Cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị trong công nghệ sản xuất và môi trường lý ngọc minh

L Ờ I N Ó I Đ À Uc 'liỏn sách được hiên soạn nham cưng cấp nỉĩừng kiến íhức cơ hán về thỉêt kê, ché tạo thiết bị công nghệ trong sàn xuất và hao vệ môi trường như: thiết bị hóa học, thiế

LÝNGỌC MINH

L Ờ I N Ó I Đ À U

c 'liỏn sách được hiên soạn nham cưng cấp nỉĩừng kiến íhức cơ hán về thỉêt kê, ché tạo thiết bị công nghệ trong sàn xuất và hao vệ môi trường như: thiết bị hóa học, thiết bị truyền nhiệt, íruvèn chất, thiết bị phan ứng thiết bị lên men, íhỉếí bị cơ học.,, đặc biệt là những thìet bị lủm việc trong điểu kiện có áp suất dư.

Trên cơ sờ kiến thức lý thuyết đă được giời thiệu trong các tài liệu chuyên ngành vế vật liệu kỹ' thuật, thiết bị hóa chắt, thiết bị nhiệt-lạnh của các tác giá trong

vù ngoài nước: kinh nghiệm trong sàn xuât, huân luyện và quân lý kỹ thuật cũng như kỉnh nghiêm trong giáng dạy, đào tạo cho sình viên trường Đ H công nghiệp Tp.Iỉồ Chí Minh vù một số trường ĐH khu vực phía Nam của tác già, tác giả hiên soạn cuồn sách này, phục vụ công tác giáng dạy và học tập môn học thiêt kế, chế tạo thiết bị cùa các ngành công nghệ hóa hục, thực phám, sinh học, môi trường chế biên thủy hài sàn, cóng nghệ sau thu hoạch Sinh viên các ngành công nghệ nhiệt- lạnh, khoa học háo hộ lao động, kỹ thuật an toàn cũng cỏ thê sử dụng cuốn sách này như là một tài liệu tham kháo cho các môn hục liên quan tới nội dung cuốn sách Cuốn sách cũng hữu ích cho các giáng viên, cán hộ kỳ thuật và độc giá quan lủm tới lĩnh vực thiết bị công nghệ trong sàn xuất và môi trường.

Diêm đặc biệt cùa giáo trình là được biên soạn với mục đích giúp sinh viên có thê tự học, nhăm đáp ímg nhu cầu đào tạo theo tín chỉ, cũng như đào tạo từ xa, nên cuốn sách đâ đưa ra nhiều hình ánh, ví dụ thực tẽ đê minh họa một sô nội dung thường được cho lù trừu tượng.

Mặc dù tác giả đã rất cố gắng, nhưng không thể tránh khỏi thiếu sót về nội dung cùng như khiếm khi4vểt trong việc sứ dụng tài liệu tham khảo Xin gửi lờ i cảm

ơn tới các tác giá cùa những cuốn sách, những tài liệu tham khảo quỷ báu mà tác giá đà sứ dụng trong quá trình biên soạn Tác già ?nong nhận được những ỷ kiến góp ý của củc chuyên gia, cua các thầy, cô giảo, các em sình viên cũng như cùa bạn đục dế cuốn sách ngày ?nội hoàn thiện lum M ọi ý kiến đóng góp, xin gửi về:

٠ Chi nlĩáìĩh NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật: 28 Đồng Khởi, phường Ben Nghé,

Q l, Tp HỒ Chí Mình Đt (083) 8225062-8296628.

٠ Tác giá: Lý Ngục Minh, bộ môn máv vù thiết bị công nghiệp, khoa công

nghệ hoá học vù môi trưởng - trường ĐH Công Nghiệp Tp Hồ Chỉ Minh Đ ịa chi:

12 Nguyễn Văn Bào, F 4, ọ Gò vấp, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: (08) 38940390 (máy ?lội bộ: 567); E-mail: lyngocminhíàỊhuỉ.edu.vn; ngocminhlyídặvnn.vn.

Xin chán thành cám cm.

Tác giả

Lý Ngọc Minh

MỤC LỤC

L Ờ I N Ó I Đ À U 3

Chương 1 C Á C γ Ε υ T Ò c ơ B Ả N K H I Τ ؛ Ν Η T O Á N T H IẾ T K É t h iEt b ị c On g n g h ệ s ả n x u At v à m ô i THƠ Ờ NG ! ! M Ộ T S Ó L ư u Y K H ItIn h t o An t h i ế t b ! c ô n g N G H Ệ SẢN X U At v à m ô i t r ư ờ n g 8

1.2 TH Ô N G SÔ Τ!Ν Η T O An 9

1.2.1 Áp suất tinh toán 10

Ι.2.2 N hiệt áộ tinh toán , 15

Ι.3 ÚN G S U Ấ T CHO PHÉP CỬA K IM LOẠI 17

1.4 H Ệ S Ó B È N 18

1.4.1 Hệ số bền mối hàn 18

Ι.4.2 Hệ số bền do khoét lỗ 19

Ι.5 HỆ SỐ BÔ SUNG C H lE U D À Y Τ !Ν Η Τ0ΑΝ 22

Chương 2 V Ậ T L IỆ U C H É T Ạ O M Ả Y V À T H IẾ T BỊ 2.1 TỐ N G Q U A N VỀ V Ậ T LIỆU C H Ế T Ạ O M Á Y VÀ TH IET b ị 23

2.1.1 Loại vật lỉệ u 23

2 Ι.2 M ột số yêu cầu dối với vật liệu chế tạo tliỉết b! 23

2.1.3 M ột số tinh chất quan trong của vật liệ u 24

2.2 G A N G 27

2 2 1 Dặc tinh cơ bản của gang 27

2.2.2 Gang x á m 29

2.2.3 Gang c ầ u 32

2.2.4 Gang d ẻ o 34

2.2.5 Gang họp k im 35

2-.3 T H É P 38

2.3 Ι T hépcacbon 38

2.3.2 Thép h ^ k im 44

2.3.3 Thép và hợp kim có tinh chất ly, liOa dặc b iệ t 51

2.4 K IM LO Ạ I М Л и 66

2.4.1 Hợp к im nhỏm 67

2.4.2 Hợp kim dồng 71

2.5 MỘT Si) LƯU.Y KHI SỬ DỤNG KIM LOẠI CHẾ TẠO M ẰY VÀ THIẾT BỊ .: : ^ .76

2.5 Ι Yẻu cầu về độ bền lida học 76

2.5.2 Sự phụ thuộc của các tinh chất cơ lí của vật liệu vào nhiệt độ 80

,88 88 90 Chương 3 M Ó I G H É P 3.1 M Ố I GHÉP D IN H T Á N

3 Ι.Ι Khái ٠iiệm chung

3.1.2 Tinh Iơối ghép dinh tán

3.1.3 Tinh mối ghép chắc k in 95

3.2 M Ố I GHÉP H À N 96

3.2.1 Khái niệm chu ng 96

3.2.2 K ý hiệu que h à n 97

3.2.3 Uu, nhược điểm 97

3.2.4 Kết cấu mối hàn và cách tinh độ b ề n 99

3.2.5 Độ bền của mối hàn và ứng suất cho phcp 110 3.3 m Oi g h Ep b Ic h 113

3.3.1 Tổng quan về mối ghép bích 113

3.3.2 Yêu cầu khi thiết kế b íc h 115

3.3.3 M ột sổ loại bích thường g ặ p 115

Chương 4 T H Â N T H Ỉ É T B Ị 4.1 T H Â N T R Ụ 116

4 1 1 Thân trụ ch!u áp suất bên trong 117

4 1.2 Thân trụ chỊu áp suất ngoài 120

4.1.3 Dường kinh lớn nhất cho phCp của 1ة không có gia cường trCn tliân hinh trụ 123

4 1.4 Gia cường các lỗ trên thân hinh trụ 124

4.1.5 Tinh các ống có dường kinh nliO 127

4.2 T H A I H C A U 127

4.2 ! Thâii thiết bị hình cầu, ch؛u áp suất tro n g ] 28

4.2.2 Thân cầu ch؛u áp suất ngoài ! 28

4.3 T H Â N CÓ T !Ế T D!ỆN C H C N H Ạ T ] 29

Chương 5 Đ ÁY V À NẮP T H IÉ T BỊ 5 ا D Á Y V À N ẮP Η !Ν Η ELIP .32ا 5 ا !.C ấ u tạ o 132

5 Ι.2 T ؛n h to á !i 133

5.1.3 Dường kinh lớn nliất clio pliép của lỗ kliOng được gia cường trên đáy cong 134

5.1.4 G ia cường các lỗ trên dáy cong 135

5.2 D Á Y V À N Ắ P C Ầ U 136

5.3 d Ay h In h n On 137

5.4 T ÍN H D Á Y V À N ẮP PHẲNG HINH t r ò n 137

5 4 1 Dáy phẳng không dược gia cường 138

5.4.2 Tinh vácti phẳng dược gia cường 139

5.4.3 Vảch phẳng và dáy pliẳng 141

Chương 6 T ÍN H T H IÉ T B ỊP H Ụ 6.1 ÔNG D Ẵ N CHJU ÁP LỤ'C BÊN T R O N G 144

6.2 C H Â N DỠ, T A I D ỡ V A T A I T R E O 145

6.2.1 Chân dỡ thiết b؛ thẳng dứng 145

6.2.2 Chân dỡthiCt bi nằm ngang 146

6.2.3 Tai tre o 148

6.3 T H A N H NẺO v A On g N É O 148

6.4 V A N A N T O A N 149

Chương 7 CHÊ T Ạ O , LẤP ĐẶT VÀ K IỂ M TR A T H IẾ T BỊ 7 1 0 ٧I t r In h c h ế t ạ o t h iEt b ị 150

7.1.1 Nghiên cứu hồ sơ thiết kế thiết bị trưỏ'c khi chế tạ o 150

7 1.2 Chuẩn b؛ trước k lii chế tạ o 151

7 1.3 Tiến hành chế tạ o 152

7.1.4 Nghiệm thu sau chế tạo 156

7 5 ا Chế tạo cảc thiết bị phụ !56

7.2 lAp R٨P T Ó N G t h ề 157

7.5 K IÈ M T R A T R ٧ỚC K H I X U A T x ư ở n g 158

Phụ lục T ÍN H TO ÁN K IẾ M TRA s ú c BÈN BỒN C H Ư A L P G Ồ TẨN A M Ó TA T H IẾ T B Ị 162

B t h On g s ớ k ỹ t h ư ặ t 164

c T ÍN H C H I T IẾ T c A c B ộ p hẠn c o bAn c ủ a b ò n c hUa 165

D t In H k i ê m t r a m ạ t bIC H 172

E KÉT L U Ậ N 176

BÀI T Ạ P 177

T À I LIỆU T H A M KHAO 180

Sau dây la một số yếu tố cần lưu y khi tinh toán thiết kế thiết b! trong cdng nghệ sản xuất và bảo vệ mỏi trưòng.

a) Cảcуём cầw kỹ thưật khi thiết kế thỉết bị.

Các yẽu cầu kỹ thuật như: nhiệm vụ cUa tliiết b؛, môi trường trong thiết bỊ, các dặc tinh kỹ thuật (năng suất, dung tích, bề mặt trao dổi nhiệt, Ѵ Ѵ ) , các thông số của quá trinh công nghệ (áp suất, nhiệt độ và nồng độ), cUng nhir tinh bền vững, độ ổn dinh và tínli an toàn cUa tliiết b!

H in li 1.1 giOi thiệu hinh ảnh một thiết bị khi làm việc phải dáp ứng yêu cầu cOng nghệ, tinh bền vững, độ ổn d ؛nh, bảo dảm an toàn và bảo vệ môi trường

Hình 1.1: Hình ảnh một thiết Ы khi làm việc phả؛ đáp ứng yêu cầu cftng

nghệ, tinh ben vững, độ on định và hảo đảm an toàn

h) Các yêu cầu khi chọn vật liệu để thiết kế, chế tạo thiết bi

M ột vấn đề rất quan trọng khi thiết kế các thiết bị công nghệ, đặc biệt là công nghệ hóa chất là việc lựa chọn vật liệu chế tạo sao cho đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, đồng thời đảm bảo thiết bị có đủ độ bền án mòn hóa học và độ bền

cơ học ở áp suất và nhiệt độ làm việc, góp phần thực hiện công nghệ xanh (hình 1.2)

Đối với các thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, hợp lý nhất là dùng lóp lót phủ lên mặt trong thiết bị Các vật liệu lót có thể là kim loại hoặc phi kim loại, có khả năng chống được ăn mòn hóa học cùa môi trường, như thép không

ri, gốm, sứ nhựa epoxy

Hình L2: Yêu cầu thiết kế an toàn thiết bị trong công nghệ xanh

c) S ử dụng các chi tiết đã được tiêu chuẩn hóa.

Khi thiết kế máy và thiết bị cần tận dụng các chi tiết đã được tiêu chuẩn

hóa, vì rất thuận tiện trong việc sử dụng, thay thế, sũ٠a chữa và lắp ráp Chú V tiết kiệm vật liệu chế tạo để thiết bị được chế tạo có khối lượng nhò, nhưng khỏng ảnh hưởng tới các yêu cầu về độ ben vững và tính an toàn

Mâm đ ١،mg xúc tác ^^١١١١^

^2 Mảy nén 3 Màm chiiyêrì hoa

1 Các khi được trộn đều

sử dụng N2 H ؛ N H ٦

4 Buồng iâm lạnh

N H ٦ đóng thùng

Hình 1.3: Thiết hị trong chu trình tổng hợp NH_Ì từ N2và H2

1.2.1 Áp suất

Áp suất là lực tác dụng lên đơn vị diện tích bề mật Đơn vị cùa áp suất theo

hệ SI là Pascal (Pa) Theo định nghĩa, I Pa = 1 N/m ؛ Trong thực tế, thường dùng bội số cùa Pascal là Megapascal (MPa) Ngoài ra, còn dùng một số đơn vị khác như: 1 bar, kG/cm؛, mmHg, kp/cm؛ Một số nước như: Anh, M ỹ còn sử dụng đơn vị lb f/in ؛ (PSl): Pound (0,45336 kg) per square inch (6,452! cm؛ ) Chuyển đổi giữa các đơn vị như bảng 1.1

Bảng 1.1: Bảng chuyển đôi giữa các đơn vị đo áp suất

Á p suất làm việc có thể được sinh ra do các quá trình công nghệ, có thể là

áp suất từ công đoạn trước đưa tới, có thể chỉ là áp suất cùa môi chất chứa trong thiết bị (nếu thiết bị là binh chứa)

Phần lứn các thiết bị chịu áp suất từ tron٤ỉ ra, ờ điều kiện áp suất dư áp suất làm việc là áp suất của môi trường trong thiết bị sinh ra khi thực hiện các quá trình công nghệ, không kế áp suất tăng tức thời như đã nói (khoảng 10 % áp suất làm việc) ờ trong thiết bị Hình 1.4 giới thiệu các thiết bị khác nhau trong còng nghệ sản xuất methanol áp suất thấp

Hdi nưỡc

Nd١3c

Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ sản xuất methanol áp suất thấp

I TB phan ứng: 2 TB trao đồi nhiệt: 3 TB làm lụnh: 4 Tháp phàn ly:

5 Máy nén tuần hoàn: 6 Máy nén khí

Hiện nay, methanol được sản xuất trong công nghiệp chù yếu bằng phương pháp chuyên hoá từ khí tổng hợp Theo áp suất, quá trình tổng hợp methanol được phân loại như sau:

- Ọuá trin h tổng hợp methanol áp suất cao: 25 - 30 MPa;

- Ọuá trinh tổng hợp methanol áp suất trung bình; 1 0 -2 5 MPa;

- Ọuá trình tổng hợp methanol áp suất thấp; 5 - 1 0 MPa

Độ chuyển hóa của CO3 và c o khi đạt tới trạng thái cân bằng phụ thụôc

quá trinh reforming hoi اااإ'0ا', gồm khoảng !5% CO١8 0 ا٠ c:02٩ 74% 3 2ر ا ١% CHỈ4 Quá trinh áp suất tlìấp có ưu điểm co bảíi !à ٧ốn đầu tir và giá thành sản phẩm thấp١ an toàn hon, co thể !iiih hoạt chọn mO hlnh cha nhà máy Vì vậy, hiện nay hầu hết các nhà máy sản xiiat methano! trên thế giới áều sir dụng cOng nghệ tổng hợp methano! áp suất ĩhẫp.

Các phản ứng tạo methano! dược sản xuất từ khi tổng họp là những ptìản ứng tỏa nhiệt và kèm theo sự giảm thể t ؛ch Do dO, hướng tạo thành methanol sẽ

táng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt dộ١ độ chuvển hóa cực dại dược xác d!nh

bời thànli phần cân bằng Qua các giai đoạn pl٦ản ứng, khi dạt tOi trạng thái cân

băng nhiệt dộng chì cO khoảng 5 0 0 ا؟ kh؛ tỏng liợp dược chuyẻn hoá Do dO, sau

khi methanol và nước ngun^ tụ đưọc tách ra, klií còn lại chưa cliuyển liOa du٠ợc tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứog Nguyên ly của quá trinli tổng hợp methanol

áp suất thấp dược mô tả trên so dồ ờ hinh 4 ا Khi tOng hợp dược dưa vào dưọ'c

nén tới áp suất yêu cầu ( 5 - 1 0 MPa) trong máy nén nhiều cấp (6) K h i trước khi

vào thiết bị phản ứng dưọ٠ c gia nhiệt tại thiết bị trao dOi nhiệt bằng hỗn họ٠p klií nOng sau phản ứng Phản ứng tạo thành methanol là phản Ung toả nhiệt xảy ra

trong thiết b؛ phản ứng (1 )0 nhiệt độ 200.C - 300ﻻ€ Nhiệt phản ứng có thể dược ptiân tán qua một hay nhiều cấp Hỗn họ٠p sau pliản Ung đirợc tiếp tục làm lạnh tại tliỉết b؛ lạnh (3') sau khi qua thiết bị trao dổi nliiệt (2), nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ methanol và nước có thể dưọc tận dụng vào việc khác trong quá trinlì Methanol thô dược tách ra khỏi pha khi trong thiết bị phân ly (.4) và hOa lOng trước khi dưa sang chưng cất K hi tír thiết bị phân ly dược tuần hoàn lại dượckhống chế bời nồng độ và hàm lưọng các hợp chất tro và hệ số tỷ lưọng các cấu

tử cần thiết trong hỗn họ٠p phản irng Methanol thô ra khOi thiết bị phản ứng chứa nước và các tạp chất khác, số lượng và tliành phần tạp chất phụ thuộc vào các diều kiện phản ứng, khi nguyẻn liệu, loại và thOi gian sử dụng xúc tác Methanol thô dược kiềm hoá nhẹ bằng cách clìo thêm vào một lư(.mg nhỏ sOda

dể trung hoà các axit cacboxylic thấp

Lưu ý: Á p suất ghi trên các dồng hồ do cUa các thiết bị lả áp suất dư (trường hợp áp suất trong tlìíết bị 10'ا ١1١0٠ ا ١ áp suất khi quy٤ ١n) hoặc líi cliân không (trường hợp áp suất trong thiết bị nhỏ hơn áp khi quyển) Quan hệ giữa áp suất tuyệt dối, áp suất dư (hoặc châỉi khOng) và áp suất klií quyển dược xác djnh nhu sau:

Trưímg hợp ap suất lớn hơn áp suất khi quyển: Ptđ = Pk.Ị + Pdir;

- Trường họp áp suất nhỏ hơn áp suất kh؛ quyển: Pỉd= Pkí - Pck

Hinh 1.5 giới thiệu quan tiệ chuyển dồi giữa các loại áp suất

Hìntt L5: Quan hệ giữa các loại áp suất

Hinh 1.6 giới thiệu một thiết bị chính trong hệ thống tạo chân không trong sản xuất

Hình 1.6: Hình ảnh một thiết hị tạo chân không trong sản xuất

1.2.1.4 Áp suất tinh toản

Áp suất tinh toán (áp suất thiết kế) tà áp suất díing làm số liệu dể tínti sức

bền và độ ổn ٥ịnh các bộ phận cùa thiết bị١ cỏ má trị lớn hơn áp suấí làm việc của các bộ phận của thiết bị

Hinh 1.7 giới thiệu thông số vận hành của một thiết bị, có ảp suất vận hành

là 270 PSI, áp suất thiết kế là 300 PSl

Hinh 1.7: Thông số vận hành cUa một thỉết bịc&ng nghệ

K ý hiệu áp suất bên trong là Pi, ap suất bên ngoài là Pn Dổi với thiết bị làm

việc ở ảp suất dư١ ảp suất tinh toán lấy theo áp suất dư Nếu môi trường làm việc là chất lOng khi áp suất thUy tĩnh lớn hơn 5% áp suất tinh toán, ta phải cộng thêm áp suất thUy tĩnli của cột chất lỏng tlieo công tliức:

P = P , n ^ g p H ,

ở dây:

p: áp suất tinh toán١ N/m2;

ρ,η : áp suất làm việc của môi chất, N^m^:

g: gia tốc trpng trường, 10 m/s2;

p : khối lượng riẻng cùa môi chất (kg/m'١);

нا : chiều cao cột chất lỏng (m), tinh từ mặt thoá

tới V! tri cần tinh áp suất.

Lưu ý, dối với các chất dễ cháy nổ, như: N H ١ ١ LPG .,á p suất tinh toán lẩy theo quy định Dối với nồi liai vỏ thi vO ngoài chịu áp suất từ trong ra, vỏ trong chiu áp suất từ ngoài vào (nếu áp suất trong klioang vO lớn hon áp suất mặt klioang trong Hìnti 1.8 giới thiệu sơ dồ công nghệ của thiết bi phản ứng hai vỏ

Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ của một thiết bị phản ứng hai vỏ.

1.2.2 Nhiệt độ

1.2.2 ] Nhiêt đô làm viêc của môi chất • ٠ ٠

Nhiệt độ làm việc của môi chất là nhiệt độ cùa môi chất trong hoặc ngoài

thiết b ị١ tùy theo việc tính toán lấy theo môi chất trong hay ngoài thiết bị Ta thường gặp nhiệt độ làm việc là nhiệt độ của môi trường trong thiết bị đang thực hiện các quá trình công nghệ đã định trước

Tro!ig kỹ thuật t!itrờ,١g sử dụiig một số dơn vị dơ II!liệt độ kliác nhau Sơ' dồ hiiih 1.9 giới thiệu cách chuyểti dổi dơn vị siữa các thang do nhiệt độ khác nliau.

ỉ 2.2.2 Nhíệt độ tinh toán cUa th ؛ết bị

Nhiệt độ tinh toán cíia tliiết bỊ !à nliiệt độ cUa vách (tường) của các chi tiết hoặc bộ phận cấu thànli tliiết bl căn cứ vào dO dể xác định ứng suất cho phép của kim loại Nhiệt độ tinh toán của vách thiết bị dược xác d ؛nh như sau:

K hi nhiệt độ của inOi trường bé hơn 250'١c , nhiệt độ tinh toán lấy bằng nhiệt độ lớn nhất của môi trường

K hi dun nOng bằng ngọn lửa, bằng klií nOng có nhiệt độ bằng hoặc lOn hơn 250.C, hoặc dun nOng bằng diện, thỉ nhiệt độ tinh toán lấy bằng nhiệt độ cíia môi trưímg tiếp xức với chi tiết dó cộng thêm 50٥c١ nhưng không nho hơn 250.C

M ột số trường liợp dặc biệt:

u Đ ổ i vơ,' các hao hơi nam ngoài vùng dot nóng hoặc được háo ()n tot:

t١ = th

ở dây:

t : nhiệt độ vách thiết bl, ٥c ;

tb: nhiệt độ bão hoà của môi chất trong thiết bj,٠c

b Đ ổ i vở؛ các bao h(íi trong vùng doi lim ;

- Nếu nhiệt độ kliOi nhỏ hơn hoặc bằng 600 "c , nhiệt độ vảch xác địnhnhư sau:

d Đ ố i vơ," các ống lừa thi tinh theo công thirc:

- D ối với ống lửa trơn: tv = tb + 4S + 60 ''c

- D ối vớỉ ống lửa gọn sOng: t = tb + 5S + 60 "c

e Đ ố i vơ,' các chùm ống sinh h ơ i tv = tb + 60 "c

/ Dối với bộ quá nhiệt dối lư u : t = t٩n + 70٠c.

ở đày;

t(,„: nhiệt độ hơi quá nhiệt, "c

.i؛ Đối với bộ hâm nước : t، = ti, + 30 "c

L ؛ưu ý: Trong mọi trường hợp, đổi với thiết bị hoặc chi tiết cùa thiết bị làm việc trong điều kiện bị đốt nóng thi nhiệt độ thành tv không được chọn nhỏ hơn

250 "C khi tỉnh sức bền Trong các công thức trên, s là bề dày vách thiết bị, mm

1.3 ỦTSG SUẤT CHO PHÉP CỦA K IM L O Ạ I

Nguyên tắc chung của việc tính toán thiết kế đối với mọi chi tiết, kể cả chi tiết xung yếu nhất của thiết bị là cần phải bảo đảm ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo thiết bị luôn lớn horn hoặc bằng ứng suất làm việc tối đa của chi tiết

đó ủ n g suất làm việc tùy thuộc vào điều kiện chịu tải; còn ứng suất cho phép tùy thuộc vào kim loại và điều kiện nhiệt độ

a ứng suẩt c/to phép tiêu chuẩn

Đ ố i với các chi tiết của thiết bị được chế tạo từ các kim loại cơ bản (thép, kim loại màu và hợp kim của chúng), chịu tải trọng tĩnh, chịu áp suất trong hoặc

áp suất ngoài, thiết bị làm việc ở áp suất chân không, sử dụng ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ơ ]

ủ ng suất cho phép tiêu chuẩn [c r]., N /m m \ phụ thuộc vào đặc trưng bền của vật liệu ở nhiệt độ tính toán, được xác định theo một trong những công thức sau:

١

٠■!-'؛/

w í =

ơ n.

b ử n g suat cho phép lítth toán

Khi tinh độ bền các chi tiết cila thiết bị, không dUng ứng siiất cho phép tiêu chuẩn nià sử dụng ứng suất cho phép tinh toán, ứng suất này dược xác như sau:

[σ ] = 7|σ]■

ở dây:

[σ ] : ứng suất cho phép t!êu chuẩn của vật !iệu chế tạo niáy và thiết bị,

N/mm2, phụ thuộc vào nh!ệt độ Giá trị [σ ] tra bảng, ừng vớ ؛

từng loại vật liệu tươ١ ١g ứng

η: hệ số hiệu chinh, kể dến ảnli hưOng của cấu tạo và diều kiện vận hành các bộ phận của thiết b؛; vào mức độ dộc hại, ttguy hiểm của môi trường Tùy từng trường hợp, khi tinh sức bền từng bộ phận

thiết bị, chọn η < \ ThOng thường, η = 0,9-1؛ dối với môi trường

làm việc dộc, hại, nguy hiểm, áp suất cao, các chi tiết b؛ dốt nOng bằng ngọn lira, bằng khOi 10 hoặc bằn؟ diện, chọn η = 0,7-0,8ذ dối

với các thiết bl có bọc lớp cách nhiệt, chọn ^ = 0 ,9 5 ؛ trường hợp thiết bị hoặc chi tiết thiết bị làm việc trong diều kiện khắc nghiệt như ống 10 của 10 hoi, giá trị này cỏ thể lấy 0,5

Ỉ.4 H Ệ S Ó BỀN

ỉ.4.1 Hê số bền mốỉ hàn٠

Khi tinh độ bền của các chi tiết ghép bằng

mối hàn thi dưa thêm hệ số bền mối hàn؛./, vào

các công thức tinh toán, dại lượng này dặc trưng

cho độ bền của mối ghép so với độ bền của vật

liệu co bản

Nếu mối hàn dược thực hiện có chất lượng

cao và dược kiếm tra kỹ' bằng phương phấp

không phá hủy suốt trên suốt dọc chiều dài mối

hàn, thi:

- Dối vối thép cacbon, thép hợp kim có h ١؛ m

lượng mangan thấp, thép crOm - molypden và

thép ottennít: фь = 0.95

- Dối với thép crOin - molypden - vanadi và thép có nhiều crOm: φ 0 , 8 = ١ ا

- Nếu mối hàn thép cacbon và thép hợp kim cO hàm lirợng mangan thấp, việc kiểm tra bằng phưomg pháp khOng phá huy khOng dược thục hiện trẽn toàn

Н'іиЬ 1 1 : H ìn h ánh m ôi hàn dọc và m ố i hOn ngang

bộ chiều dài mối hàn, hệ số suy yếu cùa mối hàn sẽ phụ thuộc vào phưong pháp hàn Nếu hàn tự động có khí bảo vệ: (Pi, = 0,85 Nếu hàn điện và hàn hơi bằng tay: (Pi, = 0.7.

1.4.2 Hệ số bền do khoét lỗ

Hình 1,11 giới thiệu hình ảnh một thiết bị có khoét nhiều lỗ ở thân K hi bị khoét lỗ, thiết bị sẽ bị yếu đi Hệ số kể đến sức bền cùa thiết bị do ảnh hưởng cùa việc khoét lỗ gọi là hệ số bền do khoét lỗ (Pi

Hình 1.11: Hình ảnh thiết bị có nhiều lỗ khoét ở thân

Hệ số bền cũa thân hình trụ khi có một hàng lỗ dọc hoặc nhiều lỗ bố trí song song với bước lỗ như nhau, xác định theo công thức;

ọ: hệ số bền của thân hình trụ khi có một hàng ống ngang hoặc nhiều

lỗ với bước lỗ như nhau, xác định theo công thức :

ọ = 2

-I.

t | ; là bước lỗ ngang, xác định theo cung cùa đường tròn trung bình,

mm K h i các lồ so le đều, xác định 3 giá trị của hệ số bền do khoét

lỗ như sau:

- Theo chiều dọc : t=2a ;

- Theo chiều ngang : t 2 =اh ;

- Theo chiều chéo, ta có công thírc:

Hình 1.12 giới thiệu kích thước cơ bản của mặt thiết bị công nghệ

8 ٠ d T o i ١ B B5.0^ 2:1

s٠٠٠f٠n ٨-A

H ìn k 1.12؛ Cốc kíck tkwơc cơ bản cũ« một Ihĩếl bj cống nglhệ

Neu thâu hiuh t ٢ụ bằng thép cacbun bị khoét một hàng ch؛ có hai اؤ (dọc١

ngang hoặc chéo) ؛àni yếu thi hệ số bền sẽ tinh theo cOng thức:

„,

س

] 2

Khi các اؤ bồ tri chéo khOng cân xứng thi hệ số bền φ,ηίη và фтах với a = 3 ا

và a = aj Ngoài ra, còn cần phải tinh hệ số bền vững theo chỉều dộc dối với bước lỗ t = 3 2 ا+ ة và sau cUng sẽ chọn !ấy một giá trl nhỏ nhất trong hai giá trl

dã tinh ở trên

1'rong tất cả các trường hợp cO hàng lỗ với bướẹ lỗ không dều, hệ số bền nẻn ctiọn 10ا hor gia trị nhO nhất của hệ số bền ١

Nếu thán hìrh trụ có hàng lỗ dược tăng cường bởi các ống hàn vào thân, thi

l١ệ sổ bền tinh theo công thức:

د ،

Ờdây:

φ’ : hệ số bềi vững của hàng ống khi chưa dược gia cường

d : dường kíah lỗ, m m

S،H1 : bề dày Eính toán nhỏ nhất của thân liìnli trụ.

: lổng diện tích của cảc chi tiết gia cường

Nếu các lỗ JUng dể núc ống hoặc dểtiàn các ống, thi hệ số bền dưọc tinh theo dirOng kinh định mức của lỗ theo thân hinh trự

Nếu các lỗ có ren th i hệ số bền tinh theo dưCmg kinh trung binh của ren

Nếu lỗ cO hỉnh ovan hoặc hinh cắt vát, thi hệ số bền sẽ tinh theo kích thước

lỗ nầm về hườn؛ dự định tinh sức bền

Nếu các lỗ nằm kề nhau, thi hệ số bền tinh theo dưímg kinh trung binh cộng

1.5 H Ệ SO ВО SUNG C H J Eu d à y T ÍN H T O Á N

Khi tinh kiểm tra độ bền các chi t ؛ết hoặc các bộ phận của thìết bị ta phả؛ chú ý áến sụ' tác dụng hóa học và co hợc cha mỏi trrrờng !ẻn vật ا؛ؤ chế tạo ٧

thiết bị Do dó cần phải bổ sung cho bề dày tinh toán của các chi tiết và bộ phận

dó một dại !ượng c Dại !ưọng c dược gọi !à hệ số bổ sung chiều dày t ؛nh toán, xác d ؛nh theo công thức sau:

c = Ca + Cb + Cc4-CoTrong dó:

Ca: hệ số bổ sung do ãn mòn hóa học của môi trường, mm

Сь: hệ sổ bổ sung do bào mòn co học của môi trường, mm

C^: hệ số bổ sung do sai !ệch khi chế tạo, lấp ráp, mm

Co: hệ số bổ sung dể quy trOn kích thước, mm

Chương 2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY VÀ THIẾT BỊ

2.1 TÓNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHÉ TẠO M ÁY VÀ T H IÉ T BỊ

2.1.1 Loai vât liêu .

Thiết bị trong công nghệ sản xuất và bảo vệ môi trường được chế tạo chủ yêu từ các vật liệu kim loại Ngòai ra, các thiết bị này còn được chế tạo bằng vật liệu phi kim loại, như: thủy tinh và ceramic, polyme, composit Hình 2.1 cho thấy sơ đồ sử dụng vật liệu chế tạo máy, thiết bị trong công nghệ sản xuất và môi trường

Kim loại

va hợp kim

٠١

1 V,/1 V 1 ■ 1V

1 F ille d p o ly m e rs I thuv tinh

Hình 2 ỉ: Sơ đồ sử dụng vật liệu chế tạo máy, thiết hi trong công nghệ

2.1.2 Một số yêu cầu đốỉ với vật liệu chế tạo thiết bị

Vật liệu chế tạo thiết bị trong công nghệ sản xuất và môi trường cần phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:

-٠ Bền cơ học trong điều kiện vận hành, đặc biệt là ở điều kiện nhiệt độ và

áp suất làm việc của môi chất;

- Bền hỏa học với môi trường mà thiết bị tiếp xúc như: môi chất làm việc, dầu bôi trơn, độ ẩm, môi trường làm mát;

- Tỉnh công nghệ tốt, dễ gia công chế tạo;

- Chi phí hợp lý và sẵn có trên thị trưÒTig.

- Cơ tính: bao gồm các yếu tố về độ bền của vật liệu, như: giới hạn bền

ơ /ị, giới hạn chảy ٠■، , giới hạn dẻo ٠■/ (lưu ý ờ nhiệt độ cao); các yếu tố đặc

trưng cho tính đàn hồi của vật liệu, như: môđun đàn hồi E١ độ dãn dài tương đối

để đàm bảo tuổi thọ cùa thiết bị và độ tinh khiết của sản phẩm

- T ín h chất vật lý; khối lượng riêng p (k g /m ١); hệ số dẫn nhiệt Ẫ

(W /m K ); nhiệt độ nóng chảy tc (K ) ; nhiệt dung riêng c (J /k g K ); hệ số nỏ dài

Sơ đồ 2.2 giới thiệu một sổ tính chất tổng quát của vật liệu:

Hóa tính

I -Sự ăn mòn -Sự oxy-hóa

KH

Hình 2.2: Một số tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo thiết bị công nghệ

Câc bang tù 2.1-2.4 giâi thiêu gié tri (mang tinh tham khào) cùa mçt sô tinh chât cùa mot sô vât lieu thiràng gâp trong công nghê sàn xuât.

Bàng 2.1: Moâun âàn hôi cùa mot so loai vât lifu

Material E{GP%) Material E(GPa) Material E(GPa)

Titanium carbide TIC

Molybdenum and alloys

Tantalum carbide TaC

Niobium carbide TaC

289 200-289 250 200-284 160-241 130-234 70-200 196 193-214 196-207

Cast irons Tantalum and alloys Platinum

Uranium Boron/epoxy composites Copper and alloys Mullite

Vanadium Titanium and alloys Palladium Brasses and bronzes Niobium and alloys Silicon

Zirconium and alloys Silica glass SiO؛ (quartz) Zinc and alloys

Gold Aluninium and alloys Silver

Calcite (marble, limestone) Soda glass

Granite Tin and alloys Concrete, cement

170.190 150-186 172 172 125 120.150 145 130 80-130 124 103-124 80-110 107 96 94 43-96 82 69.79 76 31-81 69 62 41-53 45-50

Magnesium and alloys GFRP

Graphite Alkyds Common woods || to grain Lead and alloys

Ice HjO Melamines Polyimides Polyesters Acr^ics Nylom PMMA Polystyrene Epoxies Polycarbonate Common woods, i to grain Polypropylene

Polyethylene (high density) Polyeth^ene (low density) Foamed polyurethane Rubbers

PVC Foamed polymers

41-45 7-45 27

20

9-16 14 9.1 6-7 3-5 1- 5 1.6-3.4 2- 4 3.4 3.3.4 3

2.6 0.6-1

0.9 0.7

Bang 2.3: Khoi ااءợng ricng cU« mdt so loa v؟ t

Materia! (Mgm^)p Material (Mgn١ p 3) Materiai (Mg^)

Tantalum and alloys

Molybdenum and alloys

Cobalt/WC cermets

Lead and alloys

Silver

Niobium and alloys

Nickel and alloys

Cobalt and alloys

Copper and alloys

Brasses and bronzes

7.9-10.5

7.5.9.0 7.2- 8 9 7.9 7.9- 8.3 7.5-8.1

Titanium carbide TiC Zinc and alloys Chromium Zirconium carbide ZrC Zirconium and alloys Titanium and alloys Alumina AI2O3

Magnesia MgO Silicon carbide, SiC Silicon nitride Si3N4

Mullite Beryllia BeO Calcite (marble, limestone) Aluminium and alloys Silica glass SiO؛ (quartz) Soda glass

Concrete/cement GFRPs

Carbon fibres PTFE Boron/epoxy composites

3.5

3.2 3.2 3.0 2.7

2.6 2.5

1.4- 22 2.2 2.3 2.0

Beryllium and alloys Graphite (high strength) CFRPs

PVC Polyesters Polyimides Epoxies Polycarbonate Polyurethane PMMA Nylon Polystyrene Polyethylene (high density) Ice, H2O

Polyethylene (low density) Polypropylene

Rubber Common woods Foamed polymers Foamed polyurethane

1 8 - 2 !

IS

I 5-1.6 13-1.6

I I 1.5

1.4 1.1- 1.4 12-1.3

1.1.1.3 1.2

1 1 - 1.2

.1-1.0

-97

^ 0.94 0.92 0.91 0.88-0.91 0.83-0.91 04-0.8

Common woods, || to grain

Lead and alloys

Polypropylene Foamed polymers

Low-alloy steels Cobalt/WC cermets CFRP

Aluminium alloys Beryllium and alloys Common woods, 1| to gram Lead and alloys

Polypropylene Foamed polymers

Bảng 2,5: Một số tiêu chỉ lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị chịu áp lực

- ٢ -J J

-Yêu câu thiêt kêChức năng Bình áp suất = bình chịu áp suấtMục đích Đảm bảo tính an toàn tối đaĐiều kiện

M o ) và các nguyên tố biến tính (Mg, Ce )

Gang trắng là loại gang trong đó tất cả cacbon nằm ở dạng liên kết trong

hợp chất cementit Fe.iC Tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái sắt - cacbon, luôn luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit'.Các loại gang xám, gang cầu, gang dẻo là loại gang trong đó ohần lớn hay toàn bộ cacbon ờ dưới dạng tự do - graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm; trong tổ chức không có Ledeburit, do đó tổ chức tể vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C

' Ledehurit là hỗn hợp cơ học cùng tinh cùa auxlenit và cement ừ (ỵ+ Xe) trong khoáng

ì ì 47 T- 72T“C và ớ nhiệt độ dưới 727"c ledeburit là hồn hợp cơ học cùa peclít và cementit (P + Xe)

Tổ chức tế vi của gang có graphlt còn phụ thuộc vào tì lệ phân bố của cacbon ở pha grapliit và ceinentit Tồ chức tế vi của gang gồm hai pliần: phần phi kini loại - graphit và nền kim loại gồm ferit và cementit Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thi nền kim loại chi gồm ferit, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết tlii nền kim loại cúa tổ chức có tliể là ferit - peclit, peclit hoặc peclit- cementit.

c Cơ títth

Gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp, độ giOn cao Cementit là pha cứng

và giOa, sự tồn tại cUa nó với một lượng lớn và tập trung trong gang trắng làm

dễ tạo vết nứt dưới tác dụng cùa tải trọng kéo

Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu tổ cliUc graphit như là các lỗ hổng có sẵn trung gang là noi tập trung ứng suất lớn làm gang kém bền Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hinh dạng graphit, lớn nhất ở gang xám với graphit dạng tấm và bé nhất ở gang cầu với graphit dạng cầu trOn ٧ vậy gang ؛

cầu CC độ bền cao nhất phối hợp với tinh dẻo tốt nhất trong các loại gang

Ngoài ra, sự có mặt cUa graphit trong gang có một số ảnh hưởng tốt dến cơ tinh như tăng khả năng cliống mài mòn do ma sát (vi bản thân graphit có tinh bôi trcn), làm tắt rung dộng và dao dộng cộng liưởng

(màu của graphit) nên gọ ؛ ؛ à gang xám Grapliit ،rong gang xám có dạng tấm (phiến) cong.

b Thành phần hỗa học:

- Cacbon: cacbon càng nhiều khả năng tạo thành graphit càng mạnh, nhiệt

độ chảy càng thấp, càng dễ dúc Nhung nếu luọng cacbon quá cao lức do sẽ có

quá nhiều graphit làm giảm cơ tinh Xu huớng hiện dại là díing gang ٧0i luợng

cacbon càng thấp càng tổt Gang xám dUc có luợng cacbon từ 2,8 3,5ب /ó ٥

quan trọng nhất trong gang xám S ilic liOa tan ٧ào ferit trong gang làm tăng rất

mạnh độ cUng và độ bền của pha này Luợng silic thuờng từ 1,50/.3 ؛

- M angan: là nguyên tố cản trờ sụ tạo thành graphit - làm hỏa trắng gang

Bể dảm bảo yêu cầu tạo thành graphit, giữa mangan và silic cần phải có tỉ lệ tuơng ứng: 'mangan nhiều tlii tì lệ silic cũng phải cao Mangan còn làm tăng tinh chiu mài mòn, tăng độ bền của gang và có tác dụng khử luu h:iỳnh trong gang Thuờng dUng gang xám với luợng 0,5 ؛ Ι./0 Mn

- Photpho: là nguyên tố khOng ảnli huờng gi dến sự tạo tliành grapliit, nhung pliotpho có ích trong nil Ung truờng hợp: làm tăng tínli chảy loãng và làm tăng tinh chống mài mòn Thuờng dUng gang xám với luợng pliotplio tUO, 1 ؛ 0,2% K hi cần nâng cao tinh chống mài mòn luợng photpho có thể tới 0,5% Nếu trong gang có nhiều pliotpho quá -mUc, gang sẽ b؛ giOn

- Lư u huỳnh: là nguyên tố cản trở mạnh sụ tạo thành grapliit của gang và làm gìảm độ chảy loãng, do dỏ làm xấu tinh dUc cUa gang V i vậy, phải hạn chế luu huỳnh trong mọi loại gang l'Uçmg luu huynh thuírng tU 0,08 0 ,12 ؛ %

- C h ؛u duợc mài mòn, ăn mòn nên thuOng dUng làm các duờng dẫn truçrt,

xe dao cUa cảc loại máy

- B ộ cUng tuơng dối cao, nhung độ bền tliấp vi cacbon tụ do làm clio kết

cấu giữa các tinh thể kém vững chắc Bối với gana xám giOi hạ١i bền kéo rất

thấp thuờng chỉ bằng 1/3 dến 1/5 giới hạn bền nén (graphit dạng tấm không ảnh huởng xấu dến tinh bền ηέη) Nhu vậy, so với thép, gang xám cO giới liạn bền nén thấp hơn không đảng kể, nliung giới hạn bền kCo, độ dẻo, độ dai dều tliấp

V i vậy, không dUng gang xám dề chế tạo các chi tiết chịu kéo, uổn, xoắn hoặc

va đập Độ cứng của gang xám trong khoảng 150 ^ 250HB dễ gia công cắt gọt,

(L Các hiện pháp năng cao cơ tính của gang xám

- Giảm lượng cacbon của gang trong điều kiện cho phép có thể giảm lượng cacbon trong gang xám xuống khoảng 2,2 ^ 2,5% Thực hiện biện pháp này gặp khó khăn vì như vậy sẽ nâng cao nhiệt độ chảy của gang, khó nấu luyện

- Biến tính biện pháp nâng cao cơ tính này thường áp dụng rộng răi Chovào gang lỏng ở thùng hoặc máng rót chất đặc biệt gồm 65% ferosilic Fe.^Si và 35% AI với ti lệ 0,3 0,5%, khối lượng gang lỏng, chúng sẽ làm graphit nhỏmịn, phân bố đều do vậy, có cơ tỉnh tốt hơn

- Hợp kim hóa đưa thêm nguyên tố hợp kim vào gang, ngoài tác dụng nâng cao cơ tính còn cải thiện lí tính và một số tính chất đặc biệt khác như tính chống ăn mòn, chống mài mòn, chịu nhiệt

- Nhiệt luyện: tôi và ram gang xám để đạt độ bền cao hơn

e Số hiệu gang xám và công dụng

Liên Xỏ (cũ) kí hiệu gang xám CY, hai số tiếp theo lần lưọt chỉ giới hạn bền kéo [kG /m m “] và giới hạn bền uốn [kG/mm^] Tiêu chuẩn V iệ t Nam (T C V N ) kí hiệu gang xám là GX, hai số tiếp theo giống như quy định của Liên

Xô Bàng 2.6 trinh bày cơ tính và công dụng của một số loại gang xám

Các loại gang xám CY 32-52, CY 36-56, CY 40-60, CY 44.64 là loại gang xám có cơ tính cao, chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và chịu tài trọng động, chịu mài mòn cao như trục chính, vỏ bơm tlìủv lực, van trượt áp suất cao

DUc ch؛ tiết kl ١ỏng quan trọng, không cần chủ ý dến cơ tinh như nắp máy, các bộ phận che bụi .

CY 28-2ا ا 20 280 50 143 ؛ 229

Làm các cột kiên triic, thân bơm dầu, hòm khuôn cát ؛ớn, nắp dậy máy, puli các chi tiết không quan trọng kh á c

Đúc thân hộp giảm tôc, thân bơm, bích, nắp dỡ trục, vô ؛ầng, bạc .8-36

؛

Chê tạo các chi tiêt tương dối quan trọng như t؛iân d& trục, thân bơm nước, ống dẫn dầu, xéc rnẫng, thân

b Thanh phàn hóa hẹc

Thảnh phần hóa hpc của gang cầu giống như gang xám nhưng có thêm chất biến tinh dậc biệt là inagiê (M g ) và ceri (Ce) với lượng rất nhỏ Thành phần hóa hộc của gang cầu sau khi biến tinh là: 3 0؛ 3,6 ها C; 2 3 ؛ % Si, 0,5 ؛ ؛٠ / ٠ Mn; 2%

N i; 0 ,0 4 0 ,0 8 ؛ % M g; ة 0 ,ﺍ5٠/ﻩ p ; 0,03 ﺓ./ s.

C h ú ý là c o t ؛n h c ủ a g a n g cầu cU ng phu tlìu ộ c v à o g r a p h it G r a p h it c ầ u ,

c à n g trOn vớ i k ؛ch th ư ớ c c à n g n h ỏ và số lượ ng c à n g ít t h i c o tin h c ủ a g a n g cầu

c à n g c ao

d Các số liệu của gang cầu và công dung

L iê n X ô СЙ ky h iệ u g a n g cầu b ằ n g hai chữ B Y , v ớ i h a i số t iế p th e o c h i giO i hạn bền k e o tin h ra к с / т і т | 2 v à độ dãn dài δ tin h ra ٥ /o T C V N k ؛ h iệ u g a n g cầu

b ằ n g hai c h ừ G C v à 2 số tiế p th e o n h ư cUa L ؛ẽn X ô c ũ C á c số h iệ u g a n g c ầu

th ư ờ n g d U n g n h ấ t là B Y 3 8 - 1 7 , B Y 4 5 - 5 và B Y 6 0 - 2 G a n g cầu d U n g d ể c h ế tạ o các c h i t iế t q u an trọ n g th a y c h o th é p n h ư trụ c c án , th â n tu a b in h o i, trụ c k h u ỷ u

B ả n g 2 7 trin h b à y c o tin h c ủ a m ộ t số lo ại g an g cầu

Báng 2.7 Cơ tinh của một sổ loai gang cầu

Số liỉệu

gang

Giới hận bền kéo

٠ bk

GiOi hạn

chảy ﺀ

(N/mm2) Không nhô hơn

Độ dẫn dài tương dối

; ؟ )

Độ dai va dập aií ( k J ^2)

B ộ cứng (H B )

Để đạt được tổ chức gang dẻo, ngoài việc khống chế thành phần cần phải làm nguội nhanh khi đúc, muốn vậy thành vật đúc không được dày quá

10-20 -؛mm

c Cơ tính

Do graph it ở dạng tương đối tập trung nên gang dẻo có độ bền kéo cao hơn gang xám, nhưng kém hơn gang cẩu, giới hạn bền kéo của gang dẻo 300 - 6 0 0 -؛

N /m m Độ dẻo cùa gang dẻo khá cao, 6 = 5 ^ 1 0 %

d Các số liệ u gang dẻo và công dụng

Liên Xô cũ kí hiệu gang dẻo bằng hai chữ K Y và hai số tiếp theo chi giới hạn bền kéo (kG/mm^), độ dăn dài s tương đối (%) TCVN kí hiệu gang dẻo là

GZ, hai số tiếp theo như quy ước cùa Liên Xô Hiện nay, thường dùng hai loại gang dẻo:

- Gang dẻo fe rit là loại được chế tạo từ gang trắng có thành phần cacbon thấp (2,2 -2,3 -؛%C) Nung nóng để ù gang này trong môi trường trung tính (cát, phôi thép, bột samốt) để được tổ chức với nền kim loại là ferit ờ dạng cụm M ặt gẫy có màu đen nên gọi là gang dẻo lõi đen Gang dẻo ferit có tính dẻo cao (% cacbon thấp và nền kim loại ferit) dùng làm các chi tiết chịu va đập cao song

để chế tạo gang này cần có thiết bị nấu đặc biệt

- Gang dẻo peclit là loại được chế tạo từ gang trắng có thành phần cacbon cao hơn (2,6 -2,8 -؛% C), ủ trong môi trường oxy hóa (nung trong quặng sắt) được nền kim loại là peclit, mặt gầy có màu sáng hơn nên là gang dẻo lõi trắng Bảng 2.8 trình bày cơ tính của các số liệu gang dẻo

Bảmg 2,8: Cơ tính một số loại gang dẻo

Gaing dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trinh chế

tạo lâu٠ ١ tổn nhiệt và thời gian để ủ Gang dẻo chủ yếu dùng làm các chi tiết đồng th.ời thỏa mãn các yêu cầu sau: hình dạng phức tạp, tiết diện (thành) mỏng

và chịu va đập

2.2.5 Gang hợp kim

Hợrp kim hóa gang bằng cách cho thêm vào trong gang một hay đồng thời một số nguyên tổ; tùy theo mức độ hợp kim hóa gang có thể chia thành ba nhỏm:

~ H ợp kim hóa thấp hàm lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 3% Gang hợp k im thấp dùng làm vật liệu kết cấu Trong gang họp kim thấp các nguyên tố hợp k im có khả năng san đều tổ chức trên tiết diện cùa vật đúc và làm nhò cấu trúc tinln thể kim loại, do đó làm tăng cơ tính, tính chất sử dụng cùa gang Gang họp k im thấp dễ nhiệt luyện

- H ọ p kim trung bình hàm lượng các nguyên tố hợp kim từ 3-10% Gang họp k im trung binh đặc trưng bằng tổ chức mactenxit, tổ chức này đảm bảo tính chống m ài mòn cao của các chi tiết máy

- H ọ p kim cao hàm lượng các nguyên tố hợp kim lớn hơn 10% Gang hợp kim cao) đậc trưng bằng tổ chức pherit hay ostenit Tổ chức này làm cho gang có

lí tính V'à hóa tính và hóa tính đặc biệt, dùng làm các vật đúc chịu ăn mòn, chịu nóng vài không có từ tính Sau đây là một số loại gang:

+ Gang hợp kim thấp cho molypden vào khi cần độ bền nóng cao Gang họp kim thấp làm các chi tiết làm việc ờ nhiệt độ có thành phần:

N h iệ t độ làm việc

"c

Đ ộ bền kéo

G G L - X 3 0 0 Si4 6 + 100 750 150 300 Chi tiết đúc như: cửa

G G L - X 2 4 0 Si6 6 + 100 850 150 300 lò, khung cửa, nồi

G G G X 2 9 0 Si5 1 0 + 100 900 4 0 0 300 nung, khuôn đúc thủy

G G G -X 2 7 0 Si6 1 0 + 100 100 4 0 0 300 tinh, nồi nấu kim loại

nhẹ, Ống thiết bị sấy khí.

Chiều mm

؛, dà

؛0

30

؛ 4

C độ

؛600

t Gang hợp kim crOm, crôm -silic có nhiệt độ làm việc

250N/mm2 dể làm cảc

؛

1 5 0

=450

HB, độ bền kéo ơbk

؛350cứng

10

chi tiết dUc trong cấu tạo

؛

N /m m ^, độ cứng 300 HB dể làm các chi tiết dúc nhir cửa 10, khung

ống máy sấy k h i

؟,cửa, nồi nung thiêu kết, nồi nấu kim loại nh

+Gang hợp kim nhỏm chiu dốt nOng lâu dài rất tốt và dược ứng dụng

10

dể chế tậo các chi tiết của

Gang hợp kim niken - dồng - crOm, gang hợp kim niken, niken-

؛

900

C, độ cứng

؛850niken - silic - crOm nhiệt độ làm việc

؛crôm

vỏ tuabin, ống 240 HB dUng dể dUc nắp xilanli chỊu tải nậng١

؛0

:

u tác dộng ăn mòn có thành phần sau

؛

+Gang hợp kim ch

؛0,5

=3,7 ;

%Μη

؛

ل

2

=c

٠

(/

7

؛0,4

=0,3

;

%Си

؛0,8

;còn lại là sắt

؛0,05

=2 ;

%Cr

و

1,5

=hJi

٠

'/

dùng làm nồi nấu chì, kẽm, nhôm, thiết bị cò đặc chân không Co tính

và ứng dụng của một số loại gan؟ h(ìp kim chịu tác động ăn mòn được giới thiệu trong bảng 2 10 (theo tiêu chuẩn Đức)

Bảng 2.10: Gang hợp hint chịu tác động ăn mòn

Mác

Chiều dày, mm

Độ bền kéoN/mm

Độcứng

200

180

200 200

240

Bền hóa học vói axit vô cơ, kiềm, dung dịch muối, các chi tiết đúc trong công nghiệp hóa c h ấ t

260240260240

Bền hóa học với kiềm, chế tạo thùng khuấv xút

ăn da đậm đặc và loãng

300300

Nồi nấu chì, kẽm, nhôm thiết bị cô đặc chân không, hydroxyt kali

Ghi chú: GGG: gang cầu; G GL; gang xám

2.3 THÉP

Thép là hợp kim của sắt và cacbon với % c < 2,14 Trong tất cả các vật liệu, thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao nhất, dùng làm các chi tiết chịu tải nặng nhất và trong các điều kiện phức tạp Theo thành phần hóa học chia thép làm hai loại: thép cacbon và thép hợp kim

trong quặng sắt, do dó chUng dl vào thành phần cUa gang rồi vào thép; hoặc kh!

١uyện thép, dUng ferosl!ic Fe١Si và feromangan FcmMn„ dể khừ oxy, do vậy một

phần các nguyên tố này cUng di vào thép Mangan và silic !à ha؛ nguyên tố có

23.1.2 Ảnh hưởng cUa СЙС ngưyên tố đến tồ chửc và cơ tinh của thẻp

cacbon

ﺀا Cacbon

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất quyết d!nh chủ yếu dến tổ chức và cơ tinh cUa thép Từ giản dồ trạng thái Fe-C ta thấy khi lượng cacbon tăng, lượng cementit cũng tăng tương ứng làm thay dổi tổ chức tế vi cUa thép như sau:

c < 8٠/ - ferit + peclit

c = 0 ,8 5 - p e c lit

c > 0,8% - peclit t xementít II

K h i thay dổi lưọng cacbon, cơ tinh của thép thay dổi rất nhiều Khi thành phần cacbon tăng lên, độ bền, độ cứng cUng tăng lẻn, cồn độ dẻo, độ dai giảm

di, tuy nhiên riêng độ bền chỉ tăng lên theo cacbon dến giới hạn 0,8 1 ب% c ,

vưọt quá giới hạn này độ bền lại giảm di ٧ ề mặt d ؛nh lượng có thể thấy cứ tăng

0,1% c thép có độ cứng tăng thêm khoảng 20 25 ب HB, giới hạn bền tăng thêm khoảng 60 80 آ N/mm2, giới hạn chảy tăng thêm khoảng 40 50 ب N /m m ؛, độ dãn dài di khoảng 2 4 ب%, độ thắt ti dối Ψ giảm di khoảng 1 5 ب%, độ dai va

dập a^ giảm di khoảng 200 kJ/m2 Thép có thành phân cacbon khác nhau thi cơ tínli rất khác nhau và sử dụng nO ،Uy theo tUng mục dích

- Các loặỉ thép có thành phần cacbon thấp 0,25 ة % có tinh dẻo, dai cao, độ bền thấp, hiệu quả hóa bền bằng nliiệt luyện tỗi + ram cũng không cao, nên dưực dUng trong các kết cấu xây dựng, cấc chi tiết dập (những sản phẩm cần độ dẻo cao) và các chi tiết thấm cacbon

- Các thép với thành phần cacbon trung binh (0,3 0,5 ب%) có tinh bền, cứi١g, dẻo, dai tuy khOng dạt tới giá trl lớn nhất nhưng dều khá cao, do vậy thích

hợp cho các ctìi tỉết máy ch ؛u tải trọng tĩnh và va dập cao như trục bánh răng

- Các thép với thành phần cacbon tương dối cao (0,55 0,65 ب%) có độ cứng

- Các thép với thành phần cacbon cao (١7ة ()٠/.) có độ cứng và tinh chổng mài mòn cao nhất áược díing !àm dụng cụ cắt gọt, dụng cụ do, khuOn dập ngiiội.Ngoài cơ tinh ra, cacbon cũng ảnh hưởng dến một số tinh chất vật lí của thép, khi tăng lượng cacbon, khối lượng riêng và độ từ tliẩm cùa thép giảm di, còn diện trở và lực khử từ tãng lên.

b Mangan

Mangan cho vào thép dưới dạng feromangan dể khử oxy, tức là dể loại trừ FeO trong thép: FeO t M n -> M nO t Fe Sau dỏ, MnO nổi lên, di vào xi và dược cào ra khỏi 10

Mangan còn có tác dụng loại trừ lưu huỳnh trong thép: FeS + Mn -> MnS +

Fe MnS di vào xi và b! cào ra khOi 10

Mangan la nguyên tố ảnh hường tốt dến co tinh, khi hOa tan vào ferit nó

nâng cao độ bền, độ cứng của pha này Tuy nhiẻn, do lượng mangan trong tl١ép cacbon ít nên ảnh hường này không rO rệt

،· Slỉỉc

S ilic dUng dể khử oxy một cách triệt dể:

2 F e O t S i- > Si02 + 2Fe51.2 nổi lên, di vào xi, bị cào ra khỏi 10 Silic hOa tan vào ferit cUng nâng cao độ bền, độ cứng song do lượng silic trong thép cacbon thấp nên tác dụng này cUng không rõ rệt

d Photpho

Photpho nâng cao tinh giOn nguội cUa thép và có ảnh hưởng tốt dến tinh gia công cắt với thép dễ cắt lượng photpho cao (0,08 - 0 ,1 5 -؛%), cồn thông thưỉmg ٠/٠ P^G ,05.

e Lưu huỳnh

Lưu huỳnh nâng cao tinh giOn ndng của thép và cUng ảnh hương tốt dến

tinh gia công cắt Trong thép dề cắt có 0 ,1 5 0,3؛ /o S.٥

g Cốc kh ؛ xy٠ ١ nitơ, hydro

Các nguyên tố này ảnh hưởng xấu dến CO' tínli của thép, làm giảm độ dẻo,

tầng khuynh hướng phả hùy giơn, các khi này nếu hòa tan trong thép lỏng ٩uá

nhiều sẽ làm xuất hiện các rỗ khi trong thỏi dUc do dó làm giảm co tinh của thép