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5/22/2018 1 Konstruktionslehre PT
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Konstruktionslehre fr die
ProzesstechnikProf. E. Schlcker
Dr. L. Depmeier
Process Equipment Design
5/22/2018 1 Konstruktionslehre PT
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
EinfhrungWarum Konstruktionslehre fr die Prozesstechnik?
Berufsziele?
Was sind mgliche Ziele? Sie planen den Aufbau einer Anlage! Sie sind Betreiber einer Anlage die nicht zuverlssig arbeitet! Sie entwickeln einen neuen biologischen oder chemischen
Prozess Was ist ntig?
Richtige Auswahl der Komponenten fr Anlagen Richtige Auswahl der Werkstoffe
Optimaler Zusammenbau Optimale berwachung der Produktionsparameter
Chemieingenieur?Verfahrensingenieur?
Laboringenieur Bio/Chemie?Bio-Verfahrensingenieur?
Oder?
introduction
Why Engineering Design for Process?
professions
Chemical Engineer?Process Engineer?Laboratory Engineer Bio /Chemistry?Bio-process engineering?professions
What are possible goals
They plan to build a plant! You are the plant operator and it does not work properly! You develop a new biological or chemicalprocess Q What is needed? Proper selection of components for systems Proper selection of materials
Optimal assembly Optimal control of production parameters
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
EinfhrungBeispiele
Produktion einen neuen Produktes
Druck 3000 bar
Aggressivitt vergleichbar mit HCl 3 m3/h
Daraus resultierende Fragen Welche Werkstoffe
Welche Dichtungsmethode
Welche Frdertechnik Wie/Wo Mengenmessung
Was sind die Sicherheitskriterien
15
1 2 3 4 5 6
1 berwurfmutter 4 Rohr2 Druckring 5 Anschlag
3 Schneidring 6 Verschraubung
15
fest verschraubt
lose verschraubt
000118 0005
D
FLUID
R
Schritt 1
VL
VS
000991 0106a
introduction
ExamplesQ production a new product Pressure 3000 bar
aggressivity comparable with HCl 3 m3/ h
Q Resulting questions
Which materials
What method of sealing
What support technology
How / Where quantity measurement
What are the safety criteria
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4/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
EinfhrungBeispiele - Detailprobleme
1200 C bei Reaktion ...Welche Werkstoff?
Dichtung schleift auf einer Welle, es kann Staub in der Umgebungauftreten.
berkritisches Nassoxidationsverfahren 800 bar (Weil mehr Salz in Lsung bleibt)
380C (Reaktionstemperatur)
Hohe chemische Agressivitt Fragen: Welcher Werkstoff
Prozesse werfen viele Fragen bezglich der Wahl der
Werkstoffe auf!
introduction
Examples - detailed problems
Q 1200 C in reaction ... What material?
Q seal grinds on a shaft, it may be dust in the environment. occur
Q Supercritical wet oxidation method 800 bar (Because more salt remains insolution) 380 C (reaction temperature) High chemical aggressiveness Questions: Which material
Processes raise many questions concerning the choice ofMateron!
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5/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
EinfhrungInhalt der Vorlesung
Werkstoffgerechte Konstruktion - Werkstofftechnik Begriffsdefinitionen und Werkstoffprfmethoden
Spezielle Werkstoffbearbeitungsverfahren Kunststoffe Hartmetalle / Hartstoffe Keramik
Verschleigerechte Konstruktion Lrmarme Konstruktion Hygienetechnik Hochdruckgerechte / Hochtemperaturgerechte Konstruktion Dichtungstechnik Apparateelemente
Zeichnungen lesen ist Grundlage!
Content of the lecturematerial-based design - Materials Lab
Definitions and materiatesting methods Special materialprocessing method plastics Hard metals / hardmaterials Ceramics
Q Wear Appropriate ConstructionQ Low-noise designQ HygienetechnikQ high pressure righteous / high temperature-based desQ sealing technologyQ apparatus elements
To read drawing is the basis
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6/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionAnforderungen an Werkstoffe in der Prozesstechnik
Festigkeit (Strength)
Verschleibestndig (wear resistant)
Korrosionsbestndig (Corrosion resistant)
Wirtschaftlich (economical)
Fertigungsgerecht (Best maufacturing practice - BMP)
Prozessgerecht (Process compatibility)
Aufgrund von Vorschriften zulssig (admissible due rules)
Material-based design
Requirements for materials in process
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7/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionFestigkeit (Strength)
Unterscheidung ob:
Ruhende Belastung
Schwellende Belastung Wechselnde Belastung
Stossbelastung
Wrmeschock Wrmespannungen
So
Sm
Su
00
stressS
Sa
Sa
S
time t
R = Su / So
Material based design
Distinguish whether:
Static load Swelling load Alternating load Impact load Heat shock Thermal stresses
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8/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionVerschleibestndigkeit
Das Tribologisches System bestimmt Verschleibedingungen
tS
)(
4
22dD
am
A
F
==
VR
Strahl-
verschleip2
P2>p1
p1
Prall-
verschlei
Gleit-
verschlei
FFR
=
Mahl-, Roll-
verschleiF
FR
wear resistanceQ The "Tribological system" determines wear conditions
impact wearbeam wear and tear sliding abrasion Grinding,
wear and
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9/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKorrosionsbestndigkeit
Vermeidung chemischer Reaktionen der Werkstoffoberflche mit denMedien der Umgebung. Fe + O2 FeO, HCl + Fe ....
Weitere Begriffe: Alterung Langsamer chemischer Vorgang, z.B. durch
Wettereinflsse Quellung bei Elastomeren
Nx
Wx
Cux
Mox
CxCrPREN
%16
%2%2
%3,3
)%5,14(%
+
++
+
=
X2CrNiMoCu-WN25-7-4 1 42,72
X2CrNiMnMoNNb23-17-6-3 41,45X2CrNiMoN22-5-3 35,91
X2CrNiMo17-12-2 25,17
Pittingresistance
Corrosion resistance
Avoidance of chemical reactions of the material surface with theMedia around resistance to corrosion
Other Terms: Aging - Slow chemical process, such as by Weather influences Swelling in elastomers
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10/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Materialkostenrelation Preis[DM/kg]
Graugu Serie
Graugu Sonderteile
2,50 - 3,00
3,50 4,00
Sphrogu Serie
Sphrogu Sonder..
3,50 - 4,00
4,50 5,00Chromstahl 13%, 1.4021,1.41,22, 1.4104)
3,00 3,50
Austenit (1.4571) 4,60
Hastelloy C 50,00
Hastelloy B 60,00
Titan 50,00
Eff. Preis
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
Sep8
8
Dez8
8
Mrz
89
Jun8
9
Sep8
9
Dez8
9
Mrz
90
Jun9
0
Sep9
0
Dez9
0
Mrz
91
Jun9
1
Sep9
1
Dez9
1
Mrz
92
Jun9
2
Sep9
2
Dez9
2
Mrz
93
Jun9
3
Sep9
3
Dez9
3
Mrz
94
Jun9
4
Sep9
4
Dez9
4
Mrz
95
Jun95
Sep95
Dez95
Mrz
96
Jun9
6
Sep9
6
Dez9
6
Mrz
97
Jun97
Sep97
Dez97
Mrz
98
Jun9
8
Sep9
8
Dez9
8
Mrz
99
Jun9
9
Sep9
9
Dez9
9
D
M/kg
Eff. Preis
Werkstoffgerechte KonstruktionWirtschaftlichkeit
Wirtschaftlichkeit
WerkstoffpreisFertigungs-
aufwandVerfgbarkeitBeschaffung
Lebensdauer
economy
Material price
production expense Availability
purchasing
service life
economy
cast iron series
Special cast iron partsspheroidal graphite cast iron sespheroidal graphite cast iron spchrome steelausteniteHastelloyHastelloytitanium
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11/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionFertigungsgerecht
Fertigungsgerecht heit: Werkstoff erlaubt optimaleFertigungsergebnisse und optimalen Fertigungsprozess
Schweibar Giefhig
Klebefhig
Hrtbar Halbzeug vorhanden
Werkstoffqualitt erhltlich (Zeugnisse, Reinheit)
Beispiel: Pumpenhuse gieen oder spanend fertigen?
a) Kleine Stckzahl b) groe Stckzahl
manufacturabilityQ manufacturability means material allows optimumProduction results and optimum manufacturing process
Weldable pourable Able adhesive Can be hardened Semi-finished available Quality of the material available (certificates, purity)
Example: Pump house pour machined or finished?
a) Small quantity b) large number of items
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12/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDer prozessgerechte Werkstoff
Biologische Prozesse keine Werkstoffe die das Produktkontaminieren (Regeln: FDA)
Reinigbar fr Hygieneprozesse, abweisend (nicht adhsiv) PTFE-Auskleidung, Lotusblatteffekt
Adhsiv fr Flssigkeiten (z.B. Fllkrper in Kolonnen)
Z.B. Glas statt Stahl wegen katalytischer Wirkung des Stahls
The process-oriented materialQ Biological Processes no materials which the produccontaminate (rules: FDA)Q cleanable sanitary processes, repellent (non-adhesiv
PTFE lining, lotus leaf effectQ adhesive for liquids (eg packing in columns)For example, Q Glass instead of steel because of the catalytic action of the steel
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13/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDer prozessgerechte Werkstoff
Beispiel Stahl / PTFE / Graphit
Graphit
Stahl
PTFE
The process-oriented materialQ as steel / PTFE / graphite
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14/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDer prozessgerechte Werkstoff
Beispiel Stahl / PTFE
Stahl
PTFE
The process-oriented materialas steel / PTFE
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15/43AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionZulssiger Werkstoff
Aufgrund langjhriger Erfahrung:
Werkstoffe fr die Hygienetechnik FDA Nur weie Elastomere fr Lebensmittel
Bestimmte Elastomere nicht!
PTFE - nur bestimmte Typen
Werkstoffe fr die Chemietechnik und lindustrie API Nur bestimmte Sthle sind erlaubt!
AD-Merkbltter fr Druckbehlterbau Z.B.: kein Graugu fr tiefe Temperaturen
Grundregel fr Hochdruck Werkstoffe mit groer Bruchdehnung
Allowable materialQ Based on years of experience: Materials for Hygiene technology - FDA
P Only white elastomers for foodCertain non elastomers P!P PTFE - only certain types Materials for chemical engineering and oil industry - API
P Only certain steels are allowed! AD data sheets for pressure vessP For example: no cast iron for low
temperatures Basic rule for high pressureP materials with high elongation abreak
ff
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte aus statische Zerreiversuch (Zugversuch)
Sthlen, Metallen, Kunststoffen, Keramik
0
,
,A
FBS
BS =
Sp
annung
Rm
Re
Rp0,2 Rp0,2
Re
Verfestigung Verfestigung
= E
Re
Rm
plastische Dehnung
Proportionalittsgrenze
plastische Dehnung plastische Dehnung plastische Dehnung
oS
uS
Fliebeginn
Fliespannung
vollstndige
Verstreckung
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
el 0,2
= E
el
bl
el
bl
el
bl
pl
Streckgrenz
E-Modul /Youngs
ModulusBruch-dehnung
Maximal-dehnung
Characteristics of static tensile test (tensile test)steels, metals, plastics, ceramic
hardening hardening
yieldstrengE-mod
/Youngmodulelongaat breamaximexpan
W k t ff ht K t kti
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte: Hart-elastische-, zhe Werkstoffe
Druckfestigkeit bei hartelastisch sprden Werkstoffen um bis zu10-mal hher.
Z.B. Keramik, Graphit nie Zugbelasten mglichst immer Druckbelasten 0A
FS
D=
Beton
Concrete
Sprde
Brittle
Characteristics: hard-elastic, tough materials compressive strength In hard elastic - brittle materials by up to10 times higher. For example, Ceramics, graphite never tensile load Whenever possible, pressure loading
W k t ff ht K t kti
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte: Weich- und hochelastische Werkstoffe
Druckfestigkeit
Wie bei hart-elastischen Werkstoffen
hier aber T Belastungsdauer-
feuchte-abhngig plus:
Rckprallelastizitt (DIN 53512)
h0
hR
Pendelstange
Ambo
Probe
HammerHammerfinne
h0= FallhhehR= Rckprallhhe
Characteristics: Soft and highly elasticmaterialsQ compressive strength As with hard-elastic materialsP here but TP load duration P-depending moist - plus: Resilience (DIN 53512)
Suspension Rodanvilsamplehammerhammer peen
W k t ff ht K t kti
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AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte: Weich- und hochelastische Werkstoffe
Wie bei hart-elastischen Werkstoffen hier aber T
Belastungsdauer-
feuchte-abhngig) plus:
Rckprallelastizitt (DIN 53504)
Druck-/Zugverformungsrest (DIN 53512) undSpannungsrelaxation
Weiterreiwiderstand
(53517 / 18)
wichtig bei Elastomeren
Abstandsstck Probekrper
Characteristics: Soft and highly elastic materialsQ As with hard-elastic materialsP here but TP BelastungsdauerP humidity-dependent) - plus: Resilience (DIN 53504) Pressure tensile (DIN 53512) and
stress relaxation Tear Resistance(53517/18) -important in elastomers
W k t ff ht K t kti
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte: Weich- und hochelastische Werkstoffe
Spannungs-Dehnungsdiagramm
100N
mm2
60
40
20
0
Spannung
0 1 2 3 % 5Dehnung
Span
nung
20
10
0
-40C-20
0C
23
40
60150Cv = 5mm/min
10 h 100
1000
10000
100000 h
T = 23C
0 1 2 3 % 5
Dehnung
PA 66
Characteristics: Soft and highly elastic materialsQ stress-strain diagram
Werkstoffgerechte Konstr ktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionKennwerte: Weich- und hochelastische Werkstoffe
Spannungs-Dehnungs-
Diagramm
PA 66
140N
mm2
100
80
60
40
20
0
Spannung
0 10 20 30 40 50 60 70 80 % 100
Dehnung
Prftemperatur-40 C
-20
0 C+20+60
+100
+180 C
PA ( trocken )
100
60
40
20
0
Nmm2
Spannung
0,2 %
2,7 %
7,2 %
0 5 10 % 15 0 50 100 200 300%
Dehnung
trocken PA 66
luftfeucht
nass
Kunststoffe sind
teilweise
feuchteempfindlich
Characteristics: Soft and highly elastic materials
Stress-strain curve
plastics arepartiallysensitive to moisture
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDynamische Werkstoffkennwerte,
Zeitstandverhalten
Stichworte: Whlerkurve,
Smith-Diagramm(bereits in KL)
Sonderfall: z.B. GG20Chemischer Einflu
senkt die Dauerfestigkeit
auf die Ebene, die einedauerhafte Passivierung
sichert. Tritt keinePassivierung ein, ist
Werkstoff unbrauchbar.
300
N/mm2
100
0100 N/mm2 300
O,U
-100-200-300-400-500-600-700-1000 N/mm2
-100
-200
-300
-400
-500
-600
-700
-800
-1000
N/mm2
B
zdW
mzdW
-m
-O,-U
Dynamic characteristic material values,Creep behaviorQ Tags: SN curve,
Smith chart(already in KL)Q Special case:
Chemical influence
reduces the fatigue strengthto the plane, apermanent passivationsecures. If there is noA passivation isMaterial unusable.
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDynamische Werkstoffkennwerte, Zeitstandverhalten
Sonderfall Zeitfestigkeit
A) bei Kunststoffen (Kriechen)
B) bei Sthlen ab 0,3 0,4 x Schmelztemperatur500
300
N/mm2
200
150
100
80
6050
40
30
20
15
10103 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 h104 105 106
Werkstoff : 13CrMo44sB,Z,( Mindestwerte )
Betriebstemperatur=500C510
520530
5405
50
zul= 62,5 N/mm2
Belastungszeit Z
zu
l.Beansp
ruc
hung
13CrMo44
Thermisches Versagen
Ermdungsbrche
Bruch-Lastspielzahl
S
pannungsau
sschlag
Kerbung
BindenahtZunahme von: Temperatur Frequenz Querschnitt Umweltbelastung
Zunahme von:
Faserorientierung Moleklorientierung Wrmebertragung ErholungspausenBeanspruchungsart: Zug/Druck
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionDynamische Werkstoffkennwerte, Zeitstandverhalten
Sonderfall Zeitfestigkeit
bei Kunststoffen (Kriechen)Verschiedene Kunststoffe
PP-Rohre10-1 100 101 102 103 104 h 106
Standzeit
200
150
10080
60
5040
30
20
10
5
N/mm2
Spannung
PA66-GF30PA6-GF50PA6-GF30PBT-GF30PA6
PC
PMMAPVC-hartPOM
ABSSBSAN
PS
PE-HDPE-LDPrfung an Prfkrpern
Prftemperatur: 23 CPA-Proben koditioniert eingesetzt extrapoliert10-1 100 101 102 103 104 h 106
Standzeit
30
20
15
10
8
654
3
2
1
N/mm2
Spannung
Poypropylen-Homopolymerisat-Rohr
20 C30
405060
7080
95
120 C
D namic material ro erties cree behavior
special case term strength On plastic materials (creep)
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionZhigkeit -Kaltversprdung
Kaltversprdung
Kunststoffe
Verschiedene
Werkstoffe
250
150
100
50
0-200 -100 0 +100 +200 C
austenitischer Stahl
( 18 Cr, 8 Ni, 1 W )aust. Cr-Mn-Si-Stahl
St 37 ( Hochlage )
Bereich des Steil-abfalles
( Mischbrche )Kupfer
Al Mg 5
Al Cu Mg
Kerbsc
hlagz
hig
ke
itk
Temperatur
ST37(Tieflage)
fr St 37 kritische Temperatur
Nmcm2
Werkstoff
Molgewicht (-verteil.)
ModifikatorArtGehaltVerteilung
PigmenteStabilisatoren
Gleitmittel...
Alterung....
Sprdbruch
Zhbruch
KerbwirkungRadiusBreiteOberflcheLack
BindennahtBeanspruchungsgeschwindikeitVerweilzeitMassetemperaturWerkzeugtemperaturEinspritzgeschwindigkeit
bergangstemperatur T
Geometrie
Konstruktion
Rheologie
Abbau
Temperatur T
Kerbschlagzhigkeit(Nm/cm2) Charpy-Test.
Kerbschlagzhigkeit ist
Indikator Kaltversprdung Bei Kunststoffen:
Durchstoversuch
Impact strength(Nm/cm2) - Charpy test.Q is notched impact strengthindicator cold weatherembrittlementQ With plastics:
Penetration test
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionZhigkeit und Hrte
Hrteprfverfahren Brinell (Kugel), Rockwell (Kegel), Vickers (Pyramide)
HV 1000 1000 Kp /mm2
Bei hoher Elastizitt Shore-Hrte (Eindringtiefe) Ritzen - Mohshrte
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Diamant
Korund
Topas
Quarz
Feldspat
Apatit
Kalkspat
Fluspat
Gips
Talk
Mohs-Hrte
Tayor ( 1949 )
10 100 1000 1000daN/mm2
Winchel ( 1945 )Knoop ( 1939 )
Vickers-Hrte
0 250 500 1000C
Temperatur
2000
1000
500
0
Vickers-H
rte
daNmm2
Schneidkeramik
Hartmetalle frdie Zerspanung
Stellite
SS-Stahl
C-Stahl
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionHrte - Anwendungsbeispiel
Welches Bauteil hrter als die anderen? Warum?
PN 325 barDN 45( DN 6 - 200 )
PN 3600 DN 40( DN 6 - 6
000126 0006
15
1 2 3 4 5 6
1 berwurfmutter 4 Rohr2 Druckring 5 Anschlag3 Schneidring 6 Verschraubung
15
fest verschraubt
lose verschraubt
000118 0005
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionWeitere physikalische Eigenschaften
Je nach Prozess wichtig:
Strahlenresistenz Elektrische Eigenschaften (Leitfhigkeit, Isolationsfhigkeit,
elektrostatische Aufladbarkeit):
Diffusionsfestigkeit Thermoschockbestndigkeit:
Wrmeleitfhigkeit:
Wrmedehnung Z.B. bei Beschichtung
Kombination verschiedener Werkstoffe
(Glas, Keramik...)
(Wrmetauscher, Isolation)
z.B. Kunststoffe .... Nichtleiter
Kritisch bei Differenz
z.B. Kunststoffe problematisch
z.B. Kunststoffe
Werkstoffgerechte Konstruktion
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2AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionPhysikalische Eigenschaften
Wrmedehnung
Kombination Stahl/Glas - Invar Kunststoff / Stahl 10 / 1
mmmmC
20 10-6
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ausdehnungsk
oeffizient
Nickelgehalt
0 20 40 60 Gew.-% 100
austenitisch
ferritisch
-50 0 50 100 150 200 250 C 300
Temperatur
Lngenaus
de
hnungs
koe
ffitien
t
140 10-5
grd-1
100
80
60
40
20
0
Werkstoffgerechte Konstruktion
5/22/2018 1 Konstruktionslehre PT
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte KonstruktionQualittssicherung
Werkstoffbescheinigungen
DIN-Normen AD-Merkbltter VdTV-Werkstoffbltter Stahl-Eisen-Werkstoffbltter .....
Ziel: Sicherstellung der Werkstoffqualitt Inhalt:
Zerstrungsfreie Prfung auf Risse, Schmelzanalyse, Mechanische Werkstoffkennwerte, Gefge (selten),
Korrosionstests (Strau-Test, Huey-Test, Streicher Test)
Den
Vorschriften
folgen istPflicht
Im Falle desNichtbefolgens
tritt Unfllen
Haftung ein.
Werkstoffgerechte Konstruktion
5/22/2018 1 Konstruktionslehre PT
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Werkstoffgerechte Konstruktion1. Hausaufgabe
Vorrichtung zur Ermitt lung von Diffusionskoeffizienten frKunststoffe unter Gasbelastung
A) Kunststoffe liegen als Folien mit der Dicke 1 mm vor. B) Alle Kunststoffe besitzen eine gewisse Elastizitt, C) Fr den Test bentigt man 10 cm2 frei zugngliche Flche D) Der Prfdruck sei maximal 20 bar. Zuleitung von Gasflasche
Zoll. E) Es stehen Ihnen alle Werkstoffe und deren Ausprgungen zur
Verfgung Bitte skizzieren die Baugruppe und bemaen Sie von Hand, so dass
Ihre Skizze Grundlage fr den Konstrukteur sein knnte. Bitte Schrauben berechnen (KL I) Biegung der Deckel > 0,1 mm in der Mitte (ggf. Dubbel) Wie messen Sie? Laborbedarf steht zur Verfgung
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Metallische
Verbundwerkstoffe
Metallische Verbundwerkstoffe
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Metallische VerbundwerkstoffeStandardwerkstoffe der Chemieapparatebaus (Auswahl)
Kapitel 2, Bild 1
Unlegierte und Niedriglegierte Sthle
Austenitische Sthle (z.B. 1.4571) Superaustenitische Sthle
Nickelbasislegierungen (z.B. Hasteloy)
Hartstoffe Sondermetalle
Titan
Zirkonium Tantal
Nur verwenden wenn ntig!
Nur so wenig wie ntig!
Beschichten,
Auskleiden
Preise
1
48 12
80
10 - 10080 - 500
Metallische Verbundwerkstoffe
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Schweiplattieren (Auftragsschweien)
Ziele
Steigerung Korrosionsbestndigkeit
Steigerung Verschleibestndigkeit (Panzern) Reparatur verschlissener Oberflchen
Voraussetzung
Beide Werkstoffe schweibar! Keine Bildung intermetallischer
Phasen (wie z.B. Stahl/Titan)
Zusatzwerkstoff berlegiertwegen Ablegierung durch
Verschmelzung mit Grund-
werkstoff
Band-Vorschub und Regelung
Stromversorgung
Flssige Schlacke
Verfestigte Schlacke
+- 5 m
+- 5 mm Schweilagendick
Durchschmelzungstiefe( -0,3 - 0,5 mm )
Schweipulver-speisetrichter
Hhe der elektrisch leitendenflssigen Schlacke +- 10 mm( )
Grundwerkstoff-oberflchen-bezugslinie
Unterpulver (UP)
Elektroschlacke mit
Band
Plasma Heidraht
Bild 7 zeigt Vergleich
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Schweiplattieren (Auftragsschweien) - Beispiel
Vorher
Nachher
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Walzplattieren
Physikalische Grundlage
Verbindung durch Diffusion bei hohem Druck
Voraussetzung ist Atombeweglichkeit Zweilagenwalztechnik wird Verwlbung
vermieden
10 m3m Ni, Cu, CrNi-Sthle,
Nickelbasislegierungen,
Silber, Titan,......
Evakuieren vermeidet Oxidation
Metallische Verbundwerkstoffe
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Walzplattieren
Anderer Name: Diffusionspressschweien 1100 1200 C
Grund-werkstoff
Auflage-werkstoff
Trennmittel
Vorbereitung
Schweinaht
Paketbau
Vakuumpumpe
Evakuierung
Tiefofen 4,2 m Quatro "online" Abkhlung
Voest-
AlpineProzess
Blech
bis 2,8x 10 m,
20 t
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
CVD Chemical Vapor Deposition
Silizium von SiH4, GaAs von Ga(CH3)3 und AsH3, Diamant vonKohlenwasserstoffen, und Si3N4 von SiF4 und NH3.
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3AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
PVD Physical Vapor Deposition
Kondensierte Phase
Gasphase Gasphase
Kondensierte Phase
Verdampfen Kondensieren
Transportieren
Unter Vakuum 10-6 bis 10-9, Au, Ag, Al, Sn, Cr, ...
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4AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
PVD Physical Vapor Deposition
Hart,
Edel,
Weich
Laser
PVD
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4AP Vorlesung Teil 1 (SS 2000) 30.01.2
Sprengplattieren
Physikalische Grundlage
Hohe Auftreffgeschwindigkeit (ber kritischer Geschwindigkeit)
Quasi Kaltpressschweien unter extremem Druck
Bilder
Ti, Ta, Zr auf StahlMetall vorher blank (schleifen)
100 1000 m/s
Luft imStozustand
Luft unterNormaldruck
unverbrauchterSprengstoff
ruhendes Auflageblech
WelligeBildungs-zone
Materialstrahl hoherGeschwindigkeit
vorlaufende Stofrontin der Luft
Detonationsfrontim Sprengstoff
sich ausdehnende
Detonationsprodukte( Schwaden )
plattiertes
Auflageblech 1 2
Sprengstoff
Auflageblech
Grundblech
beschleunigdesAuflageblech
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Auskleiden
Alternative zum Plattieren?!
1800
18500
a
b
c
d
e
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Beispiel - Robertverdampfer
Dampf
Acrylsure,Methanol,
Schwefelsure
MethylacrylatMethanolWasser
Kolonne
Emaille Blase
Umlauf-verdampfer
b)
1.4
505
Emaille
Zirkonium
X
42,42
2-3
5
40
c)
Einzelheit X
Stahl,
BleiZirkonium,
Methylacrylat
MethanolWasser
Kolonne
Zwischenstck
Dampf
Acrylsure,Methanol,
Schwefelsure
1.4
571
Stahlverb
leit
a)
Mit Mantelkompensatoren