Винаходи економлять

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Економіка повинна бути економною – така вимога, нагально необхідна, диктується життям. Значить, необхідний скрупульозний аналіз існуючих промислових процесів, всіх машин, що випускаються, проектів будівництва та реконструкції самих різних об’єктів. Виявлені при цьому резерви економії ми прагнемо використовувати гранично швидко, максимально повно. На жаль, вже діючі, звичні процеси, апарати, машини часто не в силах «піти нам назустріч» і запропонувати відчутний і раціональний економічний ефект.

Зате проекти і винаходи, що несуть щось принципово нове, таку економію можуть надати. Більш того, деякі винаходи саме націлені на завдання — принести відчутний ефект. Про них і піде мова.

Метал – полімери зміцнюють і руйнують

На одній чаші терезів економіки лежить економія, на іншій — якість. Ваги ці повинні бути в рівновазі. Чаша якості ні в якому разі не повинна опускатися. Це хороша економія. Але є економія вищого класу, коли одночасно зберігаються матеріальні ресурси, підвищується продуктивність праці і поліпшується якість виробів.

…Ймовірно, з появою першого токарного верстата і першого різця по металу виникла думка охолоджувати водою інструмент і поверхню деталі. Різець став працювати довше, а деталь виходила точніше і чистіше. Безумовно, це була чудова ідея, що дає досі економію вищого класу. Пройшли століття. В охолоджуючу воду стали додавати антикорозійні присадки і мастильні речовини, і стала вода називатися вже мастильно-охолоджувальною рідиною (МОР). Схожу на молоко, її можна бачити в будь-якому металообробному цеху. До неї звикли, як до стружки, як до шуму верстатів. Удосконалення МОР пішло по шляху тихої еволюції. Кожна наступна МОР трохи краще попередньої. Але чи можливо, тільки змінюючи рецепти МОР, домогтися значних досягнень?

На кафедрі технології переробки пластмас Львівського політехнічного інституту займалися поверхневим зміцненням сталевих деталей. Звичайна цементація сталевого зразка. Але на цей раз її провели не в стандартному складі для насичення поверхні сталі зміцнюючим вуглецем, а в розчині. Подане рішення виникло не раптом. Попередні дослідження давали надію на хороший результат. І все ж досягнуте сильно здивувало дослідників.

Зазвичай цементація на глибину міліметра триває п’ять-шість годин, тут твердий шар утворився… півтори хвилини.

У чому причина ефекту? Виявилося: при температурі цементації (500-1000°С) руйнуються молекули полімеру – полістиролу. З них на поверхні металу утворюються вуглецевмісні з’єднання. До того ж сполуки з високою концентрацією вільних радикалів, вельми агресивних і швидких на реакції. Радикали активно взаємодіють з поверхнею металу і за короткий час встигають наситити його вуглецем. Чим і пояснюється висока швидкість цементації.

Прямого відношення до МОР все це начебто не мало. Але підспудно зріла вельми цікава ідея. Якщо так успішно проходила цементація в розчині полімеру, то чи не можна в такому ж розчині і настільки ж швидко провести й інші види хіміко-термічної обробки. Наприклад, ціанування – одночасне насичення сталі азотом та вуглецем.

Ціанування різко підвищує зносостійкість інструменту. Але процес цей повільний, триває годинами. А якщо провести ціанування, скажімо, різця прямо на верстаті, одночасно з обробкою будь-якої деталі. Адже що потрібно для ціанування? Активне рідке середовище і відповідна температура. До 500-600°С нагрівається при різанні робоча кромка інструменту. Цього достатньо для ціанування. Різання відбувається в безперервному струмені МОР. Так чому не наситити її азотом і вуглецем? Зазвичай ціанування триває годинами, так що працюючий інструмент повинен затупитися задовго до того, як почне зміцнюватися. Але завдяки МОР, що містить полімери, зміцнення відбувалося за лічені хвилини. Можливість поєднати його з різанням вже не здавалася фантазією.

За порівняно короткий час колектив Львівських учених і інженерів розробив кілька десятків полімерних МОР.

Численні експерименти відкрили ще одну дивовижну здатність полімерних МОР. Зміцнюючи інструмент, вони розм’якшують поверхню оброблюваного металу, чим прискорюють і полегшують його обробку. А це вже не тільки економія інструменту, але і велика економія трудовитрат, електроенергії.

І деталь робиться з металу, і інструмент зроблений з металу, як же полімерній МОР вдається одночасно і зміцнювати і розм’якшувати? Справа в тому, що при термічному руйнуванні полімерних молекул виділяється не тільки вуглець, але і водень, а ведуть вони себе по-різному. Чим вище температура, тим інтенсивніше вуглець дифундує в залізо. А найбільш нагріті при різанні якраз ріжучі кромки інструменту. Вони і зміцнюються в першу чергу. Водень ж, дуже негативно впливає на міцність сталей, спрямовується, навпаки, в більш холодне місце, тобто на поверхню оброблюваного металу, і, проникаючи в його кристалічну решітку, сприяє деформації, і як раз в тому місці, де різець тисне на метал. Словом, полегшує різання.

Але ж деформація лежить не тільки в основі різання, але і в основі обробки металів тиском (штампування, прокатка і т. д.). Провідна роль в обробці металів тиском відводиться так званим дислокаціям – дефектам кристалічної решітки металу, які своїми переміщеннями і викликають його деформацію. А водень, потрапивши в кристалічну решітку, полегшує переміщення дислокацій. Стало бути, слід було випробувати полімерні середовища на новому терені. Надії повністю виправдалися.

Спеціально створені полімерні технологічні мастила для обробки металів тиском значно полегшували пластичну деформацію. Вони виявилися настільки активними, що, наприклад, швидкість волочіння дроту вдалося збільшити майже в десять разів! Полімери і тут працювали на два фронти, значно підвищуючи стійкість волок, і не тільки металевих, але і алмазних.

Ця обставина навела дослідників на думку використовувати полімерні МОР при бурінні твердих гірських, порід. До звичайного бурового розчину додали водну дисперсію вінілхлориду, і алмазний буровий інструмент став більш стійким. Можна збільшити швидкість буріння, що важко переоцінити. Адже це додаткові тонни нафти і кубометри газу.

Нові мастила при випробуваннях показували такі «чудові» результати, що інший раз виробничники просто не вірили очам своїм і доводилося по кілька разів повторювати порівняльні випробування звичайних МОР і полімерних. Наприклад, з новою МОР в деталі зі сплаву, що насилу піддається різанню, вдавалося одним свердлом просвердлити більше десятка отворів, а зі звичайною – не більше двох.

Руда – скарб в шахті

На початку минулого століття, розвідані мідні руди вважалися промисловими, якщо містили від трьох до десяти відсотків металу. Сьогодні гідними розробки визнаються руди з вмістом металу в десятки разів меншим. Але і цих руд при підземній розробці родовища можна взяти тільки дві третини. Щоб покрівля забою не обрушилася, третину руди залишають в штреках у вигляді підпірок, званих ціликами. Зараз ці цілики, залишені в старих гірничих виробках,— справжній скарб. Якщо в минулому столітті в цілому було видобуто понад 200 тисяч тонн свинцю, цинку, срібла, міді, алюмінію, то близько 70 тисяч тонн цих металів залишилося в ціликах.

Але чи не можна тепер, у знову розвіданих і в діючих родовищах, брати руду без залишку?

Розробити цілик можна, але лише залишивши замість нього якусь штучну підпору, рівну йому по несучій здатності, тобто цілик штучний, наприклад з бетону. Зробити це дуже непросто. У відпрацьований штрек потрібно подати будівельні матеріали, а транспортні механізми в підземних рудниках більше пристосовані для подачі матеріалів на гора, а не навпаки. Спеціальних механізмів для виробництва бетонних робіт в тісних штреках і зовсім немає. Так що доведеться збивати під землею примітивні дерев’яні опалубки і кидати в них бетон лопатами. Тут ще треба підрахувати, чи виправдає додатково здобута руда такі витрати і труднощі.

На Півночі гірники намагалися робити цілики з льоду. У селянських льохах, наприклад, лід не тане роками. Повинен він довго не танути і в шахтах, які в цьому відношенні не гірше погребів. Зводили від підлоги до стелі герметичну опалубку і заливали всередину воду. Опалубку оточували вентиляторами і охолоджували зимовим повітрям. Води за опалубкою було кілька кубометрів, замерзала вона повільно. У великому “злитку” кристалізація протікала нерівномірно, залишалися порожнечі, з’являлися усадочні тріщини. Словом, незважаючи на значні розміри, підпора виходила не дуже надійною. Крім того, півстоліття тому не було такого холодильного обладнання, як зараз, і крижані цілики можна було зводити тільки в зимовий період. Справа ця поступово затихла, але сама ідея була безумовно правильною і дуже привабливою, оскільки не потрібно подавати з поверхні будматеріали, а води в шахтах вистачає. Зараз є і турбохолодильники, що випускаються спеціально для шахт, і потужні насоси.

Таким чином, крижані цілики можуть знайти широке застосування і в північних, і в південних гірничодобувних районах і дати величезний економічний ефект.

Деревина – повітряне прибирання лісу

Ми заготовляємо щорічно не менше трьохсот мільйонів кубометрів ділової деревини. «Ділової» — це значить без гілок, сучків і навіть без вершин. Все це, як правило, залишається на лісосіках і діловою деревиною не називається, хоча можна з цього робити і вітамінну муку, і целюлозу, і деревно-стружкові плити, і непогане пальне, деревне борошно, необхідну для обробки насіння, наприклад, цукрових буряків. Так чому ж не використовуються ці «відходи», що килимами вистилали відпрацьовані лісосіки? Та тому, що в цих килимах все перемішано: кора, сучки, хвойні голки, листя, гілки, тріски і тирса. Але, скажімо, комбікормовій промисловості для виробництва вітамінного борошна потрібна хвоя в чистому вигляді; целюлозно-паперовій — тріску подавай теж у чистому вигляді, так звану технологічну; фармакологи взяли б листя, кору і хвою, але окремо. Мішанина ж не потрібна нікому. І майже все пропадає. Однієї тільки деревної зелені, потреба в якій не обмежена, гине щорічно майже 20 мільйонів тонн.

До недавнього часу, щоб отримати кондиційну зелень, доводилося мало не кожну гілку дерева обробляти вручну, а механічні віддільники барабанного типу, навіть найдосконаліші, видавали зелену масу з домішкою шматків деревини товщиною з олівець і більше. Вручну можна приготувати не більше 25-30 кілограмів деревної зелені на годину. Мільярд людино-годин на сортування залишеної за рік деревної маси і зелені — нереально! Тому з року в рік заготовляли лише дуже трохи зеленої деревної маси.

Словом, щоб добро не пропадало, потрібно всі лісосічні відходи порубати і розсортувати.

…Порив осіннього вітру зметнув з лісової просіки пожовкле листя, опалу хвою, купу сухих гілок. Покрутив у повітрі і знову кинув на землю. Підняв вітер все це начебто з одного місця, а приземлилася вона по-різному. Далі ті, що легше. На цьому принципі працювали старовинні віялки, працюють сучасні зерноочисні машини і пневматичні сепаратори. А ось в лісовій промисловості цей простий спосіб до недавнього часу ніхто не застосовував. І, напевно, довго б ще так було, якби не побачили в пориві вітру пристрій для сортування залишених на лісосіках гілок і вершин.

Здавалося, все повинно бути просто: кидай відходи в потужний повітряний струмінь, а вже він подбає про подальше. Але коли висипали на стіл пару лопат подрібнених відходів, стало ясно: попереду багатоденна копітка робота. На столі опинилися окремі листя, відрізки гілок з листям, окремі хвойні голки і гілочки ялинок і сосен, голі відрізки гілок, кора, мох, тирса, шматки трісок з корою та інша дрібниця. І все це було різних розмірів і різних діаметрів. Одні сухі, інші вологі. Словом, жодна група відходів не була схожа на іншу. А коли стали їх в лабораторії запускати в політ, новин ще додалося. Навіть однакові по діаметру ялинові відрізки літали дуже примхливо. Зовсім коротенькі летіли зі швидкістю 5 метрів в секунду, а завдовжки від 10 до 20 міліметрів — чомусь швидше: пролетіли за секунду вже 6 метрів. Але і гілки довжиною з олівець літали з такою ж швидкістю. Ось і розсортуй! Щоб зрозуміти, що відбувається, довелося зняти кінофільм про ці літаючі відрізки.

Виявилося, що відрізки гілок довжиною до двох сантиметрів розташовуються в повітряному потоці вертикально, і тут швидкість витання швидко зростає пропорційно довжині. При подальшому ж збільшенні довжини гілочки розгортаються поперек потоку, і швидкість вже майже не залежить від їх довжини.

Коли визначили характери всіх «літаючих», вирішили подрібнені відходи лісозаготівель ділити на дві групи. В одну — кондиційну групу — збирати тих, які можуть без додаткової переробки служити сировиною для виробництва хвойно-вітамінного борошна, хлорофілло-каротинової пасти, ефірного масла, тощо. Це хвоя, листя, молоді пагони, мох, шматочки кори. У другу групу – шматки деревини, здеревілі частини пагонів, шматки неохвоєних гілок, тріска та інші «деревні частини», непридатні для використання в лісохімічних виробництвах.

Так з’явився пневматичний пристрій винахідників, що подрібнює і сортує на дві групи всі лісосічні відходи діаметром до 50 міліметрів.

Але що робити з другою групою відходів, що виходить в результаті пневматичного сортування? Прикро, що її, що містить велику кількість технологічної тріски, тієї самої, що йде на виробництво паперу, доводиться пускати на паливо. Зараз фахівці якраз і працюють над створенням пневматичного сортувальника, який буде з другої групи відходів «добувати» технологічну тріску. Коли з’являться такі машини, можна буде ще повніше використовувати ресурси лісу, а отже, і зменшити вирубку.

Автор: Є. Вікуліна.