Физико-химические свойства

Физико-химические свойства характеризуют состояние груза, его способность вступать во взаимодействие с окружающей средой, вредно воздействовать на подвижной состав, складские емкости, погрузочно-разгрузочные машины и устройства, другие грузы, а 14

Таблица 1.1

также на здоровье людей. От физико-химических свойств в боль­шой степени зависят выбор условий перевозки, перегрузки и хране­ния груза и основные требования к его таре н упаковке.

Физические свойства. Гранулометрический состав характеризу­ет количественное распределение частиц (кусков) насыпных и на­валочных грузов по крупности. В зависимости от гранулометриче­ского состава насыпные и навалочные грузы делятся на группы (табл. 1.1) [3].

Гранулометрический состав оказывает значительное влияние на такие свойства груза, как сыпучесть, гигроскопичность, способность к слеживанию, смерзанию, уплотнению.

Сыпучесть — способность насыпных и навалочных грузов пере­мещаться под действием сил тяжести или внешнего динамического воздействия. Сыпучесть груза характеризуется величиной угла естественного откоса и сопротивлением сдвигу.

Углом естественного откоса называется двугранный угол между плоскостью груза и горизонтальной плоскостью основания штабе­ля. Величина угла естественного откоса зависит от рода груза, его гранулометрического состава и влажности.

Различают угол естественного откоса груза в покое и в движе­нии. Величина угла естественного откоса в покое больше, чем в движении. В табл. 1.2 приведены значения угла естественного от­коса в покое и движении для наиболее распространенных нава­лочных грузов (22, 23].

Таблица 1.2

При воздействии на груз динамических нагрузок, особенно виб­рации, угол естественного откоса может снижаться до нуля.

Сопротивление сдвмгу объясняется наличием сил трения час­тиц материала между собой и сил их сцепления. В общем случае условие равновесия сыпучей массы определяется законом Кулона:

где τ — касательное напряжение сдвига, Н/м²;

с — сопротивление разрыву частиц груза, Н/м²;

σ — напряжение сжатия, Н/м²;

φ — угол внутреннего трения, град;

tg φ — коэффициент внутреннего трения.

Для идеально сыпучих материалов, когда отсутствует сцепле­ние частиц груза между собой, угол внутреннего трения равен углу естественного откоса. Значительными силами сцепления частиц ве­щества обладают влажные и плохосыпучие грузы—вязкие мате­риалы. С ростом влажности груза возрастают и силы сцепления. У некоторых грузов при увеличении влажности до критического значения вначале происходит увеличение, а затем резкое умень­шение сил сцепления частиц продукта.

Скважистость определяет наличие и "величину пустот между от­дельными частичками гоуза и оценивается коэффициентом сква­жистости

где V_шт — геометрический объем штабеля груза, м³;

V_гр — объем груза без учета суммарного объема пустот между отдельны­ми его частицами, м³.

Пористость характеризует наличием суммарный объем внутрен­них пор и капилляров *в массе груза и оценивается коэффициентом пористости

где V_H — суммарный объем внутренних пор и капилляров, м³.

Способность уплотняться характеризуется коэффициентом уп­лотнения (табл. 1.3) (22]

где V'_гр, V’'_гр — объем груза соответственно до и после уплотнения, м³.

Уплотнение происходит под действием на груз статических или динамических нагрузок, за счет заполнения пустых 'пространств и более компактного расположения отдельных частиц груза относи­тельно друг друга. Степень уплотнения в значительной степени за­висит от гранулометрического состава, пористости и скважистости груза. Она является важным фактором повышения статической нагрузки вагона.

Хрупкость — способность некоторых грузов при механическом воздействии разрушаться, минуя состояние заметных пластических

Таблица 1.3

деформаций. При выполнении погрузочно-разгрузочных работ и транспортных операций необходимо хрупкие грузы укладывать и закреплять в соответствия с требованиями {31], избегать бросков, ударов, падений отдельных грузовых мест и т. д. Тара и упаковка таких грузов должны быть исправными и обеспечивать их сохран­ность от разрушения. К хрупким относятся изделия ш стекла и керамические, различная аппаратура, приборы, шифер и т. д. Не­которые грузы могут приобретать свойство хрупкости при понижен­ной температуре. Так, олово становится хрупким при температуре ниже —15°С, резина — 45-=-50°С.

Пылеемкость — способность грузов легко поглощать пыль из ок­ружающей атмосферы. Поглощение пыли приводит к <порче мате­риалов или вызывает необходимость очистки продукции от пыли перед употреблением ее в производстве. Повышенной пылеем-костью отличаются волокнистые материалы, ткани, меховые изде­лия, грузы повышенной влажности и т. д.

Распыляемость — способность мельчайших частиц вещества образовывать с воздухом устойчивые взвеси и переноситься воз­душными потоками на значительные расстояния от места расположения груза. Яркий пример этого явления — пыление при пере­грузочном и перевозочном процессах угля, цемента, муки, зерна, фрезерного торфа и других грузов.

Пыль обладает повышенной способностью адсорбировать из ок­ружающей среды газы, пары и радиоактивные вещества. Это осо­бенно вредно при наличия в воздухе отравляющих веществ и повы­шенной радиации.

Сильное пыление грузов затрудняет работу людей, вызывает необходимость применения марлевых повязок, респираторов, про­тивогазов. Органическая и металлическая пыль в определенной кон­центрации способна к воспламенению и взрыву под действием лю­бого внешнего источника огня. Кроме того, распыление приводит

к значительным (до 5—8%) потерям продукции и загрязнению окружающей среды.

Для предотвращения распыления грузов необходимо совершен­ствовать тару и упаковку, создавать специализированный подвиж­ной состав и погрузочно-раагрузочные устройства, устанавливать фильтры в вентиляционных устройствах складов пылящих грузов, покры-вать поверхности грузов пленками и т. д.

Абразивность— способность грузов истирать соприкасающиеся с ними поверхности подвижного состава, погрузочно-разгрузочных машин и сооружений. Абразивность зависит от твердости частиц груза, которая оценивается по шкале Мооса. Так, по этой шкале тальку соответствует твердость 1, алмазу—10. В зависимости от твердости частиц грузы бывают малоабразивные с твердостью до 2,5; среднеабразивные — 2,5—5; высокоабразивные — свыше 5. Вы­сокой абразивностью обладают цемент, минерально-строительные материалы, апатиты, бокситы и т. д. При работе с абразивными грузами необходимо принимать меры к предотвращению пыления и попадания частиц продукта на трущиеся детали подвижного со­става и погрузочно-разгрузочных устройств.

Слеживаемость — способность отдельных частиц груза сцеплять­ся, прилипать к стенкам подвижного состава, бункеров, силосов и друг к другу и образовывать достаточно прочную монолитную мас­су. Слеживаемость характерна для многих насыпных и навалочных грузов.

Основными причинами слеживаемости являются: спрессовыва­ние частиц груза под давлением верхних слоев; кристаллизация солей из растворов и переход соединений вещества из одного со­стояния в другое; химические реакции в массе продукта. Слежи­ваемости подвержены: руды различных наименований; рудные кон­центраты; уголь; минерально-строительные грузы; минеральные удобрения; различные соли; торф; сахар; цемент и т. д. При выпол­нении погрузочно-разгрузочных и складских операций со слежав­шимися грузами необходимо восстановить их сыпучесть.

На степень слеживаемости оказывают влияние свойства и ха­рактеристики самого груза, режим хранения и местные климатиче­ские условия.

К свойствам и характеристикам груза в данном случае относят­ся: размеры, форма и особенности 'поверхности частиц вещества; характеристика его внутренней структуры, например волокнис­тость; однородность гранулометрического состава; наличие и свой­ства примесей; влажность и гигроскопичность продукта. Так, с уве­личением размера частиц груза уменьшается число точек соприкос­новения между частицами, а следовательно, снижается степень слеживания. При неоднородности гранулометрического состава мелкие частицы груза располагаются между крупными, число то­чек соприкосновения возрастает, повышается степень слеживания. Следовательно, для снижения степени слеживания необходимо

стремиться к тому, чтобы в мас­се груза был однородный грану­лометрический состав, а у его от­дельных частиц была гладкая поверхность и близкая к шаро­образной форма.

Способность груза к слежи-ваемости возрастает при нали­чии в его массе растворимых в воде примесей. Если слеживае-мость продукта обусловлена дав­лением его верхних слоев, степень слеживаемости возрастает с ро­стом влажности грузов. В хорошо растворимых грузах повыше­ние влажности приводит к образованию насыщенного раствора, при высыхании которого образуется прочная корка. В некоторых грузах влага стимулирует химические процессы, способствующие слеживаемости продукта. Сильному слеживанию подвержены все гигроскопичные растворимые в воде грузы.

Прочность и степень слеживания продукта находится в прямой зависимости от времени хранения или перевозки и высоты штабе­лей груза. Особенно заметно с ростом высоты штабелей возраста­ет степень слеживаемости малогигроскопичиых грузов. Быстрота слеживания продукта зависит от его температуры. При резких сме­нах температуры и влажности окружающей среды слеживаемость груза усиливается.

Для предотвращения или замедления процесса слеживания грузы хранят в уменьшающих поглощение влаги условиях; гигро­скопичные вещества упаковывают во влагонепроницаемую тару; поверхности продукции покрывают брезентом и т. д.

Сводообразование — процесс образования свода над выпускным отверстием бункера, силоса, подвижного состава, характерный для насыпных и навалочных грузов. Образование свода происходит в результате зацепления движущихся частиц груза за частицы, на­ходящиеся в состоянии покоя (рис. 1.3).

Вязкость — свойство частиц жидкости сопротивляться переме­щению относительно друг друга под действием внешних сил. Вяз­кость характеризует внутреннее трение между частицами и объяс­няется силами молекулярного сцепления. Различают динамиче­скую, кинематическую и условную вязкость.

Динамическая вязкость μ, Н*с/м², определяет коэффициент внутреннего трения. Сила внутреннего трения F между двумя сло­ями жидкости

где S — площадь слоя жидкости, м²;

dv/dx — градиент скорости движения слоев жидкости в направлении х, перпендикулярном направлению движения, 1/с.

Кинематическая вязкость н определяется отношением динами­ческой вязкости жидкости к ее плотности:

ν =μ/ρ,

где ρ — плотность жидкости, кг/м³.

На практике для оценки текучести жидкостей чаще использу­ется понятие условной вязкости жидкостей. Условная вязкость жид­костей измеряется в градусах Энглера, которые определяют отно­шение времени истечения 200 см³ продукта при температуре изме­рения к времени истечения такого же количества дистиллирован­ной воды при температуре 20 °С. С понижением температуры вяз­кость продукта постепенно возрастает до полного застывания. При достижении температуры застывания уровень жидкости в пробир­ке, наклоненной к горизонту на 45°, остается неподвижным в тече­ние 1 мин. Температура застывания жидкостей зависит от их хи­мического состава.

По степени вязкости и температуре застывания жидкие грузы делятся на четыре группы (табл. 1.4).

Повышенная вязкость наливных грузов вызывает снижение ско­рости их перекачки и увеличивает потери продукта в результате налипания его частиц на внутренние поверхности кузовов подвиж­ного состава. Полный перечень вязких и застывающих грузов опубликован в [28].

Гигроскопичность — способность грузов легко поглощать вла­гу воздуха, объясняется различными причинами. Так, карбид каль­ция, негашеная известь поглощают влагу вследствие своей химичес­кой активности. Гигроскопичность соли и сахара объясняется их сильной растворимостью в воде. Хлопок, шерсть, зерно поглощают влагу вследствие сгущения паров воды (адсорбации) на больших внутренних поверхностях груза.

Таблица L$

Интенсивность поглощения влаги грузами возрастает с повыше­нием температуры, влажности и скорости движения воздуха, а так­же прямо зависит от площади поверхности груза, соприкасающей­ся с воздухом, от пористости и скважистости вещества.

Влажность определяет процентное содержание влаги в массе груза. Влага может содержаться в массе груза в свободном и свя­занном состояниях. Различают абсолютную и относительную влаж­ность груза.

Относительной влажностью W называется отношение массы жидкости q_м к массе влажногогруза q_гр %:

где q_с —масса сухого груза, т.

Абсолютная влажность W представляет собой отношение мас­сы жидкости к массе сухого груза, %:

W=(q_м/q_с)100

В теоретических расчетах, как правило, используют абсолют­ную влажность, на практике чаще применяют относительную влаж-

ность, которая более наглядно дает пред­ставление о содержании влаги в массе про­дукта.

Для перевода относительной влажно­сти в абсолютную и наоборот можно ис­пользовать формулу зависимости или номо­грамму (рис. 1.4) [8]:

Стандартами, техническими условиями и другими нормативными материалами устанавливают кондиционную влажность различных грузов, при которой вещество способно сохранять свои качественные ха­рактеристики. Отклонения влажности гру­зов от кондиционных требований приводят к порче или потере качества продукции.

Повышенная влажность ряда грузов усиливает крайне нежелательные для транспорта свойства (слеживаемость, смерзаемость, склонность к сводообразова-нию), а также приводит к налипанию гру; за на внутреннюю поверхность бункеров, кузовов подвиж'ного состава и на рабочие органы погрузочно-разгрузочных машин и устройств.

Химические свойства грузов.Самонагревание и самовозгора­ние происходят под действием внутренних источников тепла — хи­мических и биохимических процессов, протекающих в массе груза и повышающих его температуру. Самонагреванию подвержены зер­но, волокнистые материалы, сено, жмых, каменные и бурые угли, торф, сланцы, некоторые руды и их концентраты и др. Самонагре­вание груза каждого наименования объясняется характерными для него причинами.

Процесс самонагревания грузов сельскохозяйственного произ­водства объясняется наличием процесса дыхания продукта, жизне­деятельностью микроорганизмов и сельскохозяйственных вредите­лей. Вследствие малой теплопроводности теплота в массе груза накапливается и его температура повышается, что в конечном счете приводит к порче, обугливанию или самовозгоранию продукта.

Создание благоприятных условий хранения и перевозки, ак­тивная вентиляция груза позволяют предотвратить или замедлить биохимические процессы, снизить интенсивность жизнедеятельнос­ти микроорганизмов и вредителей, обеспечить своевременное уда­ление выделяющихся углекислого газа и тепла. .

Процесс самонагревания руд, рудных концентратов, каменных и бурых углей, торфа, сланцев и некоторых других грузов объясня­ется химической реакцией взаимодействия с кислородом воздуха. Реакция окисления сопровождается выделением и накоплением тепла в массе груза, что в свою очередь ускоряет реакцию окисле­ния. Если не обеспечить отвод тепла из массы груза, его самона­гревание может привести к самовозгоранию. Температура груза, при которой начинается бурный процесс окисления с последующим самовозгоранием, называется критической температурой.

Окислительные свойства грузов — способность легко отдавать избыток кислорода другим веществам. Примесь окислителей может вызвать загорание горючих материалов и обеспечить их устойчи­вое горение без доступа воздуха. Это необходимо учитывать при взаимном размещении мест хранения и грузовых фронтов по пере­работке горючих материалов и окисляющих грузов и при органи­зации их перевозки по железным дорогам.

Некоторые окислители вместе с органическими веществами спо­собны к образованию взрывчатых смесей, взрывающихся вслед­ствие детонации, трения или удара. Особенно активными окисли­телями являются жидкие кислоты, щелочи, соли, минеральные удобрения, перекись водорода и т. д.

Перевозка активных окислителей требует принятия необходи­мых мер к нейтрализации их корродирующего воздействия на ме­таллические части подвижного состава и средств механизации по-грузочно-разгрузочных работ.

Коррозия — разрушение металлов или металлических изделий вследствие их химического или электрохимического взаимодейст-

вия с внешней средой. Коррозия, или окисление металлов, являет­ся процессом присоединения к металлоидам кислорода, хлора, бро­ма и некоторых других элементов. Для условий железнодорожных перевозок наиболее характерна атмосферная коррозия, обуслов­ленная электрохимическими процессами, где электролитом являет­ся тонкая пленка или отдельные капельки влаги. Скорость корро­зии возрастает с повышением влажности и температуры воздуха, его загрязнения угольной пылью, золой, хлоридами или газами (особенно сернистыми). Так, повышенная загазованность крупных промышленных центров, кроме негативного воздействия на здо­ровье людей, в результате коррозии приводит к ускоренному выхо­ду из строя металлических частей машин, строительных конструк­ций, архитектурных памятников и др.

В целях защиты от коррозии в процессе перевозки металлы и металлоизделия тщательно упаковывают, в необходимых случаях уплотняют стены и крышу вагонов, покрывают антикоррозионными смазками открытые части, не допускают их совместную перевозку с грузами, являющимися активными окислителями.

Реакция на изменение температур. Смерзаемость — способ­ность грузов терять свою сыпучесть в результате смерзания отдель­ных частиц продукта в сплошную массу. Смерзаемости подверже­ны руды различных металлов и их концентраты, уголь каменный, минерально-строительные и формовочные материалы, глина и дру­гие навалочные грузы.

Прочность и глубина замораживания массы груза зависят от температуры и длительности воздействия окружающей среды, гра­нулометрического состава, влажности и теплопроводности продук­та. Наибольшей смерзаемости при прочих равных условиях под­вержены грузы с повышенной влажностью и неоднородным грану­лометрическим составом. Процесс промораживания и разморажи­вания навалочных грузов происходит достаточно медленно ввиду их низкой теплопроводности [до 6,28 кДж/(м²*ч-°С)]. Стандарта­ми и техническими условиями для различных грузов установлены пределы безопасной влажности, %, при которой продукт не смерза* ется [27]:

Уголь каменный...................................... 7

Уголь бурый............................................ 30

Бокситы Ссвероуральских рудников . . 5

Руды медные.............................................. 2

Флюсы........................................................ 2

Баритовые концентраты......................... 4

Концентраты цветных руд...................... 2

Руды магнезитовые................................ 2

» магнитогорские................................ 6,5—7

» марганцевые никопольского место­
рождения .................................................. . 10—15

Песок.......................................................... 1,25

Гравий ...................................................... 2

Шлак гранулированный (при перевозке

до 1 сут).................................................... 20

В случаях когда влажность груза невозможно или сложно до­вести до безопасных пределов, необходимо проведение профилак­тических мероприятий против смерзаемости. Перечень и содержа­ние профилактических мероприятий против смерзания грузов под­робно изложены в [27].

Морозостойкость — способность грузов выдерживать воздейст­вие низких температур, не разрушаясь, и сохранять свои качест­венные характеристики при оттаивании. Особенно неблагоприятно низкие температуры воздействуют на свежие овощи и фрукты, жидкие грузы в стеклянной таре, некоторые резинотехнические изделия и металлы и др.

Спекаемость — свойство частиц некоторых грузов слипаться при повышении температуры продукта. Спекаемости подвержены гудрон, асфальт, пек, агломераты руд и др. Предотвратить спекае­мость грузов практически невозможно. Выгрузка спекающихся грузов требует значительных трудовых затрат.

Теплостойкость — способность веществ противостоять развитию биохимических процессов, разрушению, окислению, плавлению или самовозгоранию лод действием высоких температур. Наиболее не­благоприятное воздействие высокие температуры оказывают на грузы растительного и животного происхождения, каменные угли, торф, сланцы и грузы, содержащие легкоплавкие вещества.

Огнестойкость — способность грузов не воспламеняться и не изменять своих первоначальных свойств (прочность, цвет, форму) под воздействием огня. Огнестойкость характерна для ограничен­ного числа грузов. Большинство же грузов под действием огня сго­рают, разрушаются или теряют свои первоначальные свойства.

Характеристика опасности. Огнеопасность — способность ве^ щества в случае возникновения очага загорания к прогрессирую­щему горению. Устойчивое горение вещества происходит при опре­деленной концентрации его газов, паров или пыли в воздухе. Гра­ницы такой концентрации получили название области воспламе­нения. Чем шире область воспламенения и ниже концентрацион­ный предел взрываемости, тем выше огнеопасность груза.

Для горючих жидкостей важными характеристиками являются температура вспышки и температура воспламенения. Под темпе­ратурой вспышки понимают температуру жидкости, при которой ее насыщенные пары способны воспламеняться под действием внешнего источника воспламенения продолжительностью до 5 с. При вспышке воспламеняются и сгорают только пары жидкости. Температура воспламенения характеризует минимальную темпера­туру жидкости, при которой возможно устойчивое горение ее ис­парений. Температура, при которой происходит самовозгорание

жидкого груза, называется температурой самовоспламенения. Она значительно выше температуры вспышки.

Взрывоопасность — способность грузов вызывать физический или химический взрыв. Физический взрыв могут вызвать сжатые и сжиженные газы. Химический взрыв представляет собой реакцию окисления взрывчатого вещества (ВВ) кислородом воздуха, проте­кающую с огромной скоростью. Горение ВВ сопровождается дето­нацией, приводящей к мгновенному взрыву всей массы продукта и образованию ударной волны. Степень опасности ВВ зависит от свойств и массы продукта, качества тары и упаковки. В зависи­мости от вида, свойств и условий перевозки ВВ делятся на раз­ряды.

Вредность — способность паров или взвешенных частиц пора­жать органы чувств, кожный покров, дыхательные пути и легкие людей. Поражение может проявляться в виде раздражающих яв­лений, отравления, заболевания силикозом и различными инфек­ционными и кожными болезнями. Особенно неблагоприятное воз­действие на организм человека оказывают пары или пыль свинца, цемента, фосфора, бензина, минерального масла, дегтя, кожсырья, ртути и т. д. Установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе. При переработке таких грузов необ­ходимо принимать меры, обеспечивающие охрану здоровья обслу­живающего персонала.

Ядовитость — свойство некоторых грузов, представляющих не­посредственную опасность для здоровья и жизни людей и живот­ных. Проникновение яда в организм человека или животного мо­жет произойти при вдыхании, через кожный покров и при внутрен­нем введении в процессе еды, курения, питья и т. д. Сила дейст­вия ядовитых веществ (ЯВ) на организм определяется их токсич­ностью. Опасность ЯВ определяется их способностью создавать опасные концентрации в воздухе в аварийных ситуациях. В зави­симости от степени опасности ЯВ подразделяются на разряды.

При выполнении работ с ЯВ запрещается пить, курить, прини­мать пищу. В необходимых случаях обслуживающий персонал ос­нащается предохранительными дыхательными аппаратами нЯ спец­одеждой. Если в процессе работы произошло повреждение тары или упаковки ЯВ, россыпь, утечка продукта или возникли другие опас­ные ситуации, обслуживающий персонал должен немедленно по­кинуть опасную зону или принять соответствующие меры химичес­кой защиты.

К инфекционно-опасным грузам относятся: живность, сырые животные продукты, шерсть животных, кожсырье, бактериологи­ческие препараты и некоторые другие. Такие грузы могут послу­жить причиной распространения инфекции, заболевания, а в неко­торых случаях гибели людей и животных.

Радиоактивность — способность некоторых веществ к радио­активным излучениям, опасным для здоровья и жизни людей и жи-

вотных. В зависимости от физической природы радиоактивные вещества подразделяются на три группы:

вещества, излучающие альфа-, бета- и гамма-лучи;

источники нейтронов или нейтронов и гамма-лучей;

вещества, излучающие альфа- или бета-лучи.

Мощность дозы излучения на поверхности упаковки радиоак­тивного груза или на расстоянии 1 м от центра поверхности упа­ковки является показателем опасности радиации. В зависимости от мощности дозы излучения грузовые места с радиоактивными ве­ществами делятся на три транспортные категории.