5.4 ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА АППАРАТОВ И БИМЕТАЛЛОВ (СТАЛЬ - ТИТАН)
Наряду с биметаллом (сталь - сталь) в аппаратостроении широко применяются двухслойные материалы с композицией сталь - цветные металлы. Это - сталь - титан, сталь - медь, сталь - алюминий, сталь - серебро и многие другие биметаллы, в том числе на основе соединения цветных металлов между собой (титан - медь, медь - цинк и др.) Выбор того или иного материала зависит от конкретных условий эксплуатации аппаратов (агрессивность среды, температура, давление), их габаритов и других факторов.
Каждая комбинация составляющих биметалла требует индивидуального подхода, как к технологии изготовления биметаллического листа, так и к последующей переработке его в готовое изделие.
Общим специфическим отличием в соединениях цветных металлов с углеродистыми сталями является наличие в зоне сварки слоев включений интерметаллического характера, которые по своим свойствам резко отличаются от свойств составляющих данной композиции.
В рамках пособия рассмотрим особенности изготовления аппаратов из биметалла (сталь - титан), который наиболее часто, наряду с композицией (сталь - медь), применяется в практике отечественного аппаратостроения, в частности, на АО "Уралхиммаш".
5.4.1 ПОЛУЧЕНИЕ БИМЕТАЛЛА СТАЛЬ - ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА
Получение соединений титана со сталью сваркой плавлением практически невозможно из-за образования интерметаллических соединений (TiFe, NiFe2). Это не позволяет получить сваркой шов с содержанием железа в пределах растворимости его в титане - 0,05 ... 0,1 %.
Кроме того, при сварке титана с углеродистыми сталями выделяются карбиды титана, которые охрупчивают металл шва. Поэтому наиболее перспективной является сварка титана со сталью в твердом состоянии с минимальным перемешиванием металлов и защитой от окисления.
Листовой двухслойный материал сталь - титан получают у нас в стране диффузионной сваркой в вакууме, прокаткой герметизированных пакетов в обычных станах, холодной деформацией и сваркой взрывом. Каждый из указанных методов имеет свои преимущества и недостатки, которые позволяют в том или ином объеме использовать их в практике. Учитывая, что данный биметалл в зоне сварки не обладает необходимой прочностью, при его получении используют специальные прослойки из ванадия, ниобия, меди и их комбинаций. Так, например использование промежуточного слоя из ванадия толщиной 0,08 - 0,25 мм при прокатке (12 проходов) с подогревом получается биметалл с прочностью до 550 МПа.
При прокатке герметизированных пакетов используют пирофорные материалы (магниевая стружка, церий или его сплавы), которые при сгорании связывают кислород воздуха.
Способом вакуумной прокатки с разделительным слоем из окиси магния получают, например, листовой материал ВМСт3сп - ВТ1-0 толщиной до 60 мм (плакирующий слой 10 ... 15 % общей толщины). При этом пакеты нагревают до 1000 ... 1050 °С с откачкой воздуха до 1,5 • 10-2 ... 5 • 10-5 МПа и обжатием 8 . 30
%. Прочность биметалла на срез составляет 150 ... 200 МПа.
Значительно меньшей прочностью обладает биметалл, полученный сваркой взрывом. Имеются сведения об изготовлении биметалла ВСт 3сп - ВТ1-0 размером 1000 х 4600 мм и толщиной 20 ... 100 мм с прочностью 70 . 90 МПа.
Наличие на границе раздела биметалла сталь-титан твердых растворов одного металла в другом, интерметаллидов, новых тройных и более сложных сплавов за счет дополнительного легирования диффундирующим элементом, легкоплавкой эвтектики и других соединений не позволяет использовать этот материал в условиях динамических нагрузок.
Сравнение прочности биметалла ВТ1-1 со сталями Ст3, Ст5, 45 и 09Г2С показало отрицательное влияние углерода на прочность соединения. Так увеличение содержания углерода до 0,45 % снижает ств с 260 до 140 МПа. Для улучшения физических свойств в переходной зоне биметалла сталь - титан следует проводить низкотемпературный отжиг при температуре 450 - 500 °С.
Установлено, что отпуск (выдержка в течение 1 ч при 550 °С, охлаждение на воздухе) снижает механические свойства граничного слоя, однако делает его нечувствительным к термическому циклу сварки. Этому также способствует наличие в граничной зоне биметалла подслоя (ванадия и др.).
Существенное влияние на качество стыковых соединений изделий из биметалла сталь - титан оказывает термический цикл сварки. Установлено, что необходимо удалять из зоны сварки плакирующий слой. Так при сварке биметалла толщиной 20 мм с 9-образной разделкой кромок и сварке со стороны основного слоя (автоматическая сварка) плакирующий слой удаляется на расстоянии 13,5 мм от оси шва.
Недопустим разогрев граничного слоя при ручной и автоматической сварке до температуры выше 700 °С. Более высокий нагрев сопровождается резким снижением сопротивления отрыву и срезу.
5.4.2 СВАРКА БИМЕТАЛЛА СТАЛЬ - ТИТАН
Важнейшим элементом технологии изготовления химической аппаратуры из биметалла сталь - титан является технология сварки, которая в значительной степени определяет возможность его применения. Технология должна обеспечивать высокие механические свойства и высокую коррозионную стойкость сварных соединений, что позволит использовать биметалл почти во всех случаях, когда для химической аппаратуры используются коррозионная сталь и титан.
Сварка стали, плакированной титаном, имеет ряд особенностей, связанных с невозможностью непосредственного соединения титана со сталью распространенным способом сварки - плавлением, так как при их сплавлении образуется большое количество твердых хрупких интерметаллидов, карбидов и хрупкой эвтектики Fe^i, образующейся при 1085 °С. Все они способствуют самопроизвольному разрушению сварных соединений. В связи с этим в практике изготовления конструкций из биметалла сталь - титан в основном используют разнообразные конструктивные решения, которые предусматривают не сплошное проплавление титанового или стального слоев, а использование переходно-разделительного слоя, способного удовлетворительно сплавляться с титаном и сталью (из серебра, ванадия и др.), применение вставок, накладок и др.
Предложен ряд способов сварки биметалла углеродистая сталь - титан, которые условно можно разделить на группы: специальными приемами, со вставками и накладками, с разделительными слоями.
Рассмотрим некоторые варианты технологии сварки этого биметалла.
На рис. 5.37 показан способ сварки, при котором сварка основного металла производится в несколько проходов (9-образная разделка кромок) со снятием усиления шва заподлицо. Часть титановой плакировки удаляют, а на ее место вставляют стальную полосу шириной 30 мм. Затем устанавливают и прихватывают накладку из титана, которую обваривают аргоно-дуговой сваркой.
Как вариант этого способа, вместо удаленной титановой плакировки устанавливают вкладыш из титана, который затем приваривают аргоно-дуговой сваркой к титановой плакировке (рис. 5.38).
Менее технологичен способ сварки с применением фигурной вставки из титана (рис. 5.39), совмещающий как функции собственно вставки, так и накладного листа. На рис. 5.40 показано сварное соединение, которое выполняют в следующей последовательности. После снятия плакирующего слоя обе кромки титана приваривают к стали чистым серебром аргоно-дуговой сваркой. Это необходимо для того, чтобы в биметалле не нарушалась связь, когда с внешней стороны листа будет завариваться стальной стык.
После заварки стального стыка корень шва вырубают, и одновременно с его проваркой наплавляют углеродистую сталь до внешней поверхности титана. Серебряный шов служит при этом диффузионным барьером. Затем проваривают накладку из титана.
Рекомендуется также пространство между сталью и титановой накладкой заполнять нержавеющей сталью, ванадием, легкоплавкими сплавами на серебряной основе и даже эпоксидной смолой.
Другой способ сварки биметалла сталь - титан выполняется по следующей технологии. Проводят специальную разделку кромок свариваемых элементов. Разделка позволяет выполнять шов основного (стального) слоя биметалла отдельно от шва на плакирующем слое (рис. 5.41). По обе стороны от оси стыка полностью удаляют плакировку для получения площадки некоторой ширины. При этом кромки остающегося плакирующего слоя обрабатывают с уступом, а по ширине состроганной площадки вставляют вставку из титана, толщина которой должна быть несколько меньше или равной толщине плакирующего слоя. Подлежащие сварке вставки должны иметь скос кромок.
Со стороны основного слоя биметалла выполняют 8-образную разделку с углом скоса
60°. Вначале сваривают основной слой, а затем с обратной стороны изделия приваривают двумя швами вставку из титана с соответствующей присадкой, не допуская сквозного проплавления перемычки, оставленной при разделке кромок плакирующего слоя и вставки. При выполнении этих швов в узкий зазор между вставкой и основным слоем подают защитный газ через небольшое отверстие, предварительно просверленное по оси шва в основном слое. Благодаря тому, что место расположения этих швов удалено от шва в основном слое, исключается возможность проплавления корня последнего и попадания в него Ti из плакирующего слоя, а защита инертным газом корня шва при приварке вставки обеспечивает высокое качество шва в плакирующем слое и сварного соединения биметалла в целом.
Следующий способ - сварка с чередованием вставок. При таком решении под плакирующий слой подводятся две вставки: одна из стали, другая из титана (рис. 5.42). Недостатком способа является существенное ослабление стального слоя и дополнительный расход металла.
Наряду с использованием вставок и прокладок для сварки биметалла сталь - титан используют также разделительные слои создаваемые пайкой или сваркой плавлением. Так на рис. 5.43 показан способ сварки встык с использованием серебряного припоя ПСр-25.
Разделка кромок 9-образная. Последовательность сварки следующая: первый проход - аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом титана с неполным проваром с поддувом аргона для защиты обратной стороны шва; второй проход - пайка корня шва припоем ПСр-25; третий и четвертый проходы - ручная электродуговая сварка стали.
Применяются также сварка, при которой сначала подготавливают свариваемые кромки биметалла, а затем сваривают титановый слой. После этого производится наплавка корневого шва ванадием на стальной слой, который затем сваривают обычным способом до полного профиля (рис. 5.44).
В качестве разделительного слоя предлагается также использовать порошковый композиционный материал, состоящий из карбида титана и легкоплавкой составляющей (кобальт, никель или их композиции). На рис. 5.45 показана схема сварки по этому способу.
Для сварки биметалла сталь - титан используют также электронно-лучевую сварку. Большая концентрация энергии, быстротечность процесса и малая зона взаимного сплавления позволяет получить этим способом сварное соединение с достаточно хорошими характеристиками (рис. 5.46).
Недопустимость непосредственного соединения стали с титаном сваркой плавления вызывает необходимость поиска новых конструктивных решений при сборке отдельных элементов аппаратов. Пример соединения фланца с корпусом обечайки представлен на рис. 5.47.
Продольные и кольцевые швы выполнялись по варианту, показанному на рис. 5.48.
Во всех соединениях уплотнение зазоров между стальными деталями и титаном предлагается заполнять сенусилом - отверждающим силоксановым каучуком.
Анализ зарубежных и отечественных материалов и производственного опыта по вопросу сварки биметалла углеродистая сталь - титан показывает, что способы сварки особыми приемами (с вставками и накладками и некоторые с разделительными слоями) обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение. К ним относятся: применение дорогостоящих заполнителей и припоев; снижение термостойкости в случае заполнения пустот в сварных соединениях эпоксидными смолами; неполный провар во многих случаях стального, титанового или обоих слоев биметалла; большая трудоемкость из-за высокой точности и сложности подгоночных работ в вариантах со вставками; нетехнологичность многих методов при выполнении угловых сварных швов; возможность применения многих из них только при изготовлении аппаратуры, работающей при постоянном давлении; дополнительный расход дорогостоящих и дефицитных материалов ниобия и титана на прокладки, вставки и накладки.
Поэтому более предпочтительной является сварка с применением разделительных прослоек из тугоплавких материалов, нанесенных плазменной струей, которые имеют следующие преимущества:
• плазменной струей можно наносить разделительные слои от нескольких микрометров до 1 - 2 мм на разделку кромок под сварку любой формы;
• возможность использования для плазменного напыления любых материалов в виде порошков или проволоки, не разлагающихся в плазменной струе;
• высокая производительность процесса плазменного нанесения разделительных слоев;
• возможность полного провара, как основного, так и плакирующего слоя биметалла сталь - титан.
5.5 НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Широкое применение биметаллов в аппаратостроении позволяет не только существенно снизить себестоимость изделий за счет дорогостоящих антикоррозионных и стойких к агрессивным средам материалов (нержавеющая сталь, титан, медь, алюминий, серебро и др.), гарантировать высокую надежность оборудования, создавая композиции с оптимальными эксплуатационными характеристиками, но и создавать принципиально новые конструкции аппаратов и отдельных узлов.
Наибольший практический интерес представляет создание конструкций корпусных биметаллических деталей аппаратов, в стенках которых размещаются сообщающиеся между собой полости. Их можно применять для регулирования технологических процессов внутри аппарата, нагревая или охлаждая его корпус. Это важно, так как почти все химические процессы протекают с выделением или поглощением тепла, и поэтому требуется нагревание или охлаждение реакционной массы, т.е. терморегулирование процесса.
Поскольку, для большинства случаев скорость химического процесса велика, по сравнению с возможной скоростью теплообмена, именно им ограничивается интенсивность проведения процесса и определяется производительность аппарата. Хороший теплообмен достигается путем размещения змеевиков или трубчатых элементов непосредственно в реакционной зоне аппарата. Данное конструктивное решение используется, в основном, при проведении процессов, для которых необходимо перемешивание реакционной массы (обжиг в движущемся слое, синтез винилацетата и т.п.).
Однако данный способ терморегулирования процесса не всегда может быть использован, так как имеет ряд существенных недостатков: уменьшение реакционного объема; контактирование змеевика с агрессивной средой; сложность узлов уплотнения; трудности очистки аппарата от реакционной массы. Поэтому, с точки зрения удобства контроля за состоянием оборудования, а также простоты конструкции и обеспечения более "мягкого" и равномерного нагрева (охлаждения) реакционного объема аппарата, следует отдать предпочтение наружным теплообменным устройствам. К ним в первую очередь следует отнести рубашки различного конструктивного исполнения. На рис. 5.49 показаны варианты исполнения 8-образной (рис. 5.49, а) и цилиндрической (рис. 5.49, б) рубашек, и способы ее сопряжения с корпусом сосуда (рис. 5.49, в).
При использовании жидких теплоносителей для увеличения скорости их движения, к рубашке или корпусу приваривают спираль (рис. 5.49, а).
Наряду с рубашками применяют также змеевики (рис. 5.50), выполненные из цельных (рис. 5.50, а) или разрезанных на две части труб (рис. 5.50, б) профильной стали (рис. 5.50, в).
При конструировании установок с высокотемпературными теплоносителями используют комбинированные системы охлаждения, например рубашка - змеевик.
Общим недостатком рассмотренных конструкций (змеевики и рубашки) является низкий коэффициент теплопередачи из-за удаленности теплоносителя от реакционной зоны и необходимость при этом преодолевать высокое термическое сопротивление корпуса аппарата.
Рис. 5.49 Варианты конструктивного исполнения корпусов аппаратов с наружными рубашками
Рис. 5.49 Варианты конструктивного исполнения корпусов аппаратов с наружными рубашками
Увеличением эффективности работы устройств принудительного охлаждения (нагревания) реакционной зоны аппарата является размещение каналов охлаждения внутри материала корпуса. Применяются конструкции корпуса, включающие чугунный сосуд со стальной рубашкой, в которой расположены змеевики. Для улучшения условий теплопередачи змеевики заливают свинцово-сурьмяным расплавом. На рис. 5.50, г показана схема конструкции корпуса сульфуратора, выполненного по данной технологии.
При изготовлении толстостенных аппаратов из чугуна используются корпуса Фрейдеркинга, в которых стальной змеевик находится непосредственно в стенке корпуса, получаемого литьем (рис. 5.50, Э). Толщина стенки корпуса 6 = 70 мм, диаметр трубок G = 20 - 30 мм, шаг змеевика t = 60 - 100 мм. Однако больший вес аппарата определяет его высокую стоимость. Кроме того, коэффициент теплопередачи недостаточно высокий, особенно в тех случаях, когда из-за низкого качества литья между стальными трубками и чугуном в отливке имеются зазоры.
Принудительное охлаждение деталей используется при изготовлении эллиптических днищ аппаратов методом штамповки. Конструкция водоохлаждаемого пуансона штампо-сварного исполнения представляет собой две куполообразующих детали 1 и 2 (рис. 5.51), между которыми размещен элемент 3, образующий канал для циркуляции хладагента. Размещение каналов охлаждения внутри стенки пуансона способствует эффективному отводу тепла в процессе штамповки эффективному отводу тепла в процессе штамповки днищ и, как следствие, позволяет повысить точность внутренних диаметров в 4 ... 5 раз.
Создание новых, более совершенных с точки зрения условий теплообмена конструкций систем регулирования температуры, корпусов аппаратов, взамен рассмотренных выше, сдерживается из-за отсутствия экономически выгодных и реально осуществимых технологий обработки металлов, позволяющих разместить системы нагревания (охлаждения) непосредственно в корпусе аппарата. Использование биметаллических аппаратов открывает новые перспективы в решении указанной проблемы.
|
Скачать 498.97 Kb.