Технологічні середовища харчових виробництв

Матеріалознавство

Навчальний посібник

УДК 67.017, 637.02

ББК 30.3, 34.5

Рецензенти:

Тарельник В. К. – доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри технічного сервісу Сумського національного аграрного університету

Абдулгазіс У. А. – доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки АРК, завідувач кафедри експлуатації та ремонту міського та автомобільного транспорту Республіканського вищого навчального закладу Кримського інженерно-педагогічного університету

Кюрчев С. В. – кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри технології конструкційних матеріалів Таврійського державного агротехнологічного університету

Лапенко Г. О., Падалка В. В., Горбенко О. В., Ляшенко С. В.

Матеріалознавство. Навчальний посібник / Лапенко Г. О., Падалка В. В., Горбенко О. В., Ляшенко С. В. – Полтава : РВВ ПДАА, 2012. – 154 с.

Навчальний посібник розроблений відповідно до програми курсу "Матеріалознавство" для технологічних спеціальностей вищих навчальних закладів (6.130200), відповідно до навчального плану студентів факультету технології виробництва та переробки продукції тваринництва. Включає теоретичний матеріал, методичні вказівки до лабораторних робіт, питання самостійної підготовки та тестові питання для самоконтролю. У посібнику наводиться список рекомендованої літератури.

Для студентів вищих навчальних закладів III–IV рівнів акредитації з підготовки інженерно-технічних та інженерно-технологічних працівників сільського господарства.

Зміст

Передмова...................................................................................................... 6

Умови роботи обладнання переробної промисловості......................... 7

Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості
атомно-кристалічної будови металів...................................................... 15

1. 1. Загальні поняття про матеріалознавство................................. 15

1.2. Метали, особливості атомно-кристалічної будови .............. 17

1.3. Поняття про ізотропію та анізотропію.................................... 20

1.4. Алотропія, або поліморфні перетворення ............................. 20

1.5. Магнітні перетворення............................................................... 21

Розділ 2. Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови.. 21

2.1. Точкові дефекти........................................................................... 21

2.2. Дислокація, її утворення та види.............................................. 24

Розділ 3. Кристалізація металів. Методи дослідження металів......... 28

3.1. Механізм та закони кристалізації металів. ............................. 28

3.2. Будова металевого зливку ......................................................... 30

3.3. Визначення хімічного складу.................................................... 32

3.4. Вивчення структури.................................................................... 32

3.5. Фізичні методи досліджень....................................................... 33

Розділ 4. Загальна теорія сплавів. Будова, кристалізація і

властивості сплавів. Діаграма стану........................................................ 34

4.1. Поняття про сплави і методи їх отримання............................ 34

4.2. Основні поняття в теорії сплавів.............................................. 35

4.3. Особливості будови, кристалізації та властивостей
сплавів …………………………………………………………………37

Розділ 5. Механічні, технологічні та експлуатаційні

властивості металів.................................................................................... 41

5.1. Механічні властивості та способи визначення їх кількісних характеристик 41

5.2. Експлуатаційні властивості........................................................ 45

Розділ 6. Залізовуглецеві сплави. Діаграма стану
«залізо – вуглець»...................................................................................... 45

6.1. Залізовуглецеві сплави............................................................... 45

6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів......................... 46

6.3. Структури залізовуглецевих сплавів....................................... 49

Розділ 7. Сталі. Класифікація і маркування сталей.............................. 51

7.1. Вплив вуглецю та домішок на властивості сталей ............... 51

7.2. Призначення легуючих елементів............................................ 54

7.3. Класифікація і маркування сталей............................................ 56

Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація
і маркування чавунів.................................................................................. 59

8.1. Класифікація чавунів ................................................................. 59

8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування
сірих чавунів............................................................................................... 61

8.3. Високоміцний чавун із куликоподібним графітом................ 63

8.4. Ковкий чавун ............................................................................... 64

Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі ................................ 66

9.1. Титан і його сплави .................................................................... 66

9.2. Алюміній і його сплави ............................................................. 69

9.3. Магній і його сплави .................................................................. 71

9.4. Мідь і її сплави ............................................................................ 72

Розділ 10. Пластмаси й їх класифікація, властивість і галузь застосування 75

10.1. Загальні відомості про пластмаси й їх класифікація........... 76

10.2. Термопластичні пластмаси...................................................... 77

10.3. Термореактивні пластмаси....................................................... 79

10.4. Синтетичні еластоміри, каучук, гума..................................... 80

Розділ 11. Деревина та її властивості...................................................... 82

11.1. Загальні відомості..................................................................... 82

11.2. Будова деревини. Види деревини........................................... 83

11.3. Фізичні і механічні властивості.............................................. 85

11.4. Матеріали і напівфабрикати.................................................... 86

Розділ 12. Скло. Властивості та застосування...................................... 87

12.1. Загальні відомості..................................................................... 87

12.2. Технологія отримання скла..................................................... 88

12.3. Марки скла.................................................................................. 88

12.4. Властивості скла........................................................................ 89

12.5. Види скла за призначенням...................................................... 90

Розділ 13. Практичне застосування матеріалів у харчовій і
переробній промисловостях..................................................................... 90

13.1. Вироби з чорних та кольорових металів............................... 90

13.2. Неметалеві матеріали в переробній промисловості............ 93

13.3. Екологічна небезпека матеріалів у переробній
промисловості............................................................................................. 98

Організація та методика проведення лабораторних робіт............... 100

Л/р 1. Визначення твердості металів.................................................... 102

Л/р 2. Металографічний аналіз металів і сплавів............................... 111

Л/р 3. Вивчення структури сталей та чавунів..................................... 120

Л/р 4.Вивчення мікроструктури кольорових металів і сплавів....... 126

Л/р 5. Вивчення властивостей пластмас............................................... 143

Л/р 6. Вивчення властивостей деревини.............................................. 147

Тестове завдання до самоконтролю...................................................... 154

Бібліографічний список.......................................................................... 167

Додатки...................................................................................................... 168

Передмова

Матеріалознавство є основою для вивчення багатьох спеціальних дисциплін. Серед механічних властивостей міцність займає особливе місце, оскільки перш за все від неї залежить цілісність виробів під впливом експлуатаційних навантажень. Вчення про міцність і руйнування є однією з найважливіших складових частин матеріалознавства. Воно є теоретичною основою для вибору відповідних конструкційних матеріалів для деталей різного цільового призначення і пошуку раціональних способів формування в них необхідних властивостей, для забезпечення надійності і довговічності виробів.

Основними матеріалами, що використовуються в машинобудуванні, є (і ще довго залишатимуться) метали та їх сплави. Тому основною частиною матеріалознавства є металознавство, в розвитку якого провідну роль зіграли російські вчені: Аносов П. П., Чернов Д. К., Курнаков Н. С., Гуляєв А. П. та інші.

До даного посібника включено роботи, що відображають досвід організації лабораторно-практичних занять у Полтавській державній аграрній академії та інших провідних вузах України. Його мета – сприяти закріпленню і поглибленню знань, формуванню практичних навичок у процесі вивчення курсу «Матеріалознавство».

У лекціях розглянуто фізичні основи будови і властивостей конструкційних матеріалів, наведено широко використовувані методи визначення механічних властивостей матеріалів за різних видів навантаження, подано характеристики основних груп конструкційних матеріалів. Наявність у навчальному посібнику методичних вказівок до кожної з робіт дозволить студентам та фахівцям набути відповідних знань про матеріали, що застосовуються під час проектування та виготовленні обладнання переробної промисловості.

УМОВИ РОБОТИ обладнання

Переробної промисловості

Харчовим виробництвом є сукупність послідовних технологічних процесів із переробки сировини рослинного або тваринного походження з метою отримання харчових продуктів або фармацевтичної продукції із заданими властивостями і термінами зберігання.

Важливою особливістю харчових виробництв є необхідність виконання санітарно-гігієнічних вимог, пов'язаних з охороною здоров'я споживачів.

У харчових виробництвах слід виділити найбільш характерні етапи технологічного процесу:

1. Миття або санітарна обробка сировини, продуктів і устаткування.

2. Подрібнення, розділення і калібрування продукції.

3. Перемішування.

4. Теплова обробка.

5. Фасування та упаковка.

6. Транспортування.

За характером дії на оброблюваний продукт устаткування харчових виробництв поділяється на три групи:

• апарати для зміни фізико-механічних властивостей продуктів або їх агрегатного стану під впливом фізико-механічних, біомеханічних, теплових або електричних процесів;

• машини, в яких продукт піддається механічній дії, що приводить до зміни їх форми і розмірів за збереження первинних властивостей;

• транспортні машини для транспортування сировини або неупакованих продуктів.

Характерна особливість машин – існування рухомих робочих органів, що здійснюють безпосередній механічний вплив на оброблюваний продукт.

Особливістю апаратів є наявність певного реакційного простору (робочої камери), в якому відбувається дія на продукт із метою зміни його властивостей.

Необхідно відзначити наступні характерні особливості харчових виробництв:

• контакт продукту або харчового середовища з елементами машин і апаратів;

• часовий чинник, коли технологічний процес має жорсткі часові обмеження; порушення цих вимог призводить до браку.

Матеріалознавство для устаткування харчових виробництв має 4 розділи:

1. Конструкційні матеріали для деталей устаткування, що не мають контактів із сировиною або харчовим продуктом.

2. Матеріали для деталей устаткування, що мають контакт із сировиною або харчовим продуктом.

3. Покриття для деталей, що мають контакт із сировиною, харчовим продуктом, миючими або дезінфікуючими середовищами.

4. Матеріали для споживчої і транспортної тари.

Розглядаючи процес взаємодії харчових продуктів із матеріалами, враховують три категорії чинників:

1. Нейтральність матеріалу до продукту, тобто відсутність дії продукту на матеріал.

2. Нейтральність продукту до дії матеріалу.

3. Працездатність матеріалу з погляду технологічного процесу.

Взаємодія системи «продукт – матеріал» оцінюється і регламентується Міністерством охорони здоров'я з точки зору охорони здоров'я споживача. Для кожного виду продукту є матеріали, дозволені або заборонені до застосування. Приведемо два приклади. Мідь заборонена до застосування в устаткуванні молочних заводів і дозволена до застосування в устаткуванні кондитерського виробництва. Алюміній дозволений до застосування в молочній промисловості взагалі, але заборонений до застосування у виробництві молочних продуктів для дитячого харчування. Будь-які нові матеріали повинні отримувати дозвіл на застосування в устаткуванні для виробництва конкретних харчових продуктів.

Технологічні середовища харчових виробництв

Технологічні середовища харчових виробництв за складом і властивостями можна умовно розділити на органічні й неорганічні. До органічних середовищ відносяться органічні сполуки рослинного і тваринного походження, до неорганічних – хімічно активні водні розчини неорганічних кислот, лугів, солей та інші.

Сильними корозійно-активними середовищами є середовища хлібопекарського виробництва, до яких належать сольові розчини, рідкі дріжджі й запари для їх приготування, житнє тісто, опара, тісто з пшеничної муки і деякі напівфабрикати. Продуктами бродіння заквасок, тіста і напівфабрикатів хлібопекарського виробництва є: етиловий спирт, вуглекислий газ, різні органічні кислоти, головним чином молочна й оцтова, деякі альдегіди і складні ефіри. Кислотність може змінюватися в межах рН 6,0–4,2.

Середовища цукрового виробництва, як правило, нейтральні або слабокислі (рН = 6–7, t = 14–45 °С): ставкова і річкова вода з різним вмістом твердих речовин (0,005–30 г/л) і розчинених солей, дифузійний сік із вмістом 15 %-го водного розчину цукру.

Середовища сокоочисних відділень цукрового виробництва за своїм складом різноманітніші й мають підвищену лужність (рН = 8–14, t = 65–96 °С). Вони містять вапняне молоко, у різній кількості гідроксид кальцію, вуглекислий кальцій, оксид кремнію й інші зважені частинки, що мають достатньо високі абразивні властивості.

Середовища продуктового відділення – слаболужні (рН 8–9) із вмістом великої кількості цукру (25–65 %).

Технологічні середовища виноробного виробництва агресивні до вуглецевих сталей. Агресивність різних сортів вин визначається вмістом у них цукру і спирту, який значно коливається залежно від сорту вина. Так, наприклад, столові (сухі) вина не містять цукру, а лише 9–14 % спирту, кріплені вина містять 8–10 % цукру і 16–20 % спирту, солодкі десертні вина – 8–20 % цукру і більше 13 % спирту, столові напівсолодкі вина – 3–7 % цукру і 7–12 % спирту.

Середовища спиртного виробництва є корозійно-активними, оскільки можуть містити сухі речовини, незброджений цукор, органічні кислоти, складні ефіри, сивушні масла, альдегіди й інше. До цих середовищ можна віднести брагу (зернову, патокову, очеретяну), спирт-ректифікат, спирт-сирець, барду (зернову, очеретяну, ацетонобутилову), а також горілку і різні лікери.

Специфічні умови харчових виробництв (корозійно-активні харчові середовища, миючі й дезінфікуючі розчини, підвищена температура, висока швидкість досягнення робочих середовищ, значні перепади тиску) визначають особливі вимоги до вибору матеріалів під час конструювання технологічного устаткування.

Характеристика устаткування для харчових виробництв

У харчовій промисловості подрібнення здійснюють у наступних цілях: для підготовки сировини, доведення продукту до необхідної консистенції, утилізації відходів сировини.

Значна частина продуктів, що використовується в харчовій промисловості, під час подрібнення легко піддається деформації і має велику вологість, наприклад, м'ясо, хліб, овочі, риба і так далі. Ці продукти належать до умовно твердих.

Основна вимога до матеріалів – зносостійкість. У разі використання стрічкових змішувачів для змішування твердих сипких продуктів з їх одночасним зволоженням, матеріали повинні мати ще й антикорозійні властивості.

До окремого класу належать машини для перемішування пластичних (тістоподібних) продуктів. Змішування пластичних продуктів відрізняється від перемішування рідин, оскільки з підвищенням консистенції матеріалу, що змішується, зменшується його швидкість руху в мережах змішувача і знижується турбулентність.

У більшості технологічних процесів температурні режими знаходяться в інтервалі температур від -30 до 180 °С, хоча відомі технологічні процеси з використанням ще нижчих, зокрема криогенних температур.

Транспортуючі пристрої в харчових виробництвах використовуються як для транспортування сировини і продукції між технологічним устаткуванням, так і для виконання різноманітних технологічних операцій переробки продукції. Практично всі види сировини і продуктів можуть транспортуватися трубами (закритими і відкритими).

У якості матеріалу для виготовлення труб використовуються скло, кераміка, пластмаса, сталь, алюміній, мідь і мідні сплави. Внутрішні поверхні труб повинні мати гладку поверхню з метою зменшення гідравлічних втрат.

Для транспортування в'язкопластичної і пластичної продукції матеріал труб повинен володіти ще і антиадгезійними властивостями.

Для транспортування сипких матеріалів і мілкої продукції до матеріалів труб пред'являються вимоги щодо зносостійкості і антифрикційних властивостей.

Під час технологічного транспортування продукції стрічки можуть або охолоджуватися до температури -30 °С (наприклад, заморожування пельменів) або нагріватися до температури близько 240–280 °С (випічка хлібобулочних виробів).

Надійність і працездатність технологічного устаткування

Високі вимоги щодо надійності технологічного устаткування харчових виробництв обумовлені тим, що в більшості випадків відмови в роботі призводять до порушення технологічного процесу і втрат продукту.

Як правило, моральний термін служби сучасного устаткування не перевищує 5 років, фізичний термін служби під час проектування закладається в межах 5–7 років. З іншого боку, необхідно знати, як задається час амортизаційних відрахувань, протягом якого вартість устаткування повністю списується на собівартість продукції, що випускається.

Для елементів технологічного устаткування, що контактує з харчовими середовищами або миючими засобами, особливо важливу роль має корозійна стійкість. Корозійна стійкість – здатність поверхонь елементів машин і апаратів протистояти дії харчових середовищ, продуктів, миючих і дезінфікуючих розчинів з урахуванням теплових дій, швидкостей проходження робочих середовищ, значних перепадів тиску і так далі.

Знос є найбільш характерним видом руйнування поверхонь робочих органів і деталей устаткування.

Вимоги до матеріалів для устаткування харчових виробництв

Розрізняють фізичні, хімічні, технологічні, механічні, трибологічні, санітарно-гігієнічні властивості матеріалів.

У харчовому машинобудуванні особливо важливу (і до певної міри специфічну) роль відіграють хімічні і санітарно-гігієнічні властивості матеріалів.

Хімічні властивості матеріалів

Найважливішою умовою використання матеріалів у будь-якій конструкції є їх сумісність із робочим середовищем.

Технологічні процеси харчових виробництв проходять за високих і низьких температур, високого тиску і вакууму, великих швидкостей потоків і тривалої витримки харчових середовищ у стані спокою, зі змінами рН середовищ у широкому діапазоні і супроводжуються іншими чинниками, що обумовлюють агресивність харчових середовищ.

Багато харчових середовищ є електролітами, тому корозія в них носить електрохімічний характер. Хімічна природа електроліту обумовлена наявністю у складі середовищ кислот і мінеральних речовин. Кількість і ступінь дисоціації кислот і мінеральних речовин, в основному, і визначають агресивність середовища.

На різних етапах технологічного процесу хімічні властивості середовищ змінюються, у зв'язку з чим знижується або підвищується їх корозійна дія на поверхню апаратів.

Безпосередній контакт із технологічними і харчовими середовищами, тривала безперервна робота, абразивна дія деяких харчових продуктів, агресивний вплив навколишнього середовища, миючих і дезінфікуючих розчинів, а також інші специфічні умови визначають особливі вимоги до вибору і призначення конструкційних матеріалів.

Апарати харчових виробництв піддаються періодичній дії агресивних миючих і дезінфікуючих розчинів: 1–2 %-ої соди каустичної, 5–10 %-ий соди кальцинованої, 2 %-ий сірчаної кислоти, 2 %-ий соляної кислоти, 3 %-ої азотної кислоти, 0,2–0,5 %-ий перманганату калію та ін. Найбільш агресивну дію на технологічні апарати мають кислотні дезінфектори і дезінфікуючі розчини.

У харчових галузях хімічній корозії піддаються тільки деякі апарати і комунікації допоміжних цехів (холодильно-компресорних, вуглекислотних). Устаткування технологічних цехів в основному піддається електрохімічній корозії. Залежно від агресивності середовища й умов протікання електрохімічних процесів, поширені наступні її види:

• атмосферна (дія на устаткування і металоконструкції поза будівлями за наявності забрудненого повітря промисловими газами);

• ґрунтова (руйнування підземних газопроводів, водопроводів, каналізаційних мереж, теплотрас, металоконструкцій, підземних споруд);

• електрична (вплив блукаючих струмів на метали);

• кислотна (розчини азотної, сірчаної, соляної кислот під час дезинфекції, молочної кислоти під час підкислення і т. д.);

• сольова (руйнування насосів розсолів, трубопроводів, батарей охолоджування, випарників, устаткування натрій-катіонних установок і т. п.);

• лужна (лужні миючі і дезінфікуючі розчини особливо сильно руйнують металоконструкції мийних машин, повітряні системи вентиляції цехів розливу);

• контактна (у випадку контакту двох різнорідних металів, що мають різні потенціали);

• біологічна (руйнування продуктопроводів, апаратури, металевих і залізобетонних конструкцій, розташованих у ґрунтах).

Бетонні і залізобетонні конструкції, ємкості, фундаменти устаткування харчових підприємств піддаються інтенсивній корозійній дії: фізичній, біологічній і фізико-хімічній.

Хімічна корозія виникає за дії органічних кислот харчових середовищ на складові частини цементного каменя бетону і залізобетону.

Біологічна корозія є наслідком життєдіяльності мікроорганізмів на поверхні будівельних конструкцій, змочених харчовими середовищами.

Фізико-хімічна корозія викликає руйнування будівельних конструкцій, наприклад, під час теплообміну з навколишнім середовищем, під час дії рідких харчових продуктів у результаті замерзання.

Залежно від середовища, матеріали покриттів можуть бути абсолютно або відносно нестійкі (наприклад, поліхлорвініл нестійкий у житній заквасці).

В органічних кислотах, цукрі, миючих і інших речовинах, що містяться в середовищах харчових виробництв, стійкість полімерів достатньо велика. Універсальну стійкість до харчових середовищ мають композиції на основі епоксидної смоли. Стійкість захисних покриттів із різних полімерів, проявляється шляхом зміни зовнішнього вигляду і здібності до набухання. Під дією деяких органічних середовищ харчових виробництв вона змінюється в широких межах.

Санітарно-гігієнічні вимоги

Матеріали, що використовуються в устаткуванні харчових виробництв, повинні проходити санітарно-гігієнічний і токсикологічний контроль. За несприятливих умов окремі полімерні матеріали або мономери, що містяться в них, низькомолекулярні з'єднання і різні складові частини можуть негативно впливати на здоров'я людей і на якість харчових продуктів. Несприятливий вплив на здоров'я може мати прояв як у вигляді гострих отруєнь, що виявляються через декілька годин або днів, так і у вигляді хронічних отруєнь, що виявляються протягом місяців.

Із погляду гігієнічної і токсикологічної оцінки, матеріали можна розділити на наступні групи:

1) допущені органами Державного санітарного нагляду для контакту з харчовими продуктами;

2) допущені для контакту з визначеними харчовими продуктами;

3) допущені для контакту з харчовими продуктами тільки в особливих умовах;

4) не допущені для застосування в харчовій промисловості внаслідок токсичності або зміни складу під час контакту з харчовими продуктами;

5) не допущені для застосування в харчовій промисловості внаслідок невивченості гігієнічних і токсикологічних властивостей або знаходяться у стадії досліджень.

Різноманітність властивостей матеріалів є головним чинником, що зумовлює їх широке застосування в техніці. Матеріали мають відмінні властивості, кожна з яких зумовлюється особливостями внутрішньої будови матеріалу. У зв'язку з цим матеріалознавство як наука займається вивченням будови матеріалу в тісному зв'язку з їх властивостями. Основні властивості матеріалів можна підрозділити на фізичні, механічні, технологічні та експлуатаційні.

Знання будови, фізичних та механічних властивостей матеріалів дозволить робити правильний вибір під час конструювання обладнання для переробної промисловості.

Розділ 1. Матеріалознавство.
Особливості атомно-кристалічної будови металів