食品机械与设备教案

第一节食品机械对材料的一般要求对食品物料接触的部分要求：①对食品必须无害，不污染食品；②不受或少受物料介质的破坏，以延长使用寿命。

一、机械性能食品机械一般属于轻型机械大多数零部件受力较小。

从疲劳强度来要求机件的性能、耐磨强度大、硬度高的要求、较高的抗扭强度、耐高温和耐低温的机械性能。

二、物理性能食品机械的性能常常和材料的物理性能有关。

与材料的相对密度、比热容、导热系数、软化温度、线膨胀系数、热幅射波谱、磁性、表面摩擦特性、抗粘着性等。

在不同的使用场合，要求材料有不同的物理性能。

如传热装置要求有高的导热系数，食品的成型装置则要求有好的抗粘着性，以便脱模。

三、耐腐蚀性能食品机械接触的食品物料带有酸性或弱碱性，有些本身就是酸或碱，例如：醋酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、酪酸、脂肪酸、盐酸、纯碱、小苏打等等。

这些物料对许多金属材料都有腐蚀作用。

普通食盐、非酸、非碱，对许多金属也有腐蚀作用。

微生物生长繁殖时会产生带有腐蚀性的代谢物等。

机械设备的耐腐蚀程度决定于：①材料的化学性质和表面状态以及受力状态；②物料介质的种类，浓度和温度等参数。

通过复合材料或表面涂层的方法来加以解决。

四、制造工艺性材料的制造工艺性能至关重要．否则设计出来的零件有可能难以加工，甚至无法加工。

如焊接件的材料要有好的可焊性和切削性能，要求表面硬度高的零件要有好的热处理性能，要求表面涂装的零件要有好的附着性能。

<![endif]>第二节食品机械设备中的腐蚀现象与防止方法一、均匀腐蚀与防止措施这类腐蚀在食品机械中是最常见的形式。

其特征为金属部件整个暴露表面或大面积上均匀地发生化学或电化学反应，以相近的速度腐蚀，金属宏观地变薄。

例如在间接式制冷设备中，金属材料受到浓盐水的腐蚀；各种果汁、果茶和果酱加工设备受到酸的溶解；裸露在大气中的金属材料在空气中的氧化等都属于这种腐蚀。

为了防止这类腐蚀现象的发生在设计、制造和使用食品机械设备时可采取如下措施:1.选用耐蚀性能好的金属材料或非金属材料作为零部件的基材；2.采用耐用耐蚀金属或非金属覆盖层保护，可视其材料性质和工艺条件采取电镀、热喷涂等工艺；3.采取表面合金化措施，根据零部件的工作条件选用渗铝、渗铬、渗锌或多元共渗等工艺；4.采取化学转化膜措施，使金属部件表面参与化学或电化学反应形成附着良好、抗腐蚀性强的反应产物膜层；5.采用有机涂层保护措施，在食品机械设备的非工作的裸露表面上，利用有机的涂料或塑料，形成附着良好、连续的装饰——保护层。

二、电化学腐蚀金属或合金在电解质溶液中形成原电池，一部分金属以离子形式溶入电解质就形成电化腐蚀。

食品物料虽然不一定是液料，但是过程是一样的。

影响金属电化学腐蚀的因素如下：1、金属及合金的组织和状态（1）在食品机械的构造材料中纯金属很少，主要是合金材料，而多相合金多半不耐蚀。

单相合金（即固态溶液）的耐腐蚀性非常特殊。

在合金中的增加时，合金的电极电位增加很慢，耐腐蚀性能也增加不多。

但当耐蚀组分达到某一定比例时，电极电位和耐腐蚀性发生阶段性的突变。

（2）金属的变形和应力对耐腐蚀性也有影响。

（3）金属或合金的表面粗糙度越低，则其耐腐蚀性也越强。

2、腐蚀介质的性质和状态（1）食品物料介质的性质和浓度。

（2）介质的温度升高时，许多腐蚀过程都加快。

（3）压力升高会使气体（CO2、O2）在溶液中的溶解度升高，使金属的腐蚀加快。

①使氧加速进入阴极区；②除去金属表面上沉积的腐蚀产物或破坏钝化膜。

3、设备的结构设备的结构是多种多样的、对腐蚀影响十分复杂，设备中的死角造成液流的停滞，形成浓差电池。

使用不同材料的混合结构，情况可能更严重。

三、化学腐蚀（1）化学腐蚀在金属表面上生成膜，膜的性质主要。

（2）金属表面会生成一层金属氧化物膜。

（3）其他气体或液体介质也可能在金属上形成膜。

（4）膜有一定厚度。

（5）膜的生成是两个方面的互相扩散过程实现的，即介质向金属扩散和金属原子（实际上是离子和电子）向外部扩散。

（6）温度升高时，金属的氧化速度通常增加（7）氧对金属的腐蚀常发是在有水蒸气冷凝在金属表面上时发生的，也伴随有电化学腐蚀。

（8）食品生产中物料分解或腐败。

生成二氧化碳、硫化物（H2S和SO2）及氧化物等，都会对金属腐蚀。

（9）微生物能形成特殊的腐蚀性介质，直接影响到腐蚀的速度。

微生物所引起的电化腐蚀在食品机械中也较为常见。

例如硫酸盐还原细菌对钢进行嫌气腐蚀，在阴极的腐蚀产物如FeS。

嫌气腐蚀形式决定于材料特性:对铸铁能引起石墨化；对钢则生成墨色FeS沉积覆盖的麻点。

其还原反应为:细菌SO42O2S生成的氧一部分用于微生物的代谢，大部分则耗于阴极的去极化作用，促进了腐蚀过程。

硫酸盐还原细菌适宜生长的pH为4.5～9.0。

如果＜3.5或＞11，则细菌的生理活动被抑制。

有些微生物引起好气腐蚀。

例如硫化细菌可以从H2S生成硫酸:H2S+O2→2S+2H2O2S+3O2+2H2O→2H2SO4除本来的腐蚀之外，硫酸又能产生腐蚀电池，从而加速了腐蚀。

铁细菌也造成金属腐蚀。

铁细菌在金属表面的腐蚀产物形成结核状被覆层，作为阴极，与金属表面的好气部分相对应，形成腐蚀电池。

如果在结核被覆之下，同时存在硫酸盐还原细菌的侵蚀，则整个腐蚀将会加速进行。

（10）氯离子的存在，破坏某些奥氏体不锈钢表面钝化膜，而腐蚀内部金属。

氯离子及亚硫酸根离子会在钝化膜缺陷部位，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错等处，侵入钝化膜与金属离子结合成强酸盐，而溶解钝化膜，使膜产生缺位。

局部破坏的钝化膜处，形成了“钝化一活化”的原电池，使其产生点蚀，且速度很快。

防止氯离子穿过钝化膜产生点蚀的方法是采用含钼高镍—铬不锈钢，如1Cr18Ni12MO2Ti，0Cr20Ni30MO2Nb等。

理由是氯离子在表面形成MoOCl2保护膜，有效地防止氯离子穿透钝化膜。

温度80℃以上的氯化物水溶液中，拉应力作用下的奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀断裂，主要是脆性断裂，称为氯脆。

其机理是:由于应力的松驰使金属表面的钝化膜产生较粗大的滑移而破裂;氯离子等使膜裂纹处引起电化学的阳极溶解，而电化学阳极反应产生的氢离子在裂纹处渗入金属中还原成氢气，从而生产很大内应力，促使马氏体内形成脆断。

在高温高浓烧碱水溶液中，或在含硫化物的水溶液中，拉应力作用下的奥氏体不锈钢亦会产生应力腐蚀断裂。

解决这个问题最有效的措施是采用奥氏体和铁素体组成的两相不锈钢，因为裂纹在铁素体界面不再继续扩展，如0Crl7Mnl3Mo2N，0Cr21Ni5Ti等钢，这类不锈钢还有抗晶间腐蚀的能力。

加工方法亦影响到不锈钢的腐蚀，常规食品机械设备都要经过焊接加工，在焊缝处，往往会发生晶间腐蚀，为了避免晶间腐蚀，可以采用两种方法，一是采用低碳级不锈钢，如:0Cr18Ni9，0Crl7Ni12Mo2等，二是采用加有钛或铌等稳定化元素的不锈钢。

焊条亦要采用相对应牌号，焊后要进行稳定化或固溶化处理，以稳定奥氏体组织。

防止这类腐蚀的措施是在设计和制造上尽可能选用同名金属连接，或采用金属与非金属材料的连接，以避免原电池的形成。

若考虑到制造成本或工艺上的要求必须采用两种异名金属连接时，可在用量较少的那种金属构件表面涂绝缘性能较好的有机涂料加以保护或采取阴极电位降到与阳极电位相等，则金属结构的腐蚀电池消失，而使结构物得到完全保护。

四、腐损腐蚀及防止措施食品机械设备处理的料液大多都是腐蚀性料液，当腐蚀性液体与金属表面相对运动时将加速金属表面的损坏。

一般料液在输送过程中运动速度较快，在形成机械磨损的同时，金属又溶解为离子或生成固体腐蚀产物，不断被液体冲刷掉。

铝、铬和不锈钢等表面的保护被液体破坏而加速腐蚀。

软金属如铜、铅等对磨损腐蚀敏感，各种金属构件与运动的液体接触，尤其有涡流的地方，容易产生这种腐蚀。

腐蚀表面出现凹槽、波纹、圆孔等而常带方向性。

如泵的叶轮、搅拌器的浆叶、冷凝器的入口端、输送管路中的各种管、三通在流向转变处常产生这种腐蚀。

应该指出，在腐蚀介质中，由于空泡反复出现，反复消失使周围料液形成高速的水柱，集中冲击在叶片某些部位(最大压力可达数千大气压)，使金属表面的水柱集中冲击在叶片的某些部位(最大压力可达数千大气压)，金属表面产生密集似蜂窝状小孔的空泡腐蚀(或称气蚀)是磨损腐蚀的一种特殊形式。

空泡腐蚀的破坏很严重，其速度远高于其他类型的腐蚀速度。

减少这种腐蚀的措施是:在设计上改变构形、增加管径、加厚易磨损部，使进口水流导向槽的中央而不接近槽壁，在制造工艺上采用阴极保护，涂层保护措施；在使用上采取料液除气降温措施；在维护上对已受侵蚀的部位采取熔焊修补等办法。

第三节食品机械设备常用的金属材料一、碳钢和铸铁普通碳钢和铸铁耐腐蚀性不好，大气中易生锈，不宜直接接触具有腐蚀性的食品介质。

通常用在机械设备中承受载荷的结构。

在承受干物料的磨损构件中，钢铁是理想材料。

铁质本身对人体无害。

影响食品的色泽，如遇含有单宁的食品（如茶），会使食品变成黑色。

钢铁与食品直接接触的构件，常常采用表面涂层，如镀锌的白铁皮，镀锡的马口铁。

马口铁热镀锡厚度为3微米。

有时表面有细孔，会造成铁—锡电池产生腐蚀，用作罐头包装会影响味、色和产生气体。

现在用电解法镀锡，覆盖层厚度为 0. 35～1微米，表面还要覆盖其他涂料。

食品工业可以用涂搪瓷的钢铁容器。

搪瓷的原料有长石，石英砂，硼砂，萤石以及其他成分。

搪瓷最大的优点是对有机酸和无机酸都耐腐蚀，并且搪瓷表面光滑，易于清洗和保持卫生。

搪瓷的致命缺点是在碰撞压力或温度的作用下，釉可能碎裂，只要极少量碎片落入食品物料中。

现在代替搪瓷材料的有各种无毒树脂涂料。

二、不锈钢和耐酸钢不锈钢的基本金属为铁—铬合金和铁—铬—镍合金。

还添加其他元素，如钛、铌、钼、钨、铜、氮等等，提高耐腐蚀稳定性、机械和物理性质以及加工工艺性质。

不锈钢的金相组织可以分为：铁索体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体一铁素体型等几种，性质不相同。

铁和铬是各种不锈钢的基本成分。

当钢中含铬量在12％以上时，就可以对各种介质耐腐蚀，含铬量不超过28％。

1、铁—铬合金铁铬合金呈铁素体型，含碳量超过 0 .15％则为马氏体型。

马氏体型铬钢含碳量一般在0.2％以上，淬火磨光后性能好，高强度和高冲击韧性，切削加工和压力加工性能也好。

热加工有利于提高其耐腐蚀性和机械性能。

铁素体型高铬钢含铬量17～28％，含碳0．15％以下。

铁—铬合金在不锈钢中价格较低。

马氏体不锈钢是指含铬量不低于12%的高铬钢，它比铁素体不锈钢含碳量高。

随着含碳量的增加它的强度硬度和耐磨性等显著提高，而耐磨蚀性下降，马氏体不锈钢主要用来制造力学性能要求高而耐腐蚀性要求并不很高的零部件，常用的有1Cr132、Cr133、Cr13等耐腐蚀性在铬、镍含量相当的不锈钢中，马氏体的耐腐蚀性最差，常温下马氏体不锈钢在单宁酸、水果汁、咖啡茶、牛奶及工业酒精中具有良好的稳定性但马氏体不锈钢在晶间腐蚀点蚀应力腐蚀的介质中不宜选用2、铁—铬—镍合金镍铬不锈钢是食品机械所使用的主要材料之一。