Никель и кобальт – элементы подгруппы железа. По свойствам они сходны с железом, однако имеют и ряд существенных отличий. Плотность их (около 8900 кг/м3) существенно выше плотности железа, чугунов и сталей [(7700…7900) кг/м3]. Оба металла также прочнее и твёрже, чем железо. Оба отличаются меньшей химической активностью и большей коррозионной стойкостью; особо ценное их качество – довольно высокая стойкость к газовой коррозии. Кроме того, оба элемента и их соединения высокотоксичны. Оба металла также значительно дороже железа и его сплавов.
Основное их использование – антикоррозионные наружные покрытия на изделия из железа и углеродистых сталей, наносимые электрохимически. Кроме того, из никеля и кобальта изготовляют детали и узлы пар скольжения и уплотнений. Особое значение имеют сплавы никеля и кобальта с железом – инвар, коинвар, маллой, пермаллой, супермаллой. Эти сплавы имеют высокие магнитные свойства и применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств.
МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ
Медь – двадцать девятый элемент Периодической Системы. Один из двух окрашенных металлов. Мягкий металл. Плотность 8910 кг/м3. Отличается высокой тепло- и электропроводностью; диамагнитна. Хорошо поддаётся термомеханической обработке, литью, пайке и сварке.
Стандартный потенциал основной реакции окисления меди U0 (Cu0 Cu2+ ) = 0,34 В. Медь достаточно устойчива к действию воды и разбавленных водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчива в растворах аммиака и аминов (особенно алифатических). Также неустойчива к окислителям (азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, растворам бихроматов).
Медь как чистый металл в химическом машиностроении применяется для изготовления электроведущих деталей (провода, шины, электроды электрохимических реакторов); деталей и узлов пар скольжения и деталей уплотнений (вкладышей, гильз, колец, шайб) в аппаратуре высоких давлений и глубокого вакуума.
Большое значение имеют сплавы меди: латуни и бронзы.
Латуни и бронзы по коррозионной стойкости не уступают или превосходят медь (особенно по отношению к атмосферной коррозии). По механическим свойствам, как правило, превосходят медь. Наибольшей стойкостью отличаются алюминиево-бериллиевые бронзы. Применяются для изготовления труб, корпусов и внутренних деталей трубопроводной арматуры, уплотнительных деталей аппаратуры, теплообменных аппаратов, деталей КИПСА.
СВИНЕЦ
Восемьдесят второй элемент Периодической Системы. Мягкий белый металл. Плотность 11344 кг/м3. Свинец и все его соединения высокотоксичны. Стандартный потенциал основной реакции окисления свинца U0 (Pb0 Pb2+ ) = - 0,126 В. Стойкость свинца определяется образованием оксидных плёнок. Малостоек в растворах окисляющих, а также низших органических кислот. Достоинство свинца – стойкость в электрохимических процессах и стойкость к фторидам. Особое значение имеет сплав свинца с (6…12) % олова – гартблей («твёрдый свинец»). Применяется – ограниченно - в виде листов для наложения - плакирования рабочих поверхностей аппаратуры сернокислотного производства; процессов сульфирования, фторирования; а также для изготовления деталей насосов, арматуры и электродов. Верхний температурный предел для оборудования со свинцовыми покрытиями – 120 0С.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Тринадцатый элемент Периодической Системы. Самый распространённый из металлов – 7,4 % в земной коре; присутствует в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов. [ Кристаллический оксид - Al2O3 – корунд – второй по твёрдости минерал после алмаза (9 баллов по шкале Мооса)]. Тип кристаллической решётки – ОГЦ. Мягкий белый пластичный лёгкий металл. Плотность ρ20=2702 кг/м3. Температура плавления ТПЛ = 660 0С. Отличается высокой теплопроводностью (λ =188 Вт/м.К) и электропроводностью [σ= (1,6…2,6).107 Сн/м). Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999999 %). Алюминий и его соединения малотоксичны. Стандартный потенциал основной реакции окисления алюминия U0 (Al0 Al3+ ) = - 1,66 В. Стойкость алюминия определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S. Малостоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также щелочей.
Достоинство алюминия – лёгкость; существенный недостаток – низкая прочность. В технике, в т.ч. – химическом машиностроении большое значение имеют сплавы с кремнием, медью, магнием, марганцем, хромом, железом –
силумины, дюралимины, магналины. Дюралюмины имеют высокие прочностные свойства, но низкую стойкость; изделия из них защищают плакированием чистым алюминием. Силуминыотличаются хорошей стойкостью к окислительным нейтральным и кислым средам, а также к газовой коррозии. Магналины имеют наилучшие из сплавов алюминия свойства. Особенность всех сплавов алюминия – нестойкость к контактной электрохимической коррозии –
особенно в парах со сплавами меди и железа.
Таблица 2 – Сплавы на основе алюминия
Наименование
Марки
Массовые доли легирующих добавок, %
Si
Cu
Mn
Mg
Cr, Ti
Fe
Алюминий
АВ, АД
<1,5 - в сумме
Дюралюмины
Д1-Д6
-
2…7
0,4…1,8
0,3…0,9
-
-
Силумины
АЛ1-АЛ7
0,8…13,0
0,2…4,5
-
0,5…13,0
-
-
Магналины
АМгМц, Амгб
-
-
<1
4,0…12,0
0,1
<0,25
Алюминий и его сплавы применяют для изготовления реакторов, кристаллизаторов, сосудов, фильтров, теплооб
менников, дистилляционных и ректификационных аппаратов и труб, работающих под давлением до 0,6 МПа.
ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
Двадцать второй элемент Периодической Системы. Четвёртый по распространённости из металлов – 0,58 % в земной коре. Присутствует всегда вместе с другими элементами в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов в т.н полиметаллических рудах; относится к рассеянным элементам. Тип кристаллической решётки – ОГЦ. Твёрдый белый с синеватым отливом лёгкий металл [(7…8) баллов по шкале Мооса].. Плотность ρ20=4550 кг/м3. Температура плавления tПЛ = 1725 0С. Отличается умеренной теплопроводностью [λ20 = ( 7…18) Вт/м.К] и электропроводностью [σ= (1,6…2,6).107 См/м).
Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999 %). Тугоплавкость титана делает производство весьма энергоёмким и дорогим. Титан и его соединения малотоксичны.
Титан и его сплавы весьма прочны и тверды [6-8 баллов]. Поддаются всем основным видам термомеханической обработки: ковке, прокату, штамповке, резанию, сварке, обработке методами порошковой металлургии.
Стандартный потенциал основной реакции окисления титана U0 (Ti0 Ti2+ ) = - 1,63 В. Стойкость титана определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Титан легируют добавками Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu, Pd, Pt. Титан устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S; а также в растворах едкого натра и едкого кали при массовой доле до 20 %. Менее стоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также крепких щелочей. Нестоек в растворах HF и HCl при температурах выше 50ОС; присутствие окислителей - бихроматов, перманганатов – в среде повышает коррозионную стойкость титана. Титан исключительно стоек в морской воде и морской атмосфере. Легирование – особенно цирконием, молибденом и танталом - повышает коррозионную стойкость титановых сплавов в (2…200) раз. В некоторых органических средах титановые сплавы более стойки, чем даже стали класса Х18Н10Т.
Титан и его сплавы имеют три фундаментальных достоинства: лёгкость (в 1,7 раза легче стали); прочность и высокая стойкость. Титан и его сплавы наряду с коррозионностойкими сталями являются наиболее ценными конструкционными материалами для химического машиностроения. Из титановых материалов можно изготавливать практически любые рабочие детали, узлы и агрегаты любых машин и аппаратов химических производств.
Широкое использование титана сдерживается его дефицитностью и большим потреблением в военной технике, особенно судостроении. Важно отметить, что почти 90 % мировых запасов и около 80 % мирового производства титана приходится на Россию.
СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Так в целом называют все материалы, существенным компонентом которых является двуокись кремния. В основном это полиминералы: полиоксиды; полисиликаты; силикаты-карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и железа.
Общими свойствами таких материалов являются высокая твёрдость [(6…8) баллов по шкале Мооса]; хрупкость (кроме асбеста); высокая химическая стойкость в большинстве сред (особенно кислых), кроме крепких щелочей, фтора и фторидов.
12.1. ПРИРОДНЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
Граниты.Гетерогенные минералы; состоят из (70…75) % SiO2; (13…15) % Al2O3; (7…10) % Na2O, CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость 6 баллов по шкале Мооса. Термостойки до 250ОС.
Бештауниты(от названия горы Бештау). Содержат (60…70) % SiO2; (30…40) % Al2O3, Na2O CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость 6 баллов по шкале Мооса. Термостойки до 800ОС.
Андезиты. Содержат (59…62) % SiO2; (30…40) % Al2O3, Na2O CaO и MgO. Кислотостойки. Твёрдость (3…4) балла по шкале Мооса. Термостойки до 200ОС.
Гранитные блоки и плитку применяют для футеровки аппаратуры бромного и йодного производства, абсорберов азотной кислоты и HCl, а также других кислых газов. Из гранита вытачивают корпуса электрофольтров.
Бештауниты используют как футеровочный материал для аппаратуры, контактирующей с кислыми средами.
Андезиты также применяют для футеровки и как наполнитель в кислотостойких цементах и бетонах.
Асбест. Дигидрат силиката магния 3MgO.2 SiO2.2H2O. Уникальный по структуре и свойствам минерал. Имеет линейную структуру макромолекул. Термостоек до 1700 0С. До недавнего времени являлся основным теплоизоляционным материалом для наружных поверхностей аппаратуры и трубопроводов; в настоящее время вследствие токсичности используется ограниченно.
12.2. ИСКУССТВЕННЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
12.2.1. КАМЕННОЕ ЛИТЬЁ.
Материал, получаемый сплавлением горных пород при (1400…1450) ОС. Сырьём служат – базальты, диабазы, шихта, металлургические шлаки. Например, плавленый диабаз содержит (47…48) % SiO2; (15…16) % Al2O3; (15…16) % FeO+ Fe2O3; (2…4) % K2O; (11…12) % CaO и (6…7) % MgO. Стоек к любым реагентам, кроме HF. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса; износостоек. Термостойки до 150ОС.
Из диабаза и каменного литья делают футеровочные плитки и блоки, трубы, фасонные изделия, желоба, литые
царги абсорбционных колонн.
12.2.2. СТЕКЛО
Общее название материалов, получаемых сплавлением двуокиси кремния с оксидами щелочных. и щелочноземельных металлов, Al2O3, В2O3, оксидами переходных металлов. Стёкла аморфны – являются твёрдыми растворами. Отличительная особенность стёкол – прозрачность и хрупкость. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность (2100…2600) кг/м3. Электропроводны. В химической технике широко применяются стёкла, отличающиеся минимальным линейным расширением, стойкостью и тугоплавкостью.