环境工程设备材料

1、环境工程设备与设计,主讲教师： 张仲欣 E-mail：,本课件使用说明,1、红颜色：标题； 蓝颜色：需记笔记的内容； 绿颜色：重点； 黑颜色：解释性材料； 棕颜色：重复前页的标题。 2、页面切换声：“咔嚓”； 页面上增加内容声：“铛”或“嗒嗒”。,教材：,普通高等教育“十一五”国家级规定教材 环境工程设备 金兆丰主编 化学工业出版社 主要参考书： 化工设备机械基础 董大勤主编 化学工业出版社,本课件使用说明,主要内容及学时安排,绪论 2学时 第1章 环境工程设备材料 8 学时 第2章 容器设计与制造 16 学时 第3章 管道与阀门 6 学时 第4章 机械传动与减速器 10 学时 第5章 环境工程设备设计实例 6 学时,本课程的学习方法,一、开设本课程的目的与意义 1.了解环境工程设备的相关知识，能认识设备。 2.掌握环境工程设备的结构、原理、工作过程、特点等，为设备的选型配套打基础。 3.掌握环境工程设备设计的基础知识与方法，为设备的设计与改造打基础。,二、本课程的学习方法 1.提倡记笔记，必须做作业。 2.期末考试：平时占30%，卷面占70%。缺课4次（注意：不是旷课4次）不得参加本

2、课程的考试。 3.答疑时间：周二晚上8点-10点， 地点：2-231（ 2号楼2楼最西头）。,绪论,主要内容： 1.环境工程设备的定义和分类 2.机械类与容器类环保设备 3.标准化知识简介 4.环境工程设备的选用与设计原则,1.定义： 以控制环境污染为目的的设备，称为环境保护设备或环保设备 环境保护设备是水污染治理设备、空气污染治理设备、固体废弃物处理设备、噪声与振动控制设备、放射性与电磁波污染防护设备的总称。,一、环境工程设备的定义与分类,按类别、亚类别、组别和型别四个层次进行分类。 （1）按类别：即按控制的污染物对象分类 水污染治理设备 空气污染治理设备 固体废弃物处理处置设备 噪声与振动控制设备 放射性与电磁波污染防护设备,2.分类：,2.分类：,（2）按亚类别：即按环保设备的原理和用途分类 物理法 化学法 物理化学法 （3）按组别：即按功能原理分类 如用于分离的原理有： 沉淀 澄清 上浮 气浮 离心 磁分离,2.分类：,（4）按型别分类：即按结构特性和工作方式 如气浮分离器的典型结构有： 溶气气浮 真空气浮 分散空气气浮 电解气浮 泡沫分离器,二、机械类与容器类环保设备,单体设

3、备可分为机械类与容器类两种类型 机械类设备可分为通用设备与专用设备 容器类设备可分为常压容器、中低压容器、高压容器等 常压：只承受容器内介质的静压 低压：介质工作压力1.6MPa 中压：介质工作压力为1.610MPa 高压：介质工作压力为10100MPa 容器类环境工程设备一般是指没有运动构件的设备，主要是指设备的外壳。,三、标准化知识简介,1.标准化的发展历史：由统一性决定 2.标准化的主要作用：便于设计、生产、使用 3.标准化和标准的定义：大家都遵守的规则 4.标准的分类：国家、部门、行业、企业 5.标准的代号和编号：由名称、代号、编号、年份组成。如钢制压力容器（ GB150-1998 ）,6.ISO9000和ISO14000：ISO为国际标准，9000为质量标准，1400为环保标准,四、环境工程设备的选用与设计原则,1.成套设备与单体设备：成套设备满足工艺要求，单体设备尽量选通用设备。 2.通用设备的选用原则：适用、先进、安全、经济 3.专用设备的设计原则：满足工艺要求、结构简单、成本低,第1章 环境工程设备材料,主要内容： 1.材料的基本性能 2.碳钢与铸铁 3.合金钢 4.有

4、色金属及其合金 5.非金属材料与复合材料 6.材料的腐蚀与防腐 7.环境工程设备材料选择,第一节 材料的基本性能,主要包括：力学性能、物理性能、化学性能和加工性能 一、力学性能 力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。这些性能是化工设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据。,一、力学性能,1. 强度 是指材料抗变形或断裂的能力 。 （1）材料拉伸时的应力应变曲线 应力：材料内部单位面积所受的力,应变：构件单位长度所产生的变形,应力的单位为MPa，即106N/m2,1.强度,材料拉伸时的应力应变曲线 材料拉伸试验： 试棒制备,材料拉伸过程演示,l0=10d0,l0= 5d0,一般d0=10mm,1.强度,材料拉伸时的应力应变曲线（画出）,1.强度,p比例极限 e弹性极限 s屈服极限（屈服点） b强度极限 E=tan()材料的弹性模量 在比例极限内，=E,1. 强度,长期静载对强度的影响：蠕变极限n 交变载荷对强度的影响：疲劳极限-1 交变载荷大小用应力循环系数或应力比衡量， r= min/max 疲劳极限-1以106107次交变这材料不被破

5、坏的应力,许用应力,不同的设计对应不同的强度极限。 安全系数是对设备安全性的保护，一般n=25。,2. 硬度,硬度是指固体材料对外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。 是弹性、强度与塑性的综合性能指标。 常用硬度表示方法： （1）布氏硬度(HB)：用于软质材料， 如低碳钢，HB200300 布氏硬度与抗拉强度的对应关系： 低碳钢 b=0.36 HB 高碳钢 b=0.34 HB 灰铸铁 b=0.1 HB （2）洛氏硬度(HRC、HRB)：用于硬质材料， 如高碳钢或合金钢，HRC4060,3. 塑性,延伸率 ,断面收缩率,化工设备材料一般要求5=1020%,其中p为断裂时的应变。L1和s1为断裂时的长度和断面面积。,4.冲击韧性 冲击韧性k：使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积，即,低温容器所用钢板的k值 不得低于0.3MJ/m2,二、物理性能,密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。,三、化学性能 1. 耐腐蚀性 材料对周围介质侵蚀的抵抗能力 2. 抗氧化性 材料抵抗高温氧化的能力。,四、加工工艺性能 1. 可铸性：收缩与偏析 2.

6、可锻性 3. 焊接性 4. 可切削加工性,第一节 材料的基本性能,【作业】 1.一个总重为700N的电机，用一个M8吊环螺钉起吊。螺纹根部直径为6.4mm，其截面上的应力有多大？ 2.一钢管，中径为D，厚度为，要受F的拉力。已知断面上的许用应力为。F允许多大？(圆环面积近似用中径周长乘以厚度),第一节 材料的基本性能,【作业答案】 1.=22MPa 2.F=D,第二节 碳钢与铸铁,碳钢即“铁碳合金”是由95以上的铁和0.054的碳及1左右的杂质元素所组成的合金。 一般含碳量0.022的称为钢； 大于2称为铸铁； 含碳量小于0.02的称为纯铁(工业纯铁)； 含碳量大于4.3的铸铁极脆。 后二者的工程应用价值都很小。,一、铁碳合金的组织结构,1.金属的组织与结构,组织：在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织。,结构：电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构。 不同温度下纯铁面心立方晶格与体心立方如下：,体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,1.金属的组织与结构,铸铁中的碳一般以石墨的形式存在，有不同的组织形貌。石墨在铸铁中的三种存在形式如下

7、：,球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,1.金属的组织与结构,2.纯铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称-Fe， 面心立方晶格的铁称为-Fe。 -Fe加热可变为-Fe， 反之高温下的-Fe冷却可变为-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象， 称“同素异构转变”。 纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。 在固态下重新排列、结晶过程，是钢进行热处理的依据。,3.碳钢的基本组织 碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。 (固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。) 这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,（1）铁素体 碳溶解在-Fe中形成固溶体称铁素体。 -Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。 （2）奥氏体 碳溶解在-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 -Fe原子间隙较大，碳的溶解度比-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故

8、塑性、韧性较好，且无磁性。,3.碳钢的基本组织,（3）渗碳体 碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。 熔点约1600，硬度高。 铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含碳量大于2时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。,3.碳钢的基本组织,（4）珠光体 铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。,3.碳钢的基本组织,（5）莱氏体 珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。 具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。 （6）马氏体 钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳在-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,3.碳钢的基本组织,从铁碳合金状态图中可以看出：温度和含碳量对钢铁组织影响的规律是： 温度由高到低：液体奥氏体珠光体 含碳量由低到高：铁素体渗碳体莱氏体 即：不同含碳量的铁在不同的温度下有不同的组织结构。,3.碳钢的基本组织,三、钢的热处理,钢、铁固态下加热、

9、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。常用的热处理方法有：,1. 退火和正火 退火：缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却。 目的：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。 正火是置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。 2. 淬火和回火 淬火：加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，然后投入到淬火剂中冷却。 目的：淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。,三、钢的热处理,回火：是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 目的：降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。 在150250范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。 中温回火温度是300450。 有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。 综合性能：强度、韧性、塑性等都较好 淬火高温回火习惯上称为“调质处理”。 用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,2. 淬火和回火,时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。 时效处理可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相似。,2. 淬火和回火,3. 表面淬火 使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。 4. 化学热处理 有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高

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