Химия в работе на жд транспорте. Химия в работе на железной дороге. СодержаниеВведение История появления железной дороги основы теории сплавов
 Скачать 468.11 Kb.
|
|
М Содержание Введение......................................................................................................3-5 1. История появления железной дороги 2. основы теории сплавов 3. Рельсовая сталь 4. Металлы в производстве железнодорожных вагонов....... 5. Моющие вещества........................................................................ 6.Виды топлива Химия в работе железной дороги Введение М Железнодорожный транспорт в России является основным в системе транспорта страны. Железнодорожный транспорт является лидером в России по перевозке грузов, и занимает второе место после автомобильного по перевозке пассажиров: выполнение железнодорожным транспортом 40% пассажирооборота и примерно 80% грузооборота транспорта. Пути сообщения были всегда и везде. Наземный транспорт зародился в глубокой древности. История наземного транспорта, выделившего из себя новый вид—железнодорожный, уходит вглубь веков. История появления железной дороги 180 лет назад в стране открылась первая железная дорога общего пользования 180 лет назад, 11 ноября (30 октября по старому стилю) 1837 года, открылась первая в России железная дорога общего пользования. Она соединила Санкт-Петербург и Царское село. Идеи по созданию железных дорог в Российской империи начали появляться еще в 1820-х годах, вскоре после запуска первой линии в Англии. Выдвигались предложения построить первую железную дорогу от Санкт-Петербурга до Москвы, Твери или Рыбинска. Однако все эти проекты были встречены недоверием со стороны правительства из-за большой стоимости, а также из-за неуверенности в надежности работы железной дороги в условиях русской зимы. Днем рождения российской железнодорожной отрасли считается начало испытаний первого русского паровоза в августе 1834 года. Он был построен механиками и изобретателями Ефимом Алексеевичем Черепановым (1774-1842) и его сыном Мироном Ефимовичем (1803-1849) для транспортировки руды на Выйском заводе в Нижнем Тагиле. Паровая машина, названная "сухопутным М пароходом", могла перевозить более 200 пудов тяжестей (около 3,2 т) со скоростью 12-15 верст в час (13-17 км/ч). Первая в России общедоступная пассажирская железная дорога, Царскосельская, была открыта в 1837 году и соединяла Санкт- Петербург с Царским Селом, паровозы для нее были заказаны в Англии. В 1840 году было открыто движение по второй железной дороге на территории Российской империи: на деньги польских банкиров была построена линия от Варшавы до Скерневице. В 1848 году она соединилась с Краковско-Верхнесилезской железной дорогой (Австрия) и стала именоваться Варшаво-Венской железной дорогой (общая длина с австрийским участком - 799 км). 1 февраля 1842 года императором Николаем I был подписан указ о сооружении железной дороги Санкт-Петербург - Москва протяженностью 650 км. 13 ноября 1851 года состоялось ее официальное открытие. Ровно в 11 ч 15 мин. из Петербурга в Москву отправился первый пассажирский поезд, который пробыл в пути 21 ч 45 мин. Первое время между Петербургом и Москвой курсировали два пассажирских и четыре товарных поезда. При строительстве линии была выбрана ширина колеи в 1 тыс. 524 мм (5 футов) - впоследствии она стала стандартом на железных дорогах России (с 1980-х годов железные дороги в СССР были переведены на совместимую колею 1 тыс. 520 мм). С 1865 по 2004 год железными дорогами в стране ведало Министерство (в 1917-1946 годах - Наркомат) путей сообщения (МПС, НКПС). 17 марта 1891 года император Александр III поручил своему сыну Николаю Алексеевичу, будущему императору Николаю II, "приступить к постройке сплошной через всю Сибирь, железной дороги, имеющей целью соединить обильные дары природы сибирских областей с сетью внутренних рельсовых сообщений". М Торжественная церемония начала строительства дороги прошла 31 мая 1891 года близ Владивостока. Завершилось строительство Транссибирской магистрали 18 октября (5 октября по старому стилю) 1916 года со сдачей в эксплуатацию трехкилометрового моста через Амур рядом с Хабаровском. Еще до окончания строительства Транссибирская магистраль дала толчок развитию Сибири, в 1906-1914 годах в восточные регионы переселились с ее помощью более 3 млн человек. По состоянию на 2017 год Транссиб является самой длинной железной дорогой в мире (9 тыс. 288,2 км). К 1916 году сложился каркас современной железнодорожной системы России: были построены все основные радиусы железных дорог Москвы и Санкт-Петербурга, в 1908 году запущено движение по кольцевой железной дороге в Москве (ныне - Московское центральное кольцо, МЦК). Общая протяженность железных дорог, включая подъездные пути, превысила 80 тыс. км. Основы теории сплавов М При изучении сплавов пользуются специальными терминами: система, компонент, фаза, структурная составляющая. Системой называют группу сплавов, выделяемую для изучения их строения и свойств. Понятия система «медь – никель» или система «железо – углерод» означают, что для исследования берут сплавы с различной концентрацией (содержанием) в первом случае меди и никеля, во втором – железа и углерода. Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть чистые металлы, неметаллы, устойчивые химические соединения. Например, в сплавах железа с углеродом компонентами будут железо (чистый металл) и карбид железа Fe3C (химическое соединение). В этом случае получается система сплавов Fe – Fe3C. Фаза – однородная часть сплава, имеющая свой состав, свойства и видимую границу раздела. Сплавы могут быть однофазные, когда все кристаллы однородны, имеют один состав и одинаковые свойства, а границы позволяют судить об их форме и размерах. Сплавы могут быть двух- и многофазные, если они состоят из различных по составу и свойствам кристаллов. В большинстве случаев входящие в сплав компоненты в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (одна фаза – жидкость). В твердом состоянии сплавы образуют твердые растворы, химические соединения и механические смеси (Рисунок 6). Структурная составляющая – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава как из жидкого, так и из твердого раствора. Структурная составляющая может состоять из одной или нескольких фаз. В системе сплавовFe – Fe3C в отличие от других систем фазы, как и структурные составляющие, имеют названия и обозначения, единые в мире. Например, химическое соединение железа с углеродом, имеющее формулу Fe3C (карбид железа), называется цементитом, и на всех языках мира это произносится одинаково. М Рельсовая сталь Современный железнодорожный транспорт не похож на тот, что был 100 лет назад. Скорость поездов с того времени увеличилась почти в 5 раз, а грузоподъемность в 8-10. Такие количественные изменения не могли не затронуть и рельсы, по которым перемещается локомотив. Их износостойкость, прочность и твердость также достигли нового уровня своих значений. В нынешнее время рельсовая сталь обладает целом рядом функциональных особенностей. Рельсовая сталь — это группа сталей, которых объединяет общий способ применения. А именно, изготовление рельсовых путей сообщения для железнодорожного транспорта. В основе фазовой структуры сплава лежит мелко игольчатый перлит. Для выплавки металла используют либо конверторные, либо обычные дуговые сталеплавильные печи. Рельсовые марки стали подразделяются на 2 группы в зависимости от вида применяемых раскислителей: • В 1-ую группу входит сталь, раскисленная ферромарганцем или ферросилицием. • Вторая — включает в себя раскислители на основе алюминия. Металл 2-ой группы является предпочтительней, т.к. содержит в себе меньший процент неметаллических включений. Химический состав рельсы полностью регулируется государственным стандартом ГОСТ Р 554 97- 2013. Согласно ему, помимо основного компонента железа, сплав должен включать в себя следующий набор элементов: • Углерод (0,71-0,82%) является базовой составляющей любой стали. Главное назначение углерода — это увеличение механических характеристик стального сплава. Происходит это за счет связывания молекул железа частицами углерода, в результате чего образуются более крупные, твердые и одновременно прочные молекулы карбидов железа. К тому же углерод позволяет стали дополнительно упрочняться при воздействии на нее повышенной температуры. Таким образом, твердость и предел прочности рельс может быть увеличен еще на 100%. • Марганец (0,25-1,05%) способствует улучшению механических свойств рельсы. Благодаря его добавлению в состав удается увеличить значение ударной вязкости в среднем на 20-30%. Твердость и износостойкость также повышаются. Но в отличие от углерода, изменение данных показателей происходит без М ухудшения его пластичных свойств, что играет не мало важную роль для технологичности рельсовой стали • Кремний (0,18-0,40%) удаляет остатки кислорода, улучшая тем самым внутреннюю кристаллическую структуру. Снижает вероятность риска образования ликвации — химической неоднородности сплава по своему химическому составу. Все это дает возможность увеличить долговечность железнодорожного пути в 1,3-1,5 раза. • Ванадий (0,08-0,012%) ответственен за контактную прочность рельсы. При добавлении его в сплав он сразу же связывается углеродом, образовывая карбиды ванадия. Данное соединение имеет повышенную износостойкость и плотность, тем самым увеличивая нижний порог предела выносливости сплава. • Азот (0,03-0,07%) относится к группе вредных примесей. Его отрицательное воздействие заключается в нейтрализации легирования стали ванадием. Т.е. вместо карбидов образуются нитриды ванадия. Они обладают низкими значениями механических свойств. Не способны термоупрочняться. В общем, сводят дорогостоящее легирование ванадием на нет. • Фосфор (до 0,035%) входит в группу нежелательных элементов в составе. Его главный отрицательный эффект — это повышение их хрупкости. Железнодорожное полотно обладает достаточной твердостью, но при этом не имеет должного значения прочности. Все это приводит к высокой вероятности образования трещин и последующему разлому рельсы. • Сера (до 0,045%) снижает технологические параметры стали. Податливость сплава во время его горячей обработки давлением резко падает. Возникает повышенный риск образования трещин. Рельсы, полученные из такой стали, отправляются в брак по причине обладания повышенной хрупкостью. Металлы в производстве железнодорожных вагонов. Для того чтобы современные вагоны отвечали высокому технологическому уровню и надежности, при их изготовлении требуется употреблять экономичные прогрессивные конструкционные материалы, которые обладают гарантированным комплексом требуемых физико-химических свойств, как в исходном состоянии, так и в сварных соединениях. М До конца 50-х гг. прошлого столетия в вагоностроении в основном в качестве главного конструкционного материала применялась углеродистая сталь марок ст3, 15, 20. Она была достаточно технологичной в производстве и позволяла использовать различные приемы резки, сварки, гибки, штамповки и т.д. Однако повышение требований по эксплуатации, безопасности и надежности поездов, увеличение интенсивности использования подвижных составов, стремление к увеличению межремонтных сроков заставили принять меры и провести комплексные мероприятия по повышению качества металла, используемого в основных несущих элементах конструкции вагонов. В 21 веке в странах СНГ при выборе материала в вагоностроительстве все больше стали обращать внимание на коррозионностойкие нержавеющие, двухслойные стали и алюминиевые сплавы. Более широко стали применяться низколегированные стали класса прочности 450-500 МПа и композиционные материалы Для производителей облегченных конструкций сталь является удобным материалом, потому что стоит относительно недорого, обладает хорошей прочностью и пластичностью, имеет высокий модуль упругости, хорошо подвергается обработке и свариванию, ремонтопригодна, сохраняет хорошие показатели экологичности и возможность утилизации, имеет значительный потенциал для создания облегченных конструкций. Нержавеющая сталь широко применяется в строительстве вагонов, обладающих повышенными параметрами безопасности особенно в случаях столкновения. Металлоконструкции вагона из нержавеющей стали поглощают энергию в 2,5 раза большую, чем конструкции из обычной стали за счет лучшей способности к деформации и большей жесткости. Срок службы при этом составляет 30-40 лет, каждые 5 лет проводится техническое обслуживание и каждые 15 лет – капитальный ремонт. В производстве используются различные вариации алюминиевых сплавов – дуралюмины (наиболее прочные сплавы), магналии (сплавы с большим содержанием магния), силумины (с большим содержанием кремния, название образовано от латинского названия кремния – силициум). М Силумины обладают лучшими среди всех алюминиевых сплавов литейными качествами. Их применяют там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали. Их коррозионная стойкость больше чем у дуралюминов и меньше чем у магналиев. Кроме вагоностроения их применяют в авиастроении, автомобилестроении и производстве сельскохозяйственных машин. При производстве металлических изделий, использующихся под воздействием высоких температур и требующих повышенной стойкости против окисления, используют сплавы из окисленного алюминиевого порошка. При температуре 200-400 градусов Цельсия прочностные свойства этого сплава превосходят дуралюмины и магналии. Моющие средства. Моющие и дезинфицирующие средства, использующиеся для мытья вагонов Все дезинфектанты и моющие средства должны быть допущены к использованию на ж/д транспорте органами санэпиднадзора, иметь необходимые документы, быть безопасными для пассажиров, хорошо смываться водой. Этим требованиям соответствует продукция российской фирмы Сателлит, которые можно приобрести в интернет-магазине Septolit.ru. «Проклин Олдей» Это средство для ежедневной и заключительной уборок поверхностей. Выпускается в концентрированном виде, из него готовится 0,5-5 % рабочий раствор. Хорошо отмывает пол, стены, оборудование в вагоне. Не портит покрытия, отлично смывается водой. «Септолит Экспресс» Это средство на основе изопропилового спирта прекрасно дезинфицирует труднодоступные места, небольшие поверхности. М Оно уничтожит патогенные микроорганизмы с вагонных спальных мест, столиков, ручек, оборудования и др. «Септолит Салфетка антисептическая» Эти спиртовые салфетки незаменимы для дезинфекции поверхностей и рук проводника. Ими удобно пользоваться в любых ситуациях. Они обеспечат защиту от большинства микробов, вирусов и грибковых заболеваний. Виды топлива Топливо — это горючие вещества, выделяющие при сжигании тепло, используемое для получения других видов энергии или материалов. По агрегатному состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное. По химическому составу топливо делится на углеводородное и неуглеводородное. Твердое и жидкое топливо состоит из горючих элементов, негорючих минеральных примесей (золы) и влаги. К горючим элементам относятся углерод, водород, кислород, азот и сера. Основное количество тепла выделяется при сгорании углерода. Влага и зола являются балластом, снижают тепловые характеристики топлива и затрудняют процесс его горения в топке. Удельной теплотой сгорания Q твердого и жидкого топлива называют количество тепла, выделяемого 1кг топлива при его полном сгорании. Удельная теплота сгорания Qизмеряется в ккал/кг или кДж/кг. Удельной теплотой сгорания газообразного топлива называют количество тепла, выделяемого 1м3 газа при нормальном давлении и температуре 0 °С. Различают величину высшей и низшей теплоты сгорания топлива. Величина высшей теплоты сгорания QBбольше величины низшей теплоты сгорания QHна величину теплоты, затраченную на испарение влаги. Твердое топливо К твердому топливу относятся ископаемые угли, торф, горючие сланцы, дрова и искусственные его виды — брикеты, кокс и древесный уголь. Качество твердого топлива зависит не только от теплоты сгорания, зольности и влажности, но и от его механической прочности и термической стойкости, выхода летучих веществ и спекаемости. Способность твердого топлива сопротивляться измельчению при перегрузке и под действием атмосферы называется механической прочностью. Термическая устойчивость топлива — это стойкость его против разрушения под действием высоких температур и способность сгорать в куске. Твердое топливо при нагревании без доступа воздуха распадается на твердую и М летучую (газообразную) части. Твердый остаток 114 состоит из углерода и золы, летучая часть — из окиси углерода СО, водорода Н, метана, углекислого газа и паров воды. Способность топлива спекаться зависит от присутствия в нем смолистых веществ. Спекшийся нелетучий остаток называется коксом. Кокс обладает высокой прочностью и термической устойчивостью, используется в качестве технологического топлива в доменных печах и вагранках. Топливо, имеющее нелетучий твердый остаток в виде сыпучего порошка, применяется в топках. При нагреве топлива в присутствии кислорода воздуха летучие вещества горят с образованием пламени, горение нелетучего твердого остатка не дает пламени. Твердое топливо применяется для растопки комбинированных котлов системы отопления и кипятильников пассажирских вагонов. Каменные угли составляют основную часть ископаемых углей. Их удельная теплота сгорания до 6000 ккал/кг и выше. Очень плотные, черные с металлическим блеском ископаемые угли называются антрацитами. Антрацит по составу более всего приближается к чистому углероду. Удельная теплота сгорания антрацита — 6200— 6500ккал/кг. Антрацит — высококачественное энергетическое топливо, горит слабым пламенем, почти беззольный, не спекается; хорошо сохраняет свои свойства при транспортировке и хранении в течение длительного времени. Помимо ископаемых каменных углей, к твердым видам топлива относятся торф, горючие сланцы и дрова. Искусственное топливо получают для более эффективного использования твердых видов топлива. Мелкие фракции ископаемых углей содержат больше золы и влаги, поэтому для обеспечения более полного сгорания их размалывают до пылевидного состояния. Пылевидное топливо — это порошок углей высокой дисперсности. Такое топливо сгорает почти полностью. Кроме этого,из мелких фракций углей прессуют брикеты — правильной формы бруски угля. Кокс получают в результате термохимической переработки коксующихся углей. Угольную шихту нагревают без доступа воздуха до 1000—1100°С. За 11—14часов частицы коксующихся углей спекаются в куски кокса. К искусственному твердому топливу относится также древесный уголь, получаемый нагреванием древесины без доступа воздуха. Древесный уголь почти не содержит серы и минеральных веществ. Жидкое топливо. Нефть является практически единственным видом естественного жидкого топлива. 115 Россия занимает одно из первых мест в мире по добычи нефти. Примерный химический состав нефти следующий: углерода содержится от 82 до 87%; водорода — от 11 до 14%; кислорода — от М 0,1 до 1,3%; азота — от 0,02 до 1,7% и серы от 0,05 до 5%. Плотность нефти составляет 0,73–1,04 г/см3 ; нефть при плотности ниже 0,9 считается легкой, а выше 0,9 — тяжелой. Физические свойства нефти определяются такими показателями, как: плотность, вязкость, температура вспышки, воспламенение, самовоспламенение и застывание; а также фракционный состав. Эти свойства в зависимости от химического состава нефти меняется в очень широких пределах. Использовать нефть в качестве топлива экономически нецелесообразно. Путем специальной переработки из неѐ можно получить более качественные сорта искусственного жидкого топлива для самых различных тепловых и энергетических агрегатов, а также ряд материалов (смазочных материалов, синтетического каучука, пластмасс и др.) и ценных химических веществ. В зависимости от состава нефти и необходимости извлечения из неѐ различных продуктов различают физическийи химический способы еѐ переработки. Физический способ — это прямая перегонка, к числу химических относят крекинг и пиролиз. Прямая перегонказаключается в нагреве нефти и последующем охлаждении и конденсации выделенных из неѐ паров. Нефть подается в трубчатую печь насосом, где подогревается до температуры 350ºС и, превращаясь в пар, поступает в ректификационную колонну, в которой происходит еѐ разделение (ректификация) на фракции. Неиспарившаяся часть нефти вместе с тяжелыми парообразными еѐ компонентами собирается в нижней части колонны, образуя остаток — мазут. Более легкие парообразные компоненты нефти поднимаются внутри колонны вверх и в зависимости от температуры кипения конденсируются на разной высоте колонны. При прямой перегонке вначале испаряются наиболее легкокипящие фракции: бензин при температуре до 200ºС, лигроин — до 250ºС, керосин — до 300ºС и соляр — до 350ºС. При прямой перегонке выход светлых нефтепродуктов зависит от состава нефти и обычно составляет в среднем 40–50%. Остаток от прямой перегонки — мазут — подвергают дальнейшей перегонке в вакуумных трубчатых печах и получают дополнительное количество светлых нефтепродуктов, минеральных масел, в остатке — гудрон, а также применяют в качестве топлива в различных тепловых установках. С целью увеличения выхода светлых нефтепродуктов применяют химические способы переработки, основанные на разложении тяжелых углеводородов под действием более высоких температур и давления — крекинг и пиролиз. Крекинг — важнейший источник получения прибыли 20–30% бензина, 30–45% лигроина, М керосина и 25–50% нефтяных остатков (мазута). Разложение керосина при температуре 650ºСс целью получения жидкой смолы и газа называют пиролизом. Из жидкой смолы при еѐ ректификации извлекают ценные ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.). Жидкое топливо является основным видом топлива, используемого всеми видами транспорта. По сравнению с твердым оно имеет целый ряд преимуществ, главными из которых является: высокая теплота сгорания, позволяющая достигнуть более высокого коэффициента полезного действия двигателя; универсальность применения в самых различных тепловых установках и камерах сгорания; лучшие возможности по транспортировке и хранению. Все виды искусственного жидкого топлива в зависимости от области их применения делятся на карбюраторное, дизельное и топочное. Для бесперебойной работы железнодорожного транспорта требуется большое количество жидкого топлива. Дизельное топливо — это смесь высококипящих жидких углеводородов. В дизелях. Оно впрыскивается в цилиндр в капельно– жидком состоянии в тот момент, когда находящийся в цилиндре воздух сжат и его температура составляет 500–600°С. Дизельное топливо применяется в двигателях с воспламенением от сжатия — дизелях. Оно относится к числу тяжелых топлив и испаряется при обычных температурах. Качество дизельного топлива определяется теплотой сгорания, цетановым числом, вязкостью и температурой застывания. Цетановое число дизельного топлива характеризует самовоспламеняемость топлива. При низких цетановых числах увеличивается задержка воспламенения топлива, в камере сгорания накапливается большая масса топлива, которое затем сгорает мгновенно (взрывное горение), давление нарастает скачкообразно, происходит жесткая работа дизеля, увеличивается нагрузка на подшипники, повышается их износ. При высоком значении цетанового числа топливо сгорает равномерно, полно и плавно. Такое дизельное топливо обеспечивает нормальное сгорание и мягкую работу дизеля. |