Сварочные процессы, использующие тепло химических реакций
В конце XIX в. широкому распространению способов сварки, имеющих в качестве источника нагрева электрическую энергию, препятствовали объективные причины. Электрическая энергия была дефицитной и достаточно дорогой. Известные способы сварки не были универсальными, а оборудование было достаточно громоздким и недостаточно мобильным. Удовлетворительное качество металла обеспечивалось ценой высокой трудоемкости и необходимостью привлечения кадров высокой квалификации. Но без сварки уже нельзя было представить промышленное производство большинства стран. Поэтому не случайным является разработка в конце XIX в. способов соединения и разъединения металлов, основанных на использовании теплоты химических реакций.
Газопламенные процессы
В 1840 г. немецкий химик Д. Рихман разработал аппарат для получения водорода, выделяющегося при взаимодействии азотной кислоты с цинком. Водородно-воздушным пламенем из специальной горелки удавалось паять легкоплавкие металлы. В лабораторных условиях многие использовали кислородно-водородное пламя, которое имело температуру 2600 0С и могло расплавить платину, золото и серебро. Примерно в 1880 г. кислород и водород стали получать путем электролиза воды.
Еще более дешевый способ получения кислорода разработал немецкий физик и инженер К. Линде. В 1895 г. он сконструировал и построил первую в мире промышленную установку для получения жидкого воздуха, а в 1902 г. создал ректификационный аппарат для разделения воздуха на компоненты. Это открыло дорогу широкому применению кислорода в технике. В конце XIX в. немецкий инженер Э. Висс изобрел водородную горелку, кроме того, появились промышленные способы сжатия газов. Все это создавало условия для разработки новых способов обработки металлов.
Этому же способствовало изучение свойств другого газа – ацетилена, теплота сгорания которого более чем в 5 раз выше теплоты сгорания водорода, а температура пламени в смеси с кислородом достигает 3200 0С. Впервые свойства ацетилена описал в 1836 г. английский химик Э. Деви, назвавший его бикарбонатом водорода, а в 1860 г. французский ученый П.Э.М. Бертло дал точную формулу и современное название этому газу. Он же определил взрывчатые свойства ацетилена. В связи с этим для использования ацетилена необходимо было найти не только дешевый промышленный способ его получения, но и способы хранения, транспортировки и сжигания.
Одновременно с поиском газов велась работа по созданию надежной аппаратуры. В 1838 г. появились шланги для подключения горелок. Одной из первых горелок для водородно-кислородного пламени является конструкция американского изобретателя Р. Хейра. Разработанное в 1847 г. устройство имело диафрагму в водородном канале, через которую газ выдавливался в наконечник горелки и выходил наружу, что предохраняло от обратного удара (потока горящего газа внутрь системы). В 1850 г. во Франции С.К. Девиль создал горелку для водородно-кислородного пламени, в которой водород и кислород смешивались в специальной камере до выхода наружу.
Появление смесительной камеры открыло возможность регулировать состав газового пламени, изменяя соотношение горючего газа и окислителя. Нормальным считается пламя, когда подаваемое в горелку количество воздуха или кислорода обеспечивает полное сгорание горючего газа. Оно считается восстановительным, когда воздуха или кислорода подается меньше, чем требуется для полного сгорания горючего газа. Наконец, когда воздух или кислород подается в избытке по отношению к горючему газу, пламя считается окислительным, так как имеющийся при высокой температуре кислород может окислить нагреваемый металл. Такое пламя может не только соединять, но и разъединять, резать металл. В 1887 г. впервые было произведено прожигание отверстий в металле газовым пламенем.
В 1895 г. А.Ле Шателье отметил, что ацетилено-кислородное пламя имеет не только высокую температуру, но и не окисляет расплавленное железо. В целом электрические способы и газовая сварка были готовы заменить клепку в производстве машин, аппаратов, промышленных конструкций из чугуна, стали и меди. Они оказались вне конкуренции при ремонте этих изделий и устранении брака при отливке деталей и механической обработке. К началу ХХ в. в России, Германии, Англии, Швеции превалировала дуговая сварка, в США – контактная, а во Франции явное предпочтение было отдано автогенной обработке.
Термитная сварка
Применение сварки в конце XIX в. было достаточно широким, но появилась серьезная проблема соединения элементов с большими площадями сечения: рельсы, массивные балки и т.д. Недостатки известных способов сварки оказались серьезным препятствием для решения данной задачи. Применение способа Славянова ограничивали стационарный аппарат и тяжелый генератор; более мобильными способом Бенардоса и ацетилено-кислородной сваркой за один проход можно было выполнять швы высотой до 3–5 мм, а при многослойной сварке накапливались дефекты. Контактная сварка была слабомощной.
Как это часто бывает, сложная техническая задача была решена на принципиально новой основе – с помощью алюмотермии. Процесс получения металлов и сплавов восстановлением оксидов металлов алюминием был открыт крупным российским физико-химиком Николаем Николаевичем Бекетовым еще в середине XIX в. Одним из результатов его исследований была докторская диссертация «Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими», где доказывалось, что шихта из смеси порошков алюминия и оксида железа, засыпанная в тигель и подожженная, горит при температуре несколько тысяч градусов и превращается в железо и шлак. Вместо алюминия можно было использовать магний, а из оксидов восстанавливать и другие металлы (хром, титан, бор). Это явление и было использовано для создания нового способа сварки, получившего название термитного.
Нагрев осуществляется энергией, которая выделяется при горении термитной смеси – смеси порошков алюминия (или магния) и оксидов металлов (главным образом железа). В создание термитной сварки внес большой вклад представитель немецкой школы химиков Г. Гольдшмидт, осуществивший в 1898 г. соединение двух железных брусков.
Он заформовал место стыка, заполнил его термитной смесью и поджег ее. Образовавшееся перегретое жидкое железо подплавило кромки брусков, а после кристаллизации превратилось в шов, соединив их. Шлак всплыл и легко отделился от места соединения. Основная трудность, которая сопровождала применение алюмотермии, была плохая управляемость процесса. Смесь могла мгновенно вспыхнуть, а иногда не загоралась вовсе. Г. Гольдшмидт преодолел эту трудность, применив для холодной шихты запал из пероксида бария.
Такие преимущества термитной сварки, как портативность оборудования и приспособлений, возможность соединять крупные заготовки на месте и использовать изделие практически сразу после сварки, были быстро оценены железнодорожниками. Этим способом сварки стали соединять рельсы, поломанные тяги, штоки и др.
Термитная сварка оказалась наиболее выгодной для соединения деталей с площадью сечения более 5 см2. На сварку стыка уходило около 10 минут. Ее начали применять в судостроении (валы, гребные винты, якоря), машиностроении (рамы, фундаменты, ступицы) и других отраслях техники. Этот вид сварки оказался настолько удачным, что в течение нескольких десятилетий оставался почти без изменений и, несмотря на определенные недостатки, удерживал за собой первоначально «захваченную» область применения.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Существуют и другие направления в освоении солнечной энергии. Это, прежде всего, использование фотосинтезирующей способности растений. Уже созданы и успешно работают, правда пока в лабораторных условиях, фотобиохимические системы, где энергия кванта света используется для переноса электронов. Они являются прообразом эффективных преобразователей будущего, использующих принципы естественного фотосинтеза.
Решая вопросы "экономичности" солнечной энергетики, нельзя впадать в распространенное заблуждение: сравнивать дорогостоящую, но очень молодую технологию преобразования энергии Солнца в электричество с помощью фотоэлементов, с дешевой, но "грязной" технологией использования нефти и газа. Экономичность этого нового вида энергетических ресурсов должна сравниваться с теми видами энергии, которые будут в тех же масштабах использоваться в будущем.
Расчеты показывают, что стоимость широкого производства синтетического жидкого топлива с помощью солнечной энергии будет равняться 60 долларам за баррель. Для сравнения отметим, что сегодня стоимость барреля нефти из района Персидского залива составляет 35 долларов.
Интенсивность солнечного света на уровне моря составляет 1-3 кВт на квадратный метр. КПД лучших солнечных батарей составляет 12-18 процентов. С учетом КПД преобразование энергии солнечных лучей с помощью фотопреобразователей позволяет получить с одного квадратного метра не более 1/2 кВт мощности.
Опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах показывает, что энергию солнца выгоднее непосредственно аккумулировать и использовать в виде тепла. Разработаны проектные предложения для Аляски и севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов сопоставимы с условиями средней полосы нашей страны. Существует два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы: высокотемпературные и низкотемпературные.
В преобразователях первого типа солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов.
Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах - порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.
Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.