Вода и ее роль в промышленном производстве, Коррозия металлов, Бесконтактная металлургия

     Большое будущее пророчат технологии биологической  очистки, которая подразумевает  переработку нечистот микроорганизмами, превращающими исходный материал в экологически безопасные соединения. Переработанные вещества осаждаются в виде ила, а очищенная вода, насыщенная кислородом, направляется дальше.

     Биологическая очистка бытовых стоков проходит при естественных, или искусственно созданных условиях. При естественных условиях все процессы протекают в воде или в почве – в биопрудах, или на полях фильтрации. Поля фильтрации – это специальные земельные участки большой площади, обычно с песчаными почвами. В настоящее время их применяют всё меньше, так как такие поля занимают много места и издают неприятный запах. Биопруды чаще используют для дополнительной очистки в летнее время – они наиболее благоприятны для жизнедеятельности бактерий.

     В искусственных условиях применяются различные биофильтры, септики и аэротенки (аэрационные очистные сооружение) – как по отдельности, так и в различных комбинациях. В искусственных условиях очистка проходит быстрее, да и автоматизированный процесс существенно упрощает дело.

     Для небольших сооружений, расположенных  индивидуально, удобнее использовать небольшие системы, например, локальные  очистные сооружения. Отработанная жидкость собирается в небольшую емкость-септик, где проходит первичная очистка, а затем вода направляется в подземное сооружение через специально подготовленный грунт. Септики различаются по объему и количеству камер - чем их больше, тем качественнее очистка. Пластиковые армированные емкости легкие, зато более подвержены повреждениям, металлические септики просты в установке, более надежны, но подвержены коррозии и тяжелее пластиковых.

     Современный подход и модернизация бытовых стоков на сегодняшний день позволяет значительно  снизить то количество вредных веществ, которое ранее попадало в почву  и загрязняло окружающую среду. 

     2. Коррозия металлов

     Коррозия  металлов - разрушение металлов вследствие физико-химического воздействия  внешней среды, при этом металл  переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему  свойства.

     По  механизму коррозионного процесса различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

     Под химической коррозией подразумевают  взаимодействие металлической поверхности  с окружающей средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз. Механизм химической коррозии сводится к реактивной диффузии атомов или ионов металла сквозь постепенно утолщающуюся пленку продуктов коррозии (например, окалины) и встречной диффузии атомов или ионов кислорода. По современным воззрениям этот процесс имеет ионно-электронный механизм, аналогичный процессам электропроводности в ионных кристаллах. Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидкими неэлектролитами или сухими газами в условиях,  когда влага на поверхности металла не конденсируется, а также воздействие на металл жидких металлических расплавов.  Практически наиболее важным видом химической коррозии является взаимодействие металла при высоких температурах с кислородом и др. газообразными активными средами (H S, SO , галогены, водяные пары, CO  и др.). Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии.  Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники, арматура печей и т.д.). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против газовой коррозии повышается при введении в состав сплава различных добавок (хрома, алюминия, кремния и др.). Добавки алюминия, бериллия и магния к меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах. Для защиты железных и стальных изделий от газовой коррозии поверхность изделия покрывают алюминием (алитирование).

     Под электрохимической коррозией  подразумевают  процессы взаимодействия металлов с  электролитами (в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например с некоторыми органическими  электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах). Процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные, электродные процессы:

     а) Анодный процесс - переход металла  в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с  оставлением эквивалентного количества электронов в металле;

     б) Катодный процесс - ассимиляция появившихся  в металле избыточных электронов деполяризаторами. 

     Различают коррозию с водородной, кислородной  или окислительной деполяризацией.

     Типы  коррозионных разрушений.

     При равномерном распределении коррозионных разрушений по всей поверхности металла коррозию называют равномерной.

     Если  же значительная часть поверхности  металла свободна от коррозии и последняя  сосредоточена на отдельных участках, то ее называют местной. Язвенная, точечная, щелевая, контактная, межкристаллическая коррозия - наиболее часто встречающиеся в практике типы местной коррозии. Коррозионное растрескивание  возникает при одновременном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений. В металле появляются трещины транскристаллитного характера, которые часто приводят к полному разрушению изделий. Последние 2 вида коррозионного разрушения наиболее опасны для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, тросы, рессоры, оси, автоклавы, паровые котлы и т.д.)

     Различают следующие типы электрохимической  коррозии, имеющие наиболее важное практическое значение:

     1. Коррозия в электролитах. К этому  типу относятся коррозия в  природных водах (морской и  пресной), а также различные виды  коррозии в жидких средах. В  зависимости от характера среды различают:

         а) кислотную;

         б) щелочную;

         в) солевую;

         г) морскую коррозию.

     По  условиям воздействия жидкой среды  на металл этот тип коррозии также  характеризуется как коррозия при  полном погружении, при неполном погружении, при переменном погружении,   имеющие свои характерные особенности.

     2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия  - воздействие на металл грунта, который в коррозионном отношении должен рассматриваться как своеобразный  электролит. Характерной особенностью подземной электрохимической коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода (основной деполяризатор) к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз). Значительную роль при коррозии в почве играет образование и функционирование макрокоррозионных пар вследствие неравномерной аэрации отдельных участков конструкции, а также наличие в земле блуждающих токов. В ряде случаев на скорость электрохимической коррозии в подземных условиях оказывает существенное влияние также развитие биологических процессов в почве.

     3. Атмосферная коррозия - коррозия  металлов в условиях атмосферы, а также любого влажного газа; наблюдается под конденсационными видимыми слоями влаги на поверхности металла (мокрая атмосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями влаги (влажная атмосферная коррозия). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.

     4. Коррозия в условиях механического  воздействия. Этому типу разрушения подвергаются многочисленные инженерные сооружения, работающие как в жидких электролитах, так и в атмосферных и подземных условиях. Наиболее типичными видами подобного разрушения являются:

     а) Коррозионное растрескивание; при этом характерно образование трещин, которые могут распространяться не только межкристаллитно, но также и транскристально. Примером подобного разрушения является щелочная хрупкость котлов, сезонное растрескивание латуней, а также растрескивание некоторых конструкционных высокопрочных сплавов.

     б) Коррозионная усталость, вызываемая воздействием коррозионной среды и знакопеременных  или пульсирующих механических напряжений. Этот вид разрушения также характерен образованием меж- и транскристаллитных трещин. Разрушения металлов от коррозионной усталости встречаются при эксплуатации различных инженерных конструкций (валов гребных винтов, рессор автомобилей, канатов, штанг глубинных насосов, охлаждаемых валков прокатных станов и др.).

     в) Коррозионная кавитация, являющаяся обычно следствием энергичного механического воздействия коррозионной среды на поверхность металла. Подобное коррозионно-механическое воздействие может приводить к весьма сильным местным разрушениям металлических конструкций (например для гребных винтов морских судов). Механизм разрушения от коррозионной кавитации близок к разрушению от поверхностной коррозионной усталости.

     г) Коррозионная эрозия,  вызываемая механическим истирающим воздействием другого твердого тела при наличии коррозионной среды  или непосредственным истирающим действием самой коррозионной среды. Это явление иногда называют также коррозионным истиранием или фреттинг-коррозией.

     Методы  защиты

     С целью повышения долговечности  строительных конструкций, зданий, сооружений проводятся работы в области улучшения противокоррозионной защиты.

     Широко  применяются следующие основные методы защиты металлических конструкций от коррозии:

     1. Защитные покрытия;

     2. Обработка коррозионной среды  с целью снижения коррозионной  активности.  Примерами такой  обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;

     3. Электрохимическая защита металлов;

     4. Разработка и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов и т.д.), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например хрома в железо, марганца в магниевые сплавы,  никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.);

     5. Переход в ряде конструкций  от металлических к химически  стойким материалам (пластические высокополимерные материалы, стекло, керамика и др.);

     6. Рациональное конструирование и  эксплуатация металлических   сооружений и деталей (исключение  неблагоприятных металлических  контактов или их изоляция, устранение  щелей и зазоров в конструкции,  устранение зон застоя влаги,  ударного действия струй и  резких изменений скоростей потока в конструкции и др.). 

     3. Бескоксовая металлургия.

     Нарастающий дефицит и постоянное удорожание коксующихся углей может стать  сегодня мощным стимулом к развитию бескоксовой металлургии – направления, связанного с разработкой новых способов получения железа из руд, исключающих использование кокса. Суть их состоит в том, что обогащенная руда или концентрат восстанавливается в печи с помощью твердого топлива либо конвертированного газа – природного метана, преобразованного в смесь водорода и угарного газа (СО). Всего в мире методами бескоксовой металлургии было произведено в прошлом году, примерно, 65 млн. т стали

     К настоящему времени имеется значительное число технологий бескоксового производства металла, получивших промышленное распространение. Все их можно классифицировать следующим образом:

     ·                     процессы жидкофазного восстановления,

     ·                     процессы твердофазного восстановления,

     ·                     комбинированные процессы.

     Процессы  жидкофазного восстановления пока не получили значительного распространения, однако имеют неплохие перспективы. Среди процессов жидкофазного восстановления выделяется процесс «Ромелт», разработанный в Московском институте стали и сплавов (МИСиС) под руководством профессора В. А. Роменца и реализованный в 1985 году на полупромышленной установке в Липецке. Одностадийный процесс жидкофазного восстановления «Ромелт» обеспечивает переработку железосодержащих материалов (в виде пыли железной руды, шлаков, шламов) с применением некоксующихся углей.

     Разработанная технология позволяет получить чугун, отличающийся от доменного пониженным содержанием кремния и марганца (0,05-0,15%). Она не требует применения кокса и позволяет использовать в качестве основного топлива  неподготовленные энергетические угли с различным содержанием летучих веществ (до 35-40%), дает возможность перерабатывать любые виды мелкого (не более 20 мм) железосодержащего сырья (руду, концентрат, пыль, шлам, окалину, стружку) без предварительного окускования и при относительно низком содержании железа. Производительность процесса достигает 300-400 тыс. т в год, что позволяет использовать его в условиях малого производства. Агрегат жидкофазного восстановления более компактен, чем агрегат твердофазного восстановления. К недостаткам данного процесса следует отнести пониженный по сравнению с доменным процессом тепловой КПД и низкую скорость восстановления.

     Среди процессов твердофазного восстановления следует особо отметить процесс  Midrex, разработанный в 1965-1967 годах американской компанией Midland Ross. Первые две шахтные печи производительностью по 200 тыс. т в год были запущены в 1969 году в Портланде (США). В 80-е годы на ОЭМК (Россия) был построен крупнейший в Европе цех с 4 печами Midrex с проектной производительностью 1,7 млн. т в год. В качестве железорудного материала здесь используется кусковая руда, окатыши или агломерат, а в качестве восстановителя – природный газ.Преимуществом данного процесса является повышенная чистота окатышей по сере, фосфору и пониженное содержание углерода в окатышах. Производительность достигает 4 млн. т в год. Весь цикл восстановления занимает 8-12 часов.