На одной из улиц областного центра меняли
трамвайные рельсы. У стыка двух только что уложенных рельсов сидел человек с
компактной электронаждачной машиной. Он обтачивал место соединения рельсов,
крепко сваренных друг с другом.
Необходимость сварки рельсов, особенно
трамвайных, бесспорна. К электромотору, приводящему в движение трамвай,
подводится ток. Одним из проводников при этом служит толстый медный провод,
подвешенный на мачтах, вторым являются рельсы. Соединение рельсов болтами
создает большое сопротивление проходящему электрическому току. В поисках более
«свободных» путей для движения ток уходит в землю. «Блуждающие» токи очень
вредны. Они разрушают находящиеся в земле водопроводные и газовые трубы,
разъедают металлическую обшивку телефонных кабелей и т. п. Кроме того, концы не
сваренных рельсов быстро изнашиваются, и рельсы преждевременно выходят из
строя.
Но для того, чтобы сварить стальные рельсы,
нужно нагреть их до очень высокой температуры. Однако около того места, где
сваривают рельсы, мы никогда не увидим печей, в которых можно было бы греть
металл.
Как же все-таки удается осуществить сварку
рельсов?
Для ответа на этот вопрос посмотрим в учебник химии.
 |
| Концы несваренных рельсов быстро изнашиваются, и рельсы преждевременно выходят из строя (верхний рисунок). Сваренный стык увеличивает срок службы рельсов (нижний рисунок). |
 |
| Соединение рельсов болтами создает большое сопротивление проходящему электрическому току. В поисках более «свободных» путей для движения ток уходит в землю. «Блуждающие» токи очень вредны. Они разрушают находящиеся в земле водопроводные и газовые трубы, разъедают металлическую обшивку телефонных кабелей и т. п. |
*
Простейшие химические вещества — элементы —
способны при определенных условиях соединяться друг с другом, образуя сложные
вещества. В свою очередь сложное вещество может распасться на входящие в его
состав простые вещества. В обоих случаях происходит химическая реакция.
Всякое вещество обладает определенным скрытым
запасом химической энергии. При химической реакции изменение вещества
сопровождается изменением запасов его химической энергии. При этом может
получиться либо уменьшение химической энергии реагирующих веществ, либо,
наоборот, ее увеличение. Изменение химической энергии при реакции
сопровождается обычно выделением или поглощением тепла.
Существует особая наука, занимающаяся
изучением зависимости поглощенного или выделившегося тепла от характера
химических реакций. Называется эта наука термохимией. Термохимия доказывает,
что если химическая реакция сопровождается выделением тепла, то происходит
уменьшение химической энергии реагирующих веществ. Скрытая химическая энергия
превращается в тепловую. Чем больше выделяется тепла, тем выше тепловой эффект
реакции.
Изучением теплового эффекта реакций впервые
занялись два известных химика — А. Лавуазье и П. де-Лаплас. Это было в 1780 г.
Долгое время они определяли теплоту образования и разложения целого ряда
сложных веществ и наконец сделали свои выводы. Оказалось, что если при
образовании какого-либо сложного химического вещества выделялось тепло, то при
разложении этого вещества на составные части нужно затратить точно такое же
количество тепла. Так, например, при образовании 18,016 г воды выделяется около
68 тыс. малых калорий тепла; для того, чтобы образовавшуюся воду снова
разложить на составные части — 16 г кислорода и 2,016 г водорода, — придется
затратить также 68 тыс. малых калорий тепла.
*
В борьбе с природой в своей производственной
деятельности человек научился широко использовать тепло, выделяющееся при
химических реакциях. Издавна известно, что горение топлива представляет собой
не что иное, как процесс соединения углерода, содержащегося в этом топливе, с
кислородом; при этом происходит выделение большого количества тепла. Люди с
успехом пользуются этим теплом для варки пищи, отопления своих жилищ, выплавки
металлов.
*
Много столетий тому назад человечество
научилось переплавлять железосодержащие руды и получать из них металл. Этот
металл называется чугуном. Чугун — сплав железа с различными химическими
элементами, и прежде всего углеродом, кремнием и марганцем.
Прошли века, и развивающаяся техника
потребовала металл более высокого качества, чем чугун. Человеческая мысль стала
работать над тем, каким образом можно уменьшить в чугуне количество углерода,
кремния и других примесей, превратив чугун в сталь.
В середине 1855 г. английский изобретатель
Генри Бессемер сделал такой опыт. Через расплавленный в огнеупорном тигле чугун
он продувал воздух. Можно было ожидать, что от вдувания холодного воздуха
жидкий металл застынет. Однако, к удивлению Бессемера, расплавленный чугун не
только не остыл, но еще более нагрелся и потерял при этом значительную часть
своих примесей, превратившись в ковкую сталь. Несколько лет спустя Бессемер
усовершенствовал свое изобретение, заменив тигель громадной огнеупорной
ретортой — конвертором.
Бессемеровские конверторы еще и сейчас
встречаются на металлургических заводах. Они вмещают до 35 т жидкого чугуна,
снабжены специальными воздуходувками, продувающими через металл до 1500 куб. м
воздуха в минуту.
Из жерла работающего конвертора вырывается поток
пламени. Это выгорают примеси чугуна. Проходит 10—12 минут — и из повернутой
реторты выливается в ковш сверкающая сталь.
Что же происходит в конверторе? Почему
расплавленный металл не остывает?
Ответ на этот вопрос также дает термохимия.
При высокой температуре, которую имеет
расплавленный чугун, кислород продуваемого через металл воздуха энергично
соединяется с углеродом, кремнием и другими элементами, входящими в состав
чугуна. Окисленные элементы удаляются из расплавленного металла в виде газов или
плавают по его поверхности в виде шлака.
Реакции окисления примесей сопровождаются
выделением большого количества тепла. Так, например, при сгорании 28 г кремния
выделяется 196420 малых калорий, при сгорании 12 г углерода — 92650 малых
калорий тепла и т. д.
Вот потому-то жидкий чугун и не застывает при
продувании воздуха. Поэтому для переделки чугуна в сталь по способу Бессемера не
нужно подводить тепло извне, затрачивать топливо.
*
Теперь нам станет понятно, как свариваются
рельсы. Здесь также используются «печи без топлива», т. е. термохимические
процессы.
Место стыка тщательно очищаемся от ржавчины и возможных загрязнений нефтью, маслом и т. п. Затем на оба свариваемых рельса накладывается так называемый сжимной аппарат. Назначение этого аппарата состоит в том, чтобы крепко прижать друг к другу концы рельсов, нагретые до сварочного состояния.
 |
| На оба свариваемых рельса накладывается сжимной аппарат. Нагретые до сварочного состояния рельсы крепко прижимаются друг к другу. |
При помощи небольшой жаровни с горящими углями свариваемые концы рельсов подогреваются для окончательного удаления влаги. Место стыка окружают, огнеупорной формой, причем обе половинки этой формы плотно прижимаются друг к другу и к рельсам. Все щели между формой и рельсом замазываются глиной. Над отверстием формы устанавливается клепаный тигель, выложенный внутри огнеупорным веществом — магнезитом. Затем тигель заполняется термитом — смесью порошка алюминия и окиси железа.
Алюминий весьма распространен в природе. Известный всем глинозем есть не что иное, как химическое соединение алюминия с кислородом Получение алюминия — сложный производственный процесс, сопровождающийся затратами большого количества энергии. Наоборот, обратный процесс — соединение чистого алюминия с кислородом — сопровождается колоссальным выделением тепла. Этим теплом и пользуются при сварке рельсов.
Однако если реакция между двумя веществами
идет с выделением тепла, то это еще не значит, что смешанные холодные вещества
сейчас же вступают в реакцию. Для того чтобы реакция началась, нужно эти
вещества сначала подогреть посторонним источником тепла. Термитную смесь в
тигле нагревают, или, как говорят, «зажигают». Для этого употребляется
небольшой запальный капсюль, воспламеняющийся от спички. Начавшаяся в одном
месте смеси реакция быстро распространяется на все содержимое тигля; подвода
тепла извне больше не требуется.
Проходит 10—12 секунд, и порошок термита
оказывается расплавленным. В тигле развивается громадная температура,
превышающая 3000°. Железо, выделившееся из окиси, собирается в виде
расплавленной массы (температура плавления 1528°) на дне тигля. Алюминий,
соединившись с кислородом, вновь образует глинозем, покрывающий расплавленное
железо жидким слоем шлака. Через отверстие в нижней части тигля расплавленное
железо выпускают в форму. Проходит еще 2—3 минуты, и, с помощью сжимного
аппарата размягченные концы рельсов плотно сдвигаются. Через 15—20 минут
сжимной аппарат на специальных катках перекатывают к месту нового стыка. Сварка
закончена.
 |
| Схема процесса термитной сварки. Расплавленный а тигле термит наполняет форму, производя сварку рельсов. |
Термитная сварка известна уже свыше 30 лет и
нашла широкое применение в технике. Она часто употребляется для соединения
труб, ремонта стальных изделий и т. п.
*
Отличительной чертой современной металлургии
является переход к выплавке все большего количества высококачественных,
легированных сортов стали, обеспечивающих высокую прочность и твердость
стальных изделий.
Для этого в сталь во время плавки вводятся
специальные элементы: никель, ванадий, хром, вольфрам, молибден и др. Но обычно
эти элементы вводятся в сталь не в чистом виде, а в сплаве с железом, т. е. в
виде так называемых ферросплавов.
Без налаженного производства ферросплавов не
может существовать металлургия качественных сталей. Однако получение ферросплавов,
так же, как и производство стали, связано с применением высоких температур.
Обычно выплавка ферросплавов производится в электрических печах, причем для их
производства затрачивается большое количество электроэнергии.
Однако оказалось, что некоторые ферросплавы
можно получать значительно более дешевым путем, используя тепло реакций.
Возьмем, к примеру, производство
ферромолибдена. Молибден — очень ценная добавка в стали. Небольшое количество
молибдена (до 1 %) сообщает стали высокую твердость и мелкозернистое строение.
Такая сталь будет прекрасно служить и в инструментах, и в деталях автомобилей,
и в сложнейших штампах.
Ферромолибден можно выплавлять в электропечах,
но этот способ дорог и, кроме того, длителен. В последнее время с успехом начал
применяться новый, более простой и дешевый способ производства ферромолибдена.
Он также основан на использовании термохимических процессов.
Ферромолибден получают из обожженной
молибденовой руды, которая представляет собой сложное соединение молибдена с кислородом
— трехокись молибдена. В тигель с трехокисью молибдена вводят ферросилиций —
соединение кремния с железом. Реакция кислорода с кремнием сопровождается
выделением большого количества тепла, вполне достаточного, чтобы осуществить
плавление. Практически этот процесс должен протекать очень быстро, так как в
противном случае будут иметь место большие потери тепла в окружающее
пространство.
Для ускорения химических реакций между
твердыми частицами трехокиси молибдена и ферросилицием достаточно измельчить и
тщательно перемешать между собой эти вещества; при этом увеличивается
поверхность соприкосновения реагирующих веществ, и реакция идет быстрее.
На заводах, где выплавляются ферросплавы, с
успехом внедряется сейчас новый способ производства ферромолибдена.
Принцип получения ферромолибдена крайне прост.
Поступающая в цех шихта (исходные материалы) размельчается на специальных
машинах и засыпается в горн. Горн представляет собой углубление в песке, над
которым устанавливается съемный железный цилиндр, выложенный внутри огнеупорным
материалом. К верхней части цилиндра прикреплен колпак, служащий для отвода
газов и пыли. В песок на дно горна закладывается железная решетка, облегчающая
в дальнейшем выемку выплавленного блока ферромолибдена.
 |
| Печь для получения ферромолибдена. |
Измельченные шихтовые материалы хранятся в
бункерах. Сначала в горн вводят только 10—15% шихты. После этого в горн
кладется запальная смесь, при горении которой развивается тепло, необходимое
для того, чтобы началась реакция в шихте. Чтобы «зажечь» любое количество
шихты, достаточно всего лишь 0,5 кг запальной смеси, состоящей из порошка алюминия
и сухой селитры. Смесь поджигается раскаленным железным прутком. Вслед за этим
в шихте быстро развивается химическая реакция, и горн загружается оставшимися
85—90% шихты.
Процесс плавки длится всего лишь 20—30 минут.
Кремний энергично соединяется с кислородом, образуя жидкий шлак, а
расплавленный металл собирается на дне горна. Проходит еще 12—15 минут; частицы
образовавшегося ферромолибдена оседают на дно горна и свариваются в одну
болванку, которую с помощью подъемного крана извлекают из песка.
Так все больше и больше используются в технике химические процессы, идущие при высоких температурах, но не требующие посторонних источников тепла.
Комментариев нет:
Отправить комментарий