История развития термитной сварки

 История развития термитной сварки.

 

Введение

 

Сварка, технологический процесс  соединения твердых материалов в  результате действия межатомных сил, которое  происходит при местном сплавлении или совместном пластическом деформировании свариваемых частей. Сваркой получают изделия из металла и неметаллических материалов (стекла, керамики, пластмасс и др.). Изменяя режимы сварки, можно наплавлять слои металла различной толщины и различного состава.

Простейшие приемы сварки были известны в 8 – 7-м тыс. до н.э. В основном сваривались изделия из меди, которые в основном подогревались, а затем сдавливались. При изготовлении изделий из меди, бронзы, свинца, благородных металлов применялись так называемая литейная сварка. Соединяемые детали заформовывали, подогревали, и место соединения заливали заранее приготовленным расплавленным металлом. Изделия из железа и его сплавов получали их нагревом до «сварочного жара» в кузнечных горнах с последующей проковкой. Этот способ известен под названием горновая, или кузнечная, сварка. Только эти два способа сварки были распространены вплоть до конца XIX в. Толчком к появлению принципиально новых способов соединения металлов явилось открытие в 1802 дугового разряда В. В. Петровым. В 1882 Н. Н. Бенардос и в 1890 Н. Г. Славянов предложили первые практически пригодные способы сварки с использованием электрической дуги. К началу XX в. относятся и первые попытки применения для сварки и резки горючих газов в смеси с кислородом. Первую ацетилено-кислородную сварочную горелку сконструировал французский инженер Э. Фуше, который получил на нее патент в Германии в 1903. В России этот метод стал известен предположительно к 1905, получил распространение к 1911.

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 Н. Г. Славянова ограничивали стационарный аппарат и тяжелый генератор; более мобильными способом Н. Н. 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 алюминотермии. 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» в  1865 г., 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.

Термитная сварка, технологический процесс, при котором зазор между соединяемыми деталями, предварительно нагретыми до 400-700 °С, заполняется металлическим расплавом, полученным при сгорании термита.

  Термит (термитная смесь) (от греч. therme – жар, тепло), порошкообразная смесь алюминия (реже магния) с оксидами различных металлов (обычно железа), интенсивно сгорающая при воспламенении с выделением большого количества теплоты.

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.

 

 

Н. Н. Бекетов в развитии металлотермии и алюминотермии.

Г. Гольдшмидт в развитии термитной сварки.

 

 

Многие вещества не растворяются в  воде, поэтому не каждую  реакцию  можно провести  в растворе.  Исследовав   восстанавливающее   действие   цинка   в   растворах, Н. Н. Бекетов решил изучить реакции вытеснения в расплавах, ожидая, что при высокой температуре скорость этих   процессов   возрастет.   Вначале   ученый  исследовал восстанавливающее действие паров цинка на соединения бария. В этих опытах прокаленный хлорид бария, насыпанный  в  фарфоровую  чашку,   вводился  в  фарфоровую трубку.   Позади этой чашки были поставлены  еще две чашки с перегнанным цинком; с этой же стороны впускалась струя тщательно осушенного и очищенного водорода; с противоположной стороны выходила широкая загнутая стеклянная  трубка,   погруженная в воду.   Трубка   помещалась в печь и накалялась добела. Пары цинка, уносимые водородом, приходили в соприкосновение с расплавленным хлоридом бария, в результате чего происходила реакция    вытеснения    бария   цинком:

   Zn + ВаС1₂ = ZnCl₂ + Ba

 

С помощью сконструированного им прибора  Н. Н. Бекетов восстановил также цинком кремний и бор:

 2Zn + SiCl₄ = 2ZnCl₂ + Si,

 

3Zn + 2ВF₃ = 2ZnF₂ + 2B

 

Н. Н. Бекетов проводил опыты и по восстановлению цинком алюминия и установил, что алюминий активнее цинка.

Н. Н. Бекетов не случайно попытался  провести реакцию восстановления алюминия из оксида алюминия (III). Дело в том, что этот процесс имел большое практическое значение. Алюминий в свободном состоянии впервые получил К. Эрстед в 1825 г. действием калия на хлорид алюминия. В промышленности при получении алюминия использовали натрий. В середине XIX в. в Гренландии стали добывать минерал криолит Na₃AlF₆. Однако попытки наладить промышленное получение алюминия из криолита оказались безуспешными.

Неудачная попытка восстановления алюминия цинком заставила Н. Н. Бекетова искать для этой цели другой восстановитель.  Для  исследования был  взят приготовленный самим ученым криолит. Подходящим восстановителем алюминия оказался магний. Н. Н. Бекетов писал, что алюминий легко восстанавливается магнием из своего фтористого соединения. Предложенный Н. Н. Бекетовым способ оказался лучшим из неэлектрохимических способов получения алюминия.  В 1885 г.  в Германии были проведены опыты по восстановлению магнием других минералов, содержащих алюминий, но опыты с криолитом, выполненные по методике Бекетова, дали наилучшие результаты. В г. Гмелингене в 1885 г. был построен завод по производству алюминия  по методу Н. Н. Бекетова, который проработал пять лет. Это было самое крупное в то   время   предприятие по   производству   алюминия. И только в дальнейшем, с удешевлением электроэнергии, этот  способ  был   заменен  электрохимическим методом. Однако сам прием Н. И. Бекетова оказался весьма удачным.

Попытки   восстановить алюминий  цинком   убедили Н. Н. Бекетова  в высокой активности алюминия.  Если цинк   вытесняет   многие   элементы   из   их   соединений,

почему не попытаться использовать в качестве восстановителя  более активный металл — алюминий? Еще за шесть лет до защиты докторской диссертации Н. Н. Бекетов попытался восстановить барий алюминием. В статье «О некоторых явлениях    восстановления» он   писал: « Я напал на мысль восстановить самую окись бария глинием (алюминием. — Авт.), надеясь, что восстановление произойдет вследствие большого сродства глиния к кислороду. Опыт вполне подтвердил мой взгляд. При первой пробе я получил металлический королек с ширококристаллическим изломом. Анализ показал в нем 24% бария.

При второй пробе я получил  подобный предыдущему сплав, но содержащий 33% бария». Так, 1859 г стал дом открытия нового способа получения металлов – алюминотермии, заключающегося в восстановлении их кислородных соединений металлическим алюминием.  В общем случае восстановителем может быть любой активный   металл, и   поэтому процесс имеет более широкое название - «металлотермия».   Описанное   выше восстановление алюминия магнием, выполненное Н. Н. Бекетовым, явилось первым  случаем магниетермии, получившей, как и алюминотермия, в дальнейшем широкое развитие.

Через несколько лет Н. Н. Бекетов подробно изучил процесс получения бария из его оксида. Вначале ученый взял хлорид бария. Н. Н. Бекетов рассуждал так, что если цинк восстанавливает барий из его хлорида, но не действует на хлорид алюминия, то можно было бы думать, что алюминий в свою очередь может легко восстановить барий. Однако восстановить барий алюминием из хлорида бария Н. Н. Бекетову не удалось. Позже он объяснил, почему эта реакция не идет. Зато полной удачей закончился опыт по восстановлению бария из его оксида. Алюминий восстановил барий. Нагревая исходные вещества, Н. Н. Бекетов получил сплав, имеющий на изломе желтоватый блеск. Анализ, произведенный Н. Н. Бекетовым, показал, что сплав «состоит на 100 частей: из 33,3 бария и 66,7 глиния».

Удачно проведенное восстановление бария показало огромную восстановительную способность алюминия. И Н. Н. Бекетов решает использовать алюминий для восстановления активнейшего металла калия. Ведь если алюминий восстанавливает барий из его оксида, то можно было ожидать подобного его действия и на оксид калия. Чтобы провести этот опыт, был использован обыкновенный ружейный ствол: «Я произвел опыт в изогнутом ружейном стволе, в закрытый конец которого были положены куски едкого кали и глиния; при довольно высокой температуре показались пары калия, большая часть которых сгущалась в холодной части ствола, из которой я добыл несколько кусочков мягкого металла, плавающего на воде и горящего фиолетовым пламенем, имеющего, одним словом, все характерные свойства чистого металлического калия».

В дальнейшем ученый неоднократно применял алюминотермию для получения активных металлов. В 1885 г. таким путем он получил рубидий. Раньше рубидий с небольшим выходом получали прокаливанием с сажей гидротартрата рубидия НООС-CHOH-CHOH-COORb. Докладывая в 1888 г. на заседании отделения химии Русского физико-химического общества о получении рубидия, Н. Н. Бекетов говорил, что он применил к рубидию способ, к которому пришел по чисто теоретическим соображениям много лет тому назад (1859), а именно действие алюминия на гидроксид. Способ этот был уже изучен им по отношению к едкому кали. Согласно прежним наблюдениям, рубидий должен был также легко выделяться алюминием; это и в данном случае оправдалось. Ученому удалось несколько раз приготовить таким образом сравнительно большие количества металла — от 31 до 27 г (за один опыт).

Применяя в качестве восстановителя магний, Н. Н. Бекетов получил другой щелочной металл — цезий. Исходным веществом в этой реакции служил гидроксид цезия. Он писали «Я для сравнения с гидратом К попробовал действие Mg на гидрат цезия и заметил, что реакция пошла необыкновенно легко и при начале нагревания вдруг появились пары цезия, образовавшие в трубке металлический зеркальный налет, который затем скоро окислился и вполне растворился в воде. Безводная же окись цезия должна,   по  моему  мнению, еще  легче  восстановляться Mg». При использовании алюминия для получения щелочных металлов Бекетов обратил внимание на то, что «можно выделить maximum около половины металла … так как, по-видимому, половина окиси остается в соединении с окисью алюминия». Действительно, анализ продуктов реакции показал, что процесс восстановления щелочных металлов сопровождается образованием алюминатов:

 

А1 + 2КОН = К +  КАlO₂ + Н₂

 

Вскоре стала ясна большая ценность нового метода получения металлов. Но получилось так, что открытие алюминотермического  метода  стали  приписывать  шведскому химику Г. Гольдшмидту,   хотя его работы  были выполнены спустя  почти 40 лет после первых  опытов Н. Н. Бекетова и через 33 года после опубликования его докторской диссертации. Защищая приоритет русского ученого в открытии алюминотермии, профессор В. В. Курилов в своем докладе «Значение работ Н. Н. Бекетова для  физико-химической  школы», зачитанном на общем собрании Екатеринославского научного общества в 1913 г., сказал; «Кто не поражался несколько лет тому назад опытом Гольдшмидта над получением при помощи алюминия чистого  железа,   восстановлением этого металла непосредственно из руды. Опыт этот ставился в лабораториях всего света и вызвал справедливое удивление по элементарной простоте  выполнения  задачи  получения  чистых металлов, с одной стороны,  и по достижению высоких температур — с другой. Идея введения алюминия как восстановителя, путь   теоретических обоснований этого процесса — все это всецело принадлежит Н. Н. Бекетову; эта идея, как мы выше указали, относится еще к шестидесятым  годам  прошлого  столетия;   плодотворность   же   ее   понята   опять-таки   только в  настоящее время».

Действительно, в настоящее время алюминотермия и вообще металлотермия имеют самое широкое применение (рис. 1). До сих пор основным методом получения бария у нас в стране и за рубежом служит метод термического восстановления оксида бария алюминием, разработанный 140 лет назад Н. Н. Бекетовым. Вслед за ним в 1894 г. Д. Уоррен применил магний для восстановления лития в железных ретортах. В 1937 г. во Франции был запатентован способ получения сплавов алюминия с барием при нагревании оксида бария с алюминием. В последнее время алюминотермия широко используется в производстве вольфрама, ванадия, хрома, марганца и ферросплавов. С помощью магниетермии получают бериллий, титан, уран и другие металлы. Металлотермия стала одним из основных методов современной металлургии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 1 Установка для алюминотермии:

1 – оксид восстанавливаемого  металла; 2 – смесь алюминия с  оксидом бария;

3 – изолирующий слой фторида  кальция; 4 – магниевая лента.

 

В алюминотермическом процессе выделяется большое количество теплоты. Это используется при термитной сварке рельсов, труб и других стальных изделий.

В этом случае    восстанавливаемым    металлом    является железо: