是什么，这些指标才是我们所需要控制的东西。第一就是强度，作为化工设施的主体金属材料一定要先考虑这一个方面。也就是构件抵抗外载荷而不被拉坏的能力。在化工设备中如果利用强度达不到的金属，就会浪费原材料。同样的在极限强度内长度也是有一定的影响的，长度太长就会达不到强度的要求，同时也会相对的增加运输以及安装保养的费用及难度。第二一个就是硬度，所谓的硬度其实就是局部的一个抵抗力，也可以说是弹性、强度、塑性的一个综合指标。硬度有三种表示方式，分别是布氏硬度就是我们平常所用的HB，洛氏硬度即HRC或HRB，以及维氏硬度HV[4]。

1.2物理性能

我们所说的，主要关注的物理性能包括线膨胀系数、熔点、磁性、导电性、热导率、泊松比、密度、比热容、弹性模量等诸多方面的内容。

1.3化学性能

由于用于化工设施主体的大部分金属材料都得在强酸或者是强碱的环境下进行，所以耐腐蚀性显得尤为重要，主要表现出了金属以及合金对酸碱的耐腐蚀能力。其次与空气接触，在高温的工作环境下就涉及到耐氧化性能，在高温工作环境下一班要耐热性以及耐高温性能比较突出。

1.4加工工艺性能[5]：

这一个方面的性能主要包括可切削加工性、焊接性、可锻性、可铸性等几个方面的内容。

2.碳钢与铸铁

2.1铁碳合金

平时使用的铁碳合金主要包括铁、碳以及杂质几个方面，三者所占的比例分别为>95%，0.05%-4%，1%。①通常情况下，碳比例处于0.02%-2%范围内的，这样的叫做钢；②要是碳比例在2%以上，这样的叫做铸铁；③要是碳比例在0.02%以下，这样的叫做工业纯铁；④碳比例在4.3%以上的铸铁性质非常脆[6]。

2.2组织结构

2.2.1金属的组织与结构即在金相显微镜下观察到的金属晶粒；电而我们所说的金属的结构就是指金属是由排列规则的金属原子所组成的，我们在金相显微镜下面所看到的即为晶体结构。各种类型的铁的空间结构存在一定的差异，不同温度下纯铁体心立方晶格[7]塑性要优于面心立方晶格，但是前者的强度要比后者强。

2.2.2我们经常会提到α-Fe以及β-Fe，两者分别指的是纯铁的同素异构转变体心与面心立方晶格的纯铁。前者经由加热之后就能够转化成后者，与之相反，高温下的后者在冷却之后则能够转换成前者。所谓同素异构转变，即指在固态下晶体的构造随温度而改变。

碳钢的碳在铁中主要是以化合物、固溶体、混合物3个形式存在。

固溶体：在固态下彼此溶解的2种及以上的元素，但是依旧具有溶剂晶格过去的形式的物体。上述3个形式，共同构建起各种类型的碳钢组织。

铁素体即指碳在-Fe中溶解之后所得到的固溶体。 -Fe具有相对较小的原子间隙、硬度、强度，同时具有相对较低的溶碳能力低，然而其韧性与塑性非常不错。含铁素体的钢为低碳钢，其性能软而韧 [7-9]。

奥氏体：即指碳在α-Fe铁中溶解之后得到的固溶体。

渗碳体：即Fe3C，是指铁与碳两者形成的化合物。其具有相对较高的硬度，其熔点处于 左右，其没有塑性。铁碳合金含碳量在2%以下时，在这种情况下，其被称为碳素钢。含碳量在2%以上时，在这种情况下，有的碳的存在形式为石墨，这样的叫做铸铁。塑性与抗拉强度两者均小于碳钢。然而铸铁却具备或多或少的消震能力。

奥氏体渗碳体和铁素体两者的混合物。其具有的力学性能处在两者之间，也就是它的硬度与强度都明显高于铁素体；其韧性与塑性都不如铁素体抢购，然而要明显优于渗碳体。莱氏体初次渗碳体与珠光体的共晶混合物。其硬度相对偏高，作为金相组织，其相对偏粗且硬，主要是在高碳钢、白口铸铁里面存在。

马氏体：铁与钢自高温骤然冷却而形成的组织，C在α-Fe里面过饱和之后形成的固溶体。其硬度非常高，然而却非常脆，具有相对较低的延伸性，无法承受冲击载荷。

2.2.3铁碳相图

铁碳相图直观的反映了铁含量、碳含量与温度三者之间的关系[10]，可以直白的看到某一温度区域所含的化学成分。由于铁碳相图的测定绘制，我们可以很容易的确定的说出某温度下的组成成分，为我们所需要的合成的合金做出了准确的指导。

2.2.4钢的热处理：铁、钢在固态下保温、加热与通过各种冷却方式进行处理，从而能够实现金相组织的改变，以达到所需的性能，这个过程叫做热处理。退火就是指缓慢加热到某个温度，然后在一定时间范围内对其进行保温，接着任其随炉冷却。对钢的热处理旨在使晶粒细化，最终使其力学性能有所提升；同时还为了使其硬度降低，使钢的塑性提高，从而能够为后期加工提供有利条件；除此之外，还为了将部分内应力消除，以避免工件发生变形损坏。

2.2.5碳钢其中会存在一系列的杂质，这些杂质会影响材料的性能。具体来说，杂质主要有S、P、Mn、Si、O、N、H等。其中S、P、O属于有害元素，而Si、N则属于有益元素。

（1）S这种属于有害元素。有硫元素的存在会与铁形成化合物。钢材1150-1200℃热加工，就会太早熔化，最终使得工件开裂，这种现象叫做热脆。对于高级优质、优质以及普通三种钢来说，其含有的S分别是：<0.02%-0.03%；<0.03%-0.045%；<0.055%-0.7%。

（2）P其存在的优点是可以提高硬度与强度，然而其不足之处是使冲击韧性、塑性大幅下降。特别是当温度相对较低的时候，能够使使钢材的脆性明显提高，我们将其叫做冷脆。对于高级优质、优质以及普通三种钢来说，其含有的P分别是：小于0.025%；小于0.04%；小于0.085%。

（3）Mn这种元素属于脱氧剂。在 温度条件下，其能够与S结合成硫化锰MnS，因此能够在一定程度上将S元素的有害功能消除。同时，Mn元素的脱氧能力相对较好，能够在一定程度上使钢的品质改善，特别是能够使其脆性降低，最终使其硬度与强度提升。Mn低于 时，在这种情况下，我们将其看做为常存杂质。对于优质碳钢来说，其中含有的Mn往往处于 范围内；而对于高锰结构钢来说，其含有的Mn处于 范围内。

（4）Si 脱氧剂。其可以和氧化亚铁形成一种硅酸盐从而被从炉渣中除去。硅元素的优点在于溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

（5）O有害元素。氧元素在高温时中加入结合诸多元素形成氧化物，是一种有害的元素，所以后期的处理过程中在炼钢末期要加入各种元素来除去氧元素。氧化物的存在会使得塑性与强度有所减小。尤其是能够在很大程度上影响到冲击韧性、疲劳强度等。

（6）N 当其加热至 时，就能够析出（氮化物），这样就使强度与硬度增加，然而使其塑性有所降低，发生时效。如果想将时效消除，则能够通过固氮处理的方式实现，也就是添加Ti、Al或V。

（7）H白点、变脆等不足。白点：组织缺陷处扩散氢，时间长；变脆：氢化物变形小。

2.2.6碳素钢 按照用途分可以分为工具钢、轴承钢、弹簧钢、结构钢、特殊性能钢；根据含碳高低对其进行划分，主要包括高、中、低三种类型；根据品质对其进行划分，主要包括高级优质、优质与普通三种类型；根据脱氧方式对其进行划分，主要包括沸腾钢与镇静钢两种类型。

2.2.7碳钢的品种及规格

（1）钢板 4-6，6-30，30-60mm厚度间隔分别是0.5，1，2mm。通常情况下，碳素钢板材主要包括 Q235-A、Q235-A·F、 等几种类型。

（2）钢管 主要包括无缝与有缝2类，其中，前者主要包括冷、热轧2类。一般情况下，普通無缝钢管常用材料为 等。还存在专门用途的无缝钢管。而后者主要包括黑白铁管2类。

（3）型钢主要包括槽钢、工字钢、角钢、扁钢、方钢与圆钢等诸多类型。其中，前三种钢能够制作不同类型的设备的支架、塔盘支承与加强结构；扁钢一般是在制备不同类型的桨叶中使用；而后两种钢通常在在各种轴件的生产中使用。

（4）铸钢与煅钢前者以 ZG来描述，主要有 等，主要是应用在生产不同承受重载荷的复杂零件之中，包括泵叶轮、泵壳等。后者主要存在 等诸多类型。对于石油化工容器来说，其主要是通过20、25等来生产顶盖、法兰、管板等。

2.2.8铸铁其中C元素的比例超过2%，具有许多杂质，例如硫、磷、锰等。其属于脆性材料，具有相对偏低的抗拉强度，然而其切削加工性、减振性、耐磨性、铸造性等性能相对较好。在许多介质林木具备非常不错的耐腐蚀性。其主要包括可锻铸铁、灰铸铁等诸多类型。

3.合金钢

将一定量的合金元素加到碳钢里面，获得新的性能或者使其某方面的性能有所改善。

3.1分类

根据合金元素总含量对其进行划分，主要包括以下三种类型：也就是低（小于5%）、中（处于5%-10%范围之间）、高合金钢（大于10%）三种。

对于高合金钢来说，根据其用途对其进行分类，主要将其分成以下几种：

（1）表面硬化钢、调质结构钢、合金结构钢；非调质结构钢、低碳马氏体钢。

（2）特殊性能钢。

（3）合金工具钢。

3.2合金元素对钢的作用

耐热钢与不锈钢等现阶段应用最普及的合金元素包括：Cr，Mn，Ni，Si，B，W，Mo，V，Ti，Re等诸多类型。

（1）Cr使抗氧化性与耐腐蚀提高。其含量处于13%的时候，在这种情况下，可以在很大程度上提高耐腐蚀性，同时能够使钢的热强性增加。使其淬透性提升，使其耐磨性、硬度与强度大幅提升，然而还能够使其韧性与塑性所有减小。

（2）Mn能够使低温冲击韧性与强度增加。

（3）Ni能够使淬透性增加，具备非常高的强度，同时还能够具有非常不错的韧性与塑性。

3.3各种合金的主要性质

（1）铜合金黄铜：也就是Cu和Zn两者形成的合金。白铜：Ni的质量分数含量在50%以下的Cu、Ni合金叫做简单白铜，在此基础上，添加Mn、Fe、Zn、Al等，则叫做复杂白铜。青铜：其它合金。锡青铜是Cu和Sn的合金；而Cu和Al、Si、Pb、Mn等的合金则叫做无锡青铜。