食品机械与设备

1、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：食品必须无害，不污染食品；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

2、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。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。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

3、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

4、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

5、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。使氧加速进入阴极区；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

6、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。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。硫化细菌可以从H2S生成硫酸:H2S+O22S+2H2O2S+3O2+2H2O2H2S

7、O4 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。 点蚀: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。逐步破坏的钝化膜处，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

8、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。氯脆: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: 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，从而产生很大内应力，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

9、生应力腐蚀断裂。解决这个问题: 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，1、采用低碳级不锈钢，如:0Cr18Ni9，0Crl7Ni12Mo2等.2、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。防止化学腐蚀的措施: 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

10、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 空泡腐蚀(或称气蚀) ： 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。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

11、产生密集似蜂窝状小孔的空泡腐蚀。 减少这种腐蚀的措施： 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

12、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 0.351微米，表面还要覆盖其他涂料。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

13、。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1728，含碳015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

14、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。高耐腐蚀稳定性、高的机械性能、较高塑性、可焊性好。食品机械最广泛使用的品种是1Cr18Ni9，其中含铬1719、镍811、碳0.01，简称为188钢。常温时的结构为奥氏体，没有磁性，比电阻和线膨胀系数大，导热性不太好。奥氏体镍铬不锈钢焊接后有产生晶间腐蚀的倾向。晶粒间多余的碳扩散到晶体内与铬结合形成Cr23C6析出，局部铬含量下降至耐腐蚀限。防腐方法：（1）加入适当数量的钛或铌，可以解决。 1Cr18Ni9Ti。（

15、2）在镍铬钢中加入钼，可以提高材料的化学稳定性，特别是在高温的情况下，对一部分氯离子、醋酸、草酸及其他酸等。（3）在材料中加入2的硅，一般可以增加钢的抗酸性，也可以阻止晶间腐蚀。（4）锰在镍铬钢中可以提高奥氏体的安定性，并改善钢的热加工性。（5）镍铬不锈钢在某些情况下抗腐蚀性降低，例如在室温下接触某些非酸性介质、盐溶液、硫酸、沸腾的和冷冻的醋酸、高浓度（50以上）的乳酸等等。氯离子是破坏镍铬钢的重要因素。各种铬钢和镍铬钢（包括马氏体、铁素体和奥氏体）对啤酒、碳酸饮料、肉类、果汁、乳类等都有极好的防腐蚀性能。马氏体铬钢对乳类、果酱和蔬菜篷的防腐性能稍差。三、铜和铜合金1）紫铜的性质与特点： 纯铜

16、亦称紫铜，特点是导热系数特别高，所以常常被用作导热材料，可以制造各种换热器。紫铜的冷压及热压加工性能都好，对许多食品介质都具有高的耐腐蚀性能，能抗大气和淡水腐蚀，对中性溶液及流速不大的海水都具有抗腐蚀性能。对于一系列的有机化合物，如醋酸、柠檬酸、草酸和甲醇、乙醇等各种醇类，紫铜都有好的抗蚀稳定性。当处理介质中存在氨、硫化氢以及氯化物时，紫铜的腐蚀快。对无机酸、硫化物都不耐蚀。 铜制设备和容器不适于加工和保存乳制品，当乳或乳制品中含铜量达 1.5ppb时，就带有不适味，奶油会很快酸败，加热时也会加强氧化。 铜对维生素C有影响，极少量的铜也会促成维生素C很快分解，所以处理富含维生素C的蔬菜汁和水果

17、汁时忌用铜制设备。2）铜制材料的分类（1）紫铜：制造蒸煮锅、蒸发器、管、螺旋管等等（2）青铜：是铜和除了锌和镍以外的元素形成的合金，主要有锡青铜，铝青铜.锡、铝、锰、硅，对食品无害（3）锡青铜：在无机酸中不耐腐蚀（4）铝青铜：铁、锰。（5）硅黄铜：良好的浇铸性和冷热冲压性能四、铝和铝合金铝的腐蚀产物为 A12O3，白色无毒，所以不影响食品。铝和铝合金在许多浓度不高的有机酸中，如醋酸、柠檬酸、酒百酸、苹果酸、葡萄糖酸、脂肪酸等，以及在酸性的水果汁、葡萄酒中，腐蚀是微弱的，但草酸和蚁酸是例外。食品机械中用铝为铸件。铝材适应范围主要包括碳水化合物类、脂肪类、乳类制品等。第四节 食品机械设备常用的非金

18、属材料一、非合成材料木材曾经是食品机械中广泛使用的材料，它具有许多优点，例如耐酸、加工性能好、轻便等，西方酿酒业中仍作为贮酒容器（橡木桶）。搪瓷和玻璃衬里，耐腐蚀，清洁卫生。金刚砂在大豆磨浆机中用作磨盘材料。橡胶。玻璃钢开始应用于食品机械制造它的特点是相对密度小、强度大、耐冲击、耐腐蚀。玻璃钢的结构成分是玻璃纤维和树脂。成型方法：一种为层粘法，将玻璃纤维布用树脂层层粘贴，达到一定的厚度；另一种是注塑法，将短玻璃纤维与合成材料混合均匀后注塑成型。二、合成材料用于食品机械和作为食品包装材料。许多种类的合成材料具有高度的化学稳定性，并对人类无毒，例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚四氟二烯等等。优点：（1）

19、良好的化学稳定性；（2）良好的机械性能：（3）相对密度比金属小很多；（4）隔热性好；（5）电阻极大；（6）光学特性好，有些有一定透明度表面光泽并可加入各种色彩；（7）吸震消音；（8）加工性能好。l、尼龙聚酰胺。如尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等等。强韧、耐磨、相对密度小。尼龙加入30的玻璃纤维，则其抗拉强度可以提高23倍，抗压强度提高1.5倍。 2、聚烯烃聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）等。改性聚苯乙烯就是一般称为ABS的工程塑料，其优点为无毒、无臭、坚韧、质硬、刚性好，在低温条件下抗冲击，机械性能较好，使用温度范围大（一40100）。3、聚碳酸酯（PC）单体双酚A 有优良的工程性能，密度1.2kgm3聚碳酸酯的重要机械特性是刚而韧，成型收缩率恒定为 0.50 .7，线膨胀系数低。最高使用温度可达