книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

Таблица И

Характеристика различных типов сталей

Содержание элементов, %

16%, Си —6—8%, Сг — 1,5—4%.

Из такого чугуна можно делать башмаки, подпятники и дру­ гие детали, работающие в условиях кислых вод. Недостатками,

такого материала являются трудность сварки и малая прочность на разрыв. В качестве устойчивого материала может приме­ няться кислотоупорная бронза (РЬ — 14%, Sn — 10%), но она сравнительно дорога.

В табл. 12 показано, какое влияние на коррозию имеют от­ дельные элементы, входящие в сплав.

ментита

Si выше 3%

69

Для изготовления отдельных деталей, например вентилей для

насосов, применяются сплавы, содержащие 14—14,5% Si, до

0,85% С и до 0,35 %, Мп.

Большинство металлов смешивается в любых пропорциях. В ряде случаев при сплавлении металлов происходит не простое растворение одного в другом, а образуются определенные со­ единения.

Однородные сплавы называются твердыми растворами, если атомы смешиваемых металлов замещают друг друга в кристал­ лической решетке, не нарушая ее структуры. Но большинство сплавов неоднородно и состоит из кристаллов отдельных метал­

чугун).

Для характеристики сплавов методы химического анализа не

всегда применимы, так как часто бывает невозможно выделить

из сплава образующиеся в нем соединения металлов.

Н. С. Курнаков ввел физико-химический метод исследова­ ния сплавов, сущность которого заключается в исследовании ко­

личественного изменения какого-либо физического свойства

(упругость пара, температура плавления, удельный вес, вяз­ кость, электропроводность и т. п.) в системе, образованной двумя веществами, в зависимости от изменения состава системы.

Результаты исследования наносятся на диаграмму, изобра­

жающую состав и свойство сплава.

Из различных видов физико-химического анализа, т. е. та­ кого способа анализа, когда о происходящих химических изме­ нениях судят путем исследования физических свойств, ведущее значение занимает термический анализ; он был впервые приме­ нен еще в 60-х годах прошлого столетия Д. К. Черновым —ос­ новоположником современного металловедения.

Диаграмма термического анализа выражает зависимость температуры плавления сплавов от процентного содержания со­ ставных частей, т. е. является диаграммой «состав — свойство».

При построении диаграммы по оси абсцисс откладывают со­ отношения компонентов сплава, а по оси ординат — темпера­

туру.

На диаграмме имеются кривые превращения, разграничи­ вающие области различных физических состояний сплавов. Тем­

пература плавления каждого из компонентов системы пони­ жается от прибавления другого. Наинизшая температура затвер­ дения сплава называется эвтектической, а сплав, соответ­ ствующий этой температуре,—эвтектическим. Тац, например, для

железоуглеродистых сплавов наименьшая температура плавле­ ния (1145°) соответствует сплаву, состоящему из 4,3% С и

и 95,7% Fe. Этот сплав называется эвтектическим. Ниже эвтек­ тической температуры ни при каком соотношении сплав Fe—С

не может существовать в жидком виде.

70

На диаграмме «железо — углерод» (рис. 7) температура.

1530° соответствует плавлению чистого железа, а температура 1550° — плавлению карбида железа РезС, состоящего из 6,67% С

и 93,33% Fe.

Диаграмма охватывает железоуглеродистые сплавы с со­ держанием С от 0 до 6,67%.

Все точки, расположенные на кривой ACD, показывают тем­

пературу начала затвердевания сплава данного состава. Точка С

ром называются смешанные кристаллы, где частицы обоих компонентов способны замещать

друг друга в кристаллической решетке. Кривая АВ показывает зависимость растворимости углерода в аустените от темпера­ туры. Предельное содержание углерода в аустените (точка В) соответствует температуре эвтектики, т. е. 1145°.

В сплавах меди с цинком (латунь) или оловом (бронза) в за­ висимости от содержания цинка или олова вводят обозначения а, |3, у, определяющие промежуточные химические соединения и

эвтектоидные смеси. Сплавы никеля с медью (мельхиор) явля­ ются только твердыми растворами, антифрикционные сплавы

(баббиты) обычно состоят из смеси кристаллов чистых метал­ лов, их эвтектик и химических соединений CuSb, CuA12 и др.

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) преимущественно

представляют эвтектику с избытком кремния; дюралюмины —

обычно твердые растворы с включением химических соедине­

ний СиА12, МпА13, SbAl3 и др.

2. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И БОРЬБА С НЕЙ

Убытки от химического износа металлов (коррозии) часто во много раз превосходят потери от механических воздействий при работе машин.

71

Подсчитано, что около 30% всех ежегодно добываемых ме­ таллов идет на пополнение потерь от коррозии.

Если при нахождении в газообразной атмосфере (воздухе) металл покрывается внешним слоем окислов и может быть ими предохранен от дальнейшего быстрого разрушения, то в случае

соприкосновения металла с жидкостью, в которой могут раство­ ряться образующиеся на металле соединения, разрушение идет очень быстро.

В условиях работы шахтного оборудования, часто соприка­

сающегося с подземными водами, борьба с коррозией становится одной из ведущих задач. Существенно, что в шахтных условиях оборудование часто выходит из строя неожиданно.

Коррозия всегда начинается с поверхности данного изделия. В результате коррозии металлическая поверхность изделия те­

ряет свой блеск, становится шероховатой, покрываясь продук­ тами коррозии, обычно состоящими из окислов металлов. Спо­ собность данного изделия сопротивляться в тех или иных усло­ виях коррозии прежде всего определяется природой металличе­ ского вещества (сплава), из которого оно сделано, и условиями, в которых данное вещество находится. Например, медь, из ко­ торой изготовляют водопроводную аппаратуру (краны, за­ движки и т. д.), непригодна на коксохимическом заводе вследст­ вие выделения аммиака, который, растворяя медь, разрушает медные изделия. На процессы коррозии металлов оказывают

влияние и такие факторы, как температура, давление и т. д.; сле­ довательно, при оценке возможного возникновения коррозии надо учитывать весь комплекс условий, в которых должна рабо­ тать данная деталь.

Все коррозионные явления подразделяют на химические и

электрохимические.

Химическая коррозия менее распространена, так как возни­ кает под действием сухих газов или жидкостей, не проводящих

электрического тока, что в практике встречается сравнительно редко. При химической коррозии металлы «самозащищаются», или пассивируются, образуя защитные пленки. Толщина таких

пленок не превышает 0,002 мм, однако они являются хорошей

защитой. Например, железная пластинка, опущенная в концент­ рированную азотную кислоту, покрывается пленкой окислов и выдерживает действие слабой азотной кислоты, разрушаясь при непосредственном воздействии ее. Наличие защитной пленки может быть определено по цветам «побежалости», появляю­ щимся на поверхности металлов.

В результате воздействия на металл жидких электролитов (растворов, проводящих электрический ток), к которым отно­

сятся и шахтные воды, возникает электрохимическая кор­ розия.

Известно, что работа гальванического элемента основана на

появлении разности потенциалов, возникающей между электро-

72

дами, изготовленными из различных металлов, опущенных

враствор кислоты или соли.

Врезультате работы гальванического элемента один из элек­ тродов разрушается, другой же служит пунктом нейтрализации

положительно заряженных ионов раствора. При электрохими­ ческой коррозии имеют место явления, сходные с указанными, г. е. появляется контакт между более и менее активными метал­ лами. Такие же «пары» могут возникать не только от включения разных металлов, но и от других примесей, имеющихся в техни­ ческих металлах. Например, в стали могут возникнуть «микро­

пары» зерен железа и карбида железа, Fe.sC образует аноды, Fe — катоды.

При этом возникает такое огромное количество микропар,

что они вызывают коррозию всего вещества.

Чем чище данный металл, чем меньше содержит примесей,

тем слабее он подвергается коррозии.

Электрохимическая коррозия иногда может быть задержана снятием верхнего рыхлого слоя, в котором количество микро­ элементов обычно возрастает.

Весьма нежелательно включение в одну деталь веществ раз­ личных металлов. Например, если тело алюминиевого водяного бака скреплено медными заклепками, то заклепки будут ка­ тодами, а алюминиевая поверхность — разрушающимся ано­ дом.

В условиях подземных сооружений, где поверхность покрыта частицами угольной пыли, адсорбирующими влагу воздуха, в котором содержится значительное количество двуокиси угле­ рода, а иногда сернистого и других газов, имеются особо благо­ приятные условия для возникновения коррозии. Поэтому здесь

особенно важно, помимо применения защитных мер, следить за тем, чтобы не было соприкосновения стальных деталей с мед­

ными и никелевыми сплавами и т. д.

В условиях работы металлических деталей под землей их коррозия усугубляется также влиянием блуждающих токов, ко­ торые часто возникают в шахтах при работе станций, питающих

электровозы (постоянный ток).

Блуждающие токи могут выходить и вновь возвращаться

в рельс, образуя в трубопроводах, металлических оболочках кабелей участки входа и выхода постоянного тока, вызывая со­ ответственно образование катодных и анодных зон.

В целях возможного устранения этого влияния металличе­ ские изделия, находящиеся под землей, рекомендуется присоеди­ нять к общему проводнику.

Коррозионную стойкость металла оценивают по потере веса при погружении его в корродирующую среду за определенный промежуток времени. При потере менее 0,1 г!м2час металл считается коррозионно устойчивым, при потере от 3 до 10 г — малоустойчивым. Наряду с равномерной коррозией ПО’ всей

73

поверхности изделия иногда на отдельных участках наблюдается

местная коррозия; большей частью она является результатом нарушения поверхности.

В некоторых случаях местная коррозия может быть особенно опасной, например если железо покрыто оловом (белая жесть).

Так как железо более активно, чем олово, то в месте поврежде­ ния разрушение будет особенно сильным и может образоваться

коррозионная язва. Особенно опасна незаметная снаружи, но развивающаяся в теле металла на границе зерен, так называе­ мая интеркристаллитная коррозия.

В тех случаях (например, при оцинкованном железе), когда покрывающий металл более активен, местные царапины менее опасны.

Одним из распространенных способов защиты металла от кор­ розии является покрытие его поверхности другим, более стой­ ким металлом или же каким-либо устойчивым к внешним воз­ действием веществом, например битумом; хорошие результаты получаются и при цементировании труб.

Покрытия из масляного (битумного) и так называемого «кузбасслака» * держатся 3—5 месяцев. Резиновые наклейки применяются преимущественно для защиты водоотливных труб.

Действенной мерой борьбы с коррозией является также воз­ можно полное удаление факторов, способствующих коррозии ме­ таллов из той среды, где они должны работать.

Для этого важно очистить воздух от едких газов, пыли и излишней влаги; воду — от кислорода, примесей кислот, щелочи и т. д.

Для замедления коррозии прибегают также к методам за­ щиты при помощи протекторов, т. е. приведения в контакт за­ щищаемого металла с большой поверхностью более активного металла. Так, например, железные трубы защищают, вводя их в контакт с листами цинка, которые, разрушаясь, предохраняют железо. В последнее время находят распространение вещества,

замедляющие коррозию, называемые ингибиторами (замедли­ телями).

Перед нанесением на металл любой защитной пленки его по­

верхность должна быть прежде всего хорошо очищена. Одним

из распространенных методов очистки является воздействие чистого мелкого кварцевого песка, направляемого струей сжа­ того воздуха. Применяют также быстровращающиеся стальные щетки, обработку наждаком. Действенным средством подго­ товки поверхности металла к покрытию является травление

кислотами (серной, соляной). Перед травлением поверхность

в жидких углеводородах ароматического ряда, образующихся при коксова­ нии угля.

74

керосином, и во избежание порчи поверхности добавляют инги­ биторы.

Искусственное создание окисных пленок —оксидирование — осуществляется при помощи растворов, состоящих из едкого натра и азотнокислых солей натрия. Хорошо предохраняют ме­ таллические поверхности пленки из фосфорнокислых солей же­

леза и марганца.

При защите металлов металлами применяются: металлиза­ ция — покрытие защищаемого металла пульверизируемой пылью защищающего металла; лужение (покрытие оловом); гальвани­ ческое покрытие, основанное на электролитическом осаждении металлов.

В последнее время стало распространяться диффузионное покрытие, заключающееся в нагревании обрабатываемого

металла в порошке покрывающего.

При диффузионном покрытии и металлизации иногда ликви­

дируются уже образовавшиеся коррозионные язвы в веществе того или иного металла.

Кроме того, применяются такие методы защиты, как азоти­

рование (насыщение металлической детали азотом при прогре­ вании в муфельной печи), покрытие смазками, салом или авиа-

маслом со стеаратами алюминия, церезитом, парафином или пушечным салом.

Для защиты стальных канатов рекомендуется, например, смазка, состоящая из 87% авиамасла, 3,5% стеарата алюминия, 5% церезита, 4,5% парафина или 90% авиамасла и 10% стеа­

рата алюминия.

Рекомендуется также электрозащита шахтного оборудова­ ния путем включения постоянного источника тока с напряже­ нием, превышающим электродный потенциал защищаемого.

Напряжение должно быть порядка 6 в при токе 0,05 а. Покрытие лаками и красками является самым широким спо­

собом защиты от разрушения не только различных металлов, но и древесины, и применяется наиболее часто.

Вещества, нанесенные в жидком виде на твердую поверх­

ность и способные после улетучивания растворителя или про­

текания химических реакций давать твердую пленку, составляют

•особый класс химических продуктов, называемых пленкообра­ зующими. Пленкообразователем обычно является высокомоле­ кулярное нелетучее органическое вещество.

Все краски являются, по существу, пленкообразующими ве­ ществами, однако обычно под этим понятием подразумевают олифы и лаки. Олифы — продукты уплотнения растительных масел. Натуральная олифа получается при нагревании (280— 330°) и продувке воздухом растительного масла (или рыбьего жира с добавкой сиккативов малорастворимых солей металлов

и некоторых карбоновых кислот). Продувка воздухом и нагре­ вание без доступа воздуха ускоряют высыхание масел.

75

Лаками называют сложные коллоидные растворы не только

масел, но и других высокомолекулярных органических соедине­ ний (смол, эфиров, целлюлозы), образующих при высыхании прозрачные пленки.

Широкое применение находят искусственные олифы, приго­

товляемые из нефтяных потоков, потопов каменноугольной смо­ лы и продуктов лесохимической промышленности.

Спиртовые лаки применяются преимущественно для про­

питки древесины, целлюлозные лаки — для покрытия древесины и металлов. Устойчивы и дают прочную пленку ацетилцеллю­ лозные лаки. Покровные лаки состоят из смолоподобных ве­

ществ, растворимых в каком-либо растворителе. Их не следует

смешивать с красильными лаками, представляющими преиму­ щественно нерастворимые в воде производные органических кра­ сителей. Органические красители для защиты от коррозии при­

меняются очень редко, преимущественно используются мине­ ральные красители.

Следует отметить, что в условиях горного предприятия не­ которые минеральные красители могут быть получены из по­ род, часто направляемых в отвалы (охра, сурик, умбра и др.).

3. ДРЕВЕСИНА И ЕЕ ЗАЩИТА

Дерево пока наиболее распространенный материал, приме­ няемый в угольной промышленности. Крепи и шпалы изготовля­ ются из различных древесных пород. Для надземных сооруже­ ний углеперерабатывающих предприятий также в большом ко­

личестве применяют древесину.

Поэтому вопрос изменения вещества древесины или гниения древесины является важным для работников угольной промыш­ ленности.

Процесс гниения древесины является результатом воздейст­

вия паразитных и сапрофитовых грибков, развивающихся из-за наличия в веществе древесины белков, а в порах ее — воздуха.

Споры указанных грибков образуют ферменты, которые по­ степенно разрушают древесину.

Вещество древесины при гниении меняет структуру, вследст­ вие чего уменьшаются ее прочность, цвет и другие качества.

Поражение древесины происходит и от домовых грибков, ко­ торые разрушают ее очень быстро. В зависимости от условий

окружающей среды может иметь место полное разрушение дре­ весины (тление), перегнивание и частичное изменение состава, в частности уменьшение содержания в ее веществе целлюлозы,

лигнина и др.

В результате гниения древесины образуются двуокись угле­ рода, вода и другие простые вещества.

При нормальных атмосферных воздействиях древесина,, влажность которой обычно не превышает 14—16%,. является

76

довольно устойчивым веществом. Деревянные сооружения даже

без внешней защиты сохраняются часто десятки лет. Однако условия работы древесины в угольных шахтах очень неблаго­ приятны; при нахождении дерева во влажной среде, при пло­ хом проветривании и отсутствии света развитие жизнедеятель­ ности грибков и процессы гниения развиваются очень быстро. Поэтому для определения срока службы древесины на горно­ угольных предприятиях надо строго следить за обработкой ее профилактическими средствами.

К таким мероприятиям относятся обугливание (обжиг), осмоливание, а в последнее время все больше внедряется антисептирование древесины различными химическими средствами, уничтожающими микроорганизмы, содержащиеся в воде.

Распространенными антисептиками являются: креозот, крео-

зот-кальций, карболинеум, крезонет, креозотовая эмульсия,

торфяной и древесный деготь, медный и железный купорос, растворимое стекло, колчеданные огарки и ряд других. Полу­ чили распространение в качестве антисептиков различные соли мышьяка.

В большинстве случаев на крупных предприятиях (в гор­ ной промышленности, на железных дорогах и т. д.) осуществля­ ется централизованная обработка древесины на лесопропиточ­ ных и шпалопропиточных заводах. В некоторых случаях можно антисептирование производить и на месте потребления древе­

сины.

Отвалы шахт часто богаты колчеданными огарками, исполь­ зуя которые, можно осуществлять антисептирование древесины

следующим образом:

1)обработать древесину водным раствором, получаемым при действии воды на огарки;

2)смочить огарки водой и полученной пастой обработать дре­

весину до предельной пропитки;

3)обсыпать огарками детали, находящиеся на месте.

Во всех случаях образующийся раствор сернокислых солей железа и меди проникает в древесину, свертывая белковые ве­ щества и вытесняя воздух из пор.

В последнее время получают распространение органические антисептики, как, например, пентахлорфенол и др.

4 ЗАМАЗКИ И ИХ СОСТАВ

Небольшие аварии в производственном процессе, например ■образование течи в трубопроводе, появление трещины в неот­ ветственной детали и т. д., могут быть быстро устранены при

помощи различных замазок.

Замазки представляют собой тестообразные составы, спо­ собные прочно приставать к поверхности твердых тел и затем быстро переходить в твердое состояние.

77

Эффект действия замазки состоит в заполнении щелей, углуб­ лений и различных неровностей для получения однородной глад­ кой поверхности, а также для сообщений ей непроницаемости

для газов и жидкостей.

Процесс твердения замазок является довольно сложным фи­ зико-химическим процессом. Замазка должна подбираться так, чтобы процесс ее затвердевания происходил не более суток.

При подсыхании не должно образовываться пузырей. Коэффициент теплового расширения замазки должен быть

по возможности близок к коэффициенту расширения поверх­

ности, на которую замазка положена, а в случае разнородных поверхностей иметь промежуточные между обоими коэффициен­

тами значения. Замазка должна выдерживать температуру в тех пределах, в которых может находиться обработанный ею пред­ мет. Замазка должна быть определенного цвета и тона, чтобы заделка поверхности была незаметной.

Состав замазок чрезвычайно разнообразен.

Данные о составе и способе применения замазок приводятся в табл. 13.

ком и наносится в горя­ чем состоянии

78