стр 6-9 Знание сила №1 1970 (КИВЦЭТ)
ПОИСКИ, ПРОБЛЕМЫ, СВЕРШЕНИЯ
Вместо десятков разнохарактерных операций, вместо множества печей, аппаратов, ковшей и вагонеток, вместо ручного труда — один-единственный агрегат, который можно полностью автоматизировать. это кивцэт — результат исследовательских работ сотрудников научных и проектных институтов цветной металлургии.
КИВЦЭТ
В. Ламм
Обычно в технических проспектах о тех или иных новинках промышленности приводят лишь сухое малопонятное описание да еще цифры, цифры, цифры. А тут вдруг так: «Этот способ позволяет осуществить давнишнюю мечту металлургов». Исполнение надежд и мечтаний... Нет, видно, затронуло за живое авторов проспекта, что допустили они столь «вольный стиль» в сухой своей информации. А информация эта — про новый способ получения цветных металлов. Медь, цинк, свинец... В природе эти металлы никогда не встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу, но, как правило, к ним примешиваются еще железо, серебро, золото, а также никель, молибден, сурьма, олово. Но самый надоедливый их спутник — сера.
И прежде чем говорить о мечте, прозаически расскажем о долгом пути превращения руды в слиток меди или свинца. Руду надо прежде всего обогатить, превратить в рудный концентрат. Меди в концентрате, например, содержится до тридцати пяти процентов, а в руде — максимум четыре процента. Но зато серы в концентрате бывает даже слишком много. Приходится ее частично выжигать в обжиговых печах, получая одновременно металлы в виде окислов.
Самый совершенный способ обжига рудных концентратов — в кипящем слое. Слой концентрата находится на металлической решетке, снизу продувают воздух. И концентрат колышется, напоминая кипящую жидкость. Сходство полное. Отсюда и название.
Концентрат движется вдоль печи, исправно обжигается. Правда, поток газа уносит очень много пыли. В нее переходит иногда три четверти всего загружаемого в печь концентрата! Значит, пыль приходится улавливать в циклонах, электрофильтрах. Неудобство, конечно.
После обжига получается огарок, тоже и в виде порошка. Надо его отправить в плавильный цех. Задача, прямо скажем, не из легких. Ведь температура огарка около 600 градусов. К тому же, когда его везут на вагонетках, летит едкая пыль.
В плавильном цехе огарок загружают в отражательную печь. Это огромное, громоздкое сооружение. Длина — больше тридцати метров. Горит в печи уголь, мазут или газ. Впрочем, иногда применяют и электропечи. Но, к сожалению, электропечи — дорогостоящее удовольствие. Приходится вести плавку по старинке — в отражательных печах.
После плавки получается сплав сульфидов (соединения с серой) — штейн. И сплав окислов — шлак. В штейне все есть — сульфиды меди и железа, цинка, свинца, никеля, даже золота и серебра. А меди, которую мы желаем получить, — только процентов тридцать-сорок.
Остается, к сожалению, металл и в шлаках. Он выбрасывается, идет в отвал, как говорят металлурги. Сейчас в нашей стране накопилось пятнадцать миллионов тонн шлака, содержащего цинк и свинец, для извлечения, которых сейчас строятся специальные заводы.
И это еще не конец технологической цепочки. Штейн отправляют в конвертер. Здесь из штейна сначала удаляют железо, продолжают продувать воздухом, и в конвертере образуется металлическая медь. Правда, черновая. Ее надо рафинировать — освободить окончательно от ненужных примесей. Лишь после этого процесс завершен.
А цинк получить из руды еще труднее, куда труднее. Цинковый сульфидный концентрат тоже сначала обжигают, чтобы удалить серу. А плавят в ретортах. Это небольшие сосуды из огнеупорной глины, похожие на удлиненные стаканы. Шихту в них загружают вручную, в одной печи умещается иногда до тысячи штук. Реторты в печь тоже вставляют вручную. Недаром операция по выгрузке, загрузке и замене их, которую называют маневром, продолжается шесть часов. Еще бы — тысяча реторт!
Ну, а затем жидкий цинк выгружают в ковш, разливают по изложницам, потом рафинируют, отстаивают, перегоняют. Как видите, многодельное, многооперационное занятие, да еще с изрядной долей ручного труда.
Более распространен другой способ получения цинка — гидрометаллургический. В этом случае обожженный концентрат выщелачивают серной кислотой, и полученный раствор очищают от примесей и частиц пустой породы. Очищенный раствор подвергают электролизу. При этом на катоде выделяется металлический цинк. Его плавят в отражательных или индукционных электрических печах.
Плавка свинца ведется в шахтных печах, после предварительной агломерации концентрата. Таким образом, распространенные сегодня способы выплавки меди, свинца и цинка многоступенчаты и сложны.
Возвратимся к началу, к той фразе из технического проспекта. Там полностью сказано так. «Кивцэтный — кислородно-взвешенный, циклонный, электротермический — способ позволяет осуществить давнишнюю мечту металлургов об агрегате, совмещающем все операции от загрузки шихты до выпуска готового металла». Тут что ни слово, то техническая новинка. А сам «кивцэт» — их объединение. Так сказать, новинка среди новинок. Но все по порядку, по буквам. «КИВ...» — это значит кислородно-взвешенная плавка. При ней нет надобности предварительно обжигать концентрат. Его лишь подсушивают в вертикальных трубах-сушилках. Сухая шихта вдувается в печь струей кислорода под давлением. В пламени сгорают сульфиды, и шихта плавится. Если серы в концентрате много, то здесь это даже хорошо. Топлива дополнительно не потребуется! Процесс идет сам собой, за счет тепла от сгорания серы. А вспомните-ка отражательную печь. Там ведь без угля, мазута или горючего газа не обойтись. Вот нам первая экономия, и вовсе не маленькая. Кстати, при кислородном дутье увеличивается содержание сернистого ангидрида в отходящих газах. Так что используются и газы. Для производства серной кислоты или элементарной серы. Эго тоже большая экономия.
Сейчас действует первая в мире установка кислородно-взвешенной плавки на Алмалыкском комбинате. Это детище ученых, инженеров Москвы и Урала. И, несомненно, крупное достижение советских металлургов.
Авторы кивцэтного способа применили в своем агрегате кислородно-взвешенную плавку. Но не в чистом виде. При кислородно-взвешенной плавке шихта вдувается струей кислорода в рабочее пространство печи горизонтальным факелом. В кивцэтном агрегате дело обстоит несколько иначе. Его печь — это цилиндрический сосуд высотой всего два-три метра, а концентрат вдувается струей кислорода по касательной к внутренней стенке камеры с ураганной скоростью — сто метров в секунду. Внутри печи получается вихрь. И в этом вихре все процессы плавки идут тоже с ураганной скоростью.
К слову сказать, вихревое, циклонное сжигание тоже известно. Оно пришло к металлургам' от энергетиков. Но ведь и колесо было изобретено задолго до того, как появился велосипед. Так что ни кислородно-взвешенная плавка, ни циклонное сжигание шихты не могут умалить новизну и достоинство кивцэтного способа.
Итак, вихревые потоки под действием центробежных сил отбросили частицы концентрата на стенки камеры, а кислород на большой скорости омыл каждую частицу. Химические реакции идут с самой теоретически достижимой высокой интенсивностью. Причем тоже без дополнительного расхода топлива, если только в концентрате серы более двадцати процентов.
Образующиеся газы это даже не газы — почти чистый сернистый ангидрид. Из него можно получить серную кислоту.
Расплавленная шихта стекает из циклона на охлаждаемый порог — разделитель, переливается через порог и попадает в электропечь.
Пришла очередь двух последних букв — «...ЭТ». Электротермический. Сразу к циклонной камере примыкает электропечь. Они слиты в один агрегат.
В электрической части КИВЦЭТа плавка расслаивается на штейн н шлак. Штейн — мы уже знаем, что это такое. А шлак — он шлак и есть. Шлак оказывается наверху, штейн — внизу. Его периодически выпускают из печи.
Но стоп! Ведь электропечи — дорогая вещь, мы сами только что это признавали. Да, но шлак и прочее идут через порог КИВЦЭТа в его электрическую часть уже горячими. Горячими! А не холодными, как для обычной электропечи. И потому затраты электроэнергии уменьшаются примерно в два раза. В результате процесс становится экономически вполне целесообразным. Выгода получена, по сути дела, за счет тесного соединения двух агрегатов. Казалось бы, так просто додуматься!
Из шлака в кивцэтном агрегате можно тут же извлечь остатки меди, никеля и других металлов.
Все процессы в кивцэтном агрегате идут непрерывно.
Результат, который больше всего интересует металлургов: КИВЦЭТ извлекает из медно-цинкового концентрата девяносто восемь процентов меди и благородных металлов. Почти то же и для цинка. Почти ничего не выбрасывается! Действительно, «способ позволяет осуществить давнишнюю мечту металлургов».
Не обойдемся все же без доли скептицизма. Некоторые специалисты считают, например, что циклонная топка при очень больших размерах будет вести себя иначе, не так, как в первых, малых агрегатах. Не так, как это задумано авторами КИВЦЭТа.
Во всяком случае, уже работает первый кивцэтный агрегат в Усть-Каменогорске. Мощность его пока небольшая — всего 30 тонн концентрата в сутки. Но это ведь опытная установка. Следующий этап — 300, а затем и 1000—1200 тонн концентрата в сутки. Такой агрегат думают в скором времени соорудить в Казахстане.
Появилось в технике новое слово — КИВЦЭТ. Не часто такое случается.
2 КОЛОНКИ ОБОЗРЕВАТЕЛЯ
В этом номере наш обозреватель — научный сотрудник отдела квантовой теории поля Института математики АН СССР имени Стеклова, кандидат физико-математических наук Владимир ПАВЛОВ.
Результаты длительного эксперимента, проведенного на крупнейшем в мире Серпуховском ускорителе, фактически опровергают выводы теоремы Померанчука — одного из самых строгих следствий современной теории элементарных частиц.
Серпуховские экспериментаторы обладают мощнейшим пучком протонов. Эти частицы разгоняются в ускорителе до энергий, в 70 раз превышающих запас энергии в массе протона, их скорость лишь на 15 сотых долей процента отличается от скорости света. На специальных мишенях Серпуховского ускорителя получают вторичные частицы — If- и К-мезоны, антипротоны и г. д. Их скорости также весьма велики.
Во всяком случае до сих пор физики не встречались в лаборатории со взаимодействием частиц таких энергий и в таких мощных пучках.
Поэтому неудивительно то нетерпение, с которым ученые ожидали результатов уникального эксперимента по рассеянию на ядрах водорода отрицательных и положительных мезонов, то есть, по сути дела, первой проверки теоремы Померанчука, почти десять лет считавшейся незыблемой.
Современная теория требует, чтобы процессы рассеяния для частиц и античастиц высоких энергий и одного наименования (протон, антипротон, положительный и отрицательный мезон и т. д.) шли одинаково.
Характеризует их так называемое сечение реакции, — попросту говоря, число частиц из общего потока, рассеянных в каком-нибудь определенном направлении. Если просуммировать сечения по всем возможным направлениям, то получится то, что физики называют полным сечением. Полное сечение показывает, какая часть всего потока частиц рассеивается ядрами мишени. И числа эти должны совпадать для частиц и античастиц.
Эксперимент шел более года. И результат его превзошел все ожидания. Полные сечения мезонов оказались различными. Ни о каком совпадении и речи быть не может.
Что же это означает?
Отрицательный результат можно объяснить тем, что энергия частиц, хоть она и велика, все-таки недостаточна для выполнения условий теоремы. Там просто указано, что энергия должна быть высокой, и только. Никаких количественных показателей теорема в этом смысле не содержит. Поэтому некоторые ученые склонны полагать, что, так сказать, нижний потолок энергий, необходимых для того, чтобы характеристики частиц и античастиц сравнялись, все еще не достигнут.
Но этот довод, по-видимому, неплодотворен. Пожалуй, все-таки надо считать, что теорема Померанчука поставлена под сомнение.
И из, казалось бы, частного случая могут произойти весьма катастрофические последствия для всей современной теории элементарных частиц.
Дело в том, что строгий вывод теоремы Померанчука вытекает из так называемых дисперсионных соотношений. А этот превосходный математический аппарат опирается на некоторые основные положения квантовой теории поля.
Тем самым вопрос касается и теории взаимодействия элементарных частиц. Короче говоря, затронуты основы физики микромира.
Казалось бы, негативный результат эксперимента серпуховских физиков тем самым наносит удар по давно установившейся и полностью обоснованной теории. Так что причин для особенной радости нет, следует лишь скорбеть о том, что теория не подтвердилась или, во всяком случае, на нее брошена тень.
Но физика двадцатого века как раз и характеризуется такими конфликтными ситуациями, когда новые опыты, новые данные коренным образом изменяют все наши взгляды на строение материи.
Вспомним хотя бы поистине драматический результат знаменитого опыта Майкельсона, похоронившего навсегда таинственную межзвездную субстанцию — мировой эфир.
Ведь именно этот «неудачный» эксперимент, показавший, что скорость света не зависит от движения источника, послужил основой специальной теории относительности Эйнштейна, перестроившего всю теоретическую физику.
Вот почему с таким вниманием физики всего мира встретили сообщение о феноменальных результатах серпуховских ученых.
Наверняка можно сказать одно: наши представления о том, как происходит столкновение частиц высоких энергий, сильно заколебались. И соответственно заколебались основы современных воззрений на структуру микромира.
Серпуховский эксперимент еще раз доказывает, что мы накануне решающих событий в физике микромира.
Она возникает с помощью мощного магнитного поля — старинного врага сверхпроводимости.
Уникальный эксперимент ташкентских ученых — в самый очаг подземных бурь опущена сейсмо-аппаратура.
Достичь нулевого сопротивления далеко не просто. Не всегда достаточно охладить металл до температуры жидкого гелия. Малейшие примеси могут свести все на нет, поэтому очень трудно изготовить сверхпроводящую проволоку значительной длины: она становится сверхпроводящей лишь на коротких отрезках. Но даже если нуль сопротивления достигнут, это неустойчивое состояние легко срывается под действием магнитного поля.
Однако канадские ученые Яхья, Ли и Фурнье из Монреальского университета открыли новое явление, ранее совершенно неизвестное. Они достигли сверхпроводимости именно с помощью магнитного поля. Оказалось, что если кристаллы галлия охладить до 4 градусов выше абсолютного нуля (типичная температура свободного кипящего жидкого гелия) н ориентировать определенным образом в магнитном поле, то при повышении его напряженности до двух тысяч градусов н выше внезапно, скачком исчезает сопротивление кристалла! При этом сверхпроводимость получается достаточно устойчивая — на нее не влияют ни примеси, ин изменения температуры в пределах 2—4 градусов по шкале Кельвина.
Новое явление можно объяснить с помощью недавно созданной теории так называемого «магнитного пробоя». Этот подход базируется на квантовой теории строения тел. Если представить себе такое пространство, в котором размещение электронов соответствует не их геометрическому местоположению, а характеризуется их скоростями н импульсами, то тогда все частицы, имеющие одинаковую энергию, но различные направления, разместятся в этом воображаемом пространстве на поверхности шара. Частицы с другой, но одинаковой для всех энергией тоже займут поверхность шара с другим радиусом. А мощное магнитное поле способно «сорвать» частицы с поверхности и перекинуть на другую — это и есть магнитный пробой. Этот «срыв» и создает сверхпроводимость.
Каковы перспективы практического использования этого открытия! Пока рано судить, но одна идея сразу приходит в голову — это еще один способ запоминания информации.
Необычный опыт начался в Ташкенте, где по просьбе Института сейсмологии Академии' наук Узбекской ССР пробурена глубокая скважина. Это на правом берегу канала Анхор, где со временем намечено разбить парк. Сегодня здесь расположилась передвижная сейсмическая станция Института физики Земли Академии наук СССР. Начальник станции И. Спесивцев, научный сотрудник П. Троицкий. Им поручено провести операцию — «погружение сейсмоприемника в гипоцентр — очаг землетрясения».
Скважина — полая металлическая труба диаметром около 15 сантиметров. Она уходит в глубь Земли на два с половиной километра. В эту скважину предстояло опустить «торпеду». Она чуть больше человеческого роста.
Одним концом «торпеда» прикреплена к каротажному кабелю. По этому кабелю-тросу и будут передаваться на поверхность земли электрические сигналы, вызванные в приборах сейсмическими волнами.
Что известно о месте земной коры, в которое «воткнута» эта скважина? Пока что очень немного. Когда говорят о гипоцентре, то чаще всего применяют эпитеты «таинственный», «загадочный», «странный». Как засвидетельствовали геологи, опытная скважина попала в один из очагов повторных толчков ташкентского землетрясения. Движение горных пород в этом кусочке земной коры вызвало семибалльное землетрясение 4 июня 1966 года.
«Потрескивание» горных пород в недрах продолжается до сих пор, хотя вызываемое ими сотрясение почвы очень слабо и не беспокоит город. Эти толчки, частота повторения которых нынче составляет один-два в месяц, регистрируют чувствительные приборы Центральной сейсмической станции «Ташкент».
Скважина уже сослужила свою первую службу. Она позволила добыть удивительное вещество: пробу горной породы из очага землетрясения. Это продолговатый серо-розовый цилиндрик. Кропотливое изучение пробы расскажет о величине напряжений, при которых рушатся горные породы. Она поведает о изменениях, которые возникают в кристаллических решетках минералов под воздействием сил, рождающих землетрясения. Небольшие кусочки вещества из очага подземных бурь сообщат и многие другие ценные сведения.
Но в чем преимущество регистрации сейсмических сигналов на глубине? Во-первых, там аппаратуре почти не мешают промышленные и атмосферные помехи, которые иногда вносят заметные искажения в записи наземных сейсмических станций. Вероятно, на «рабочей глубине» скважины — 2100 метров — фон, вызываемый помехами, будет примерно в тридцать раз меньше, чем на поверхности земли. Это предположение основывается на опытах в Алма-Ате, где сейсмометрическая аппаратура в глубокой скважине регистрировала сверхслабые подземные толчки, которые характерны н для «умирающего» ташкентского землетрясения.
Регистрировать сверхслабые толчки — микро землетрясения — очень важно. Дело в том, что
удалось выявить некоторую закономерность их возникновения. Так, например, незадолго до ощутимого подземного толчка, после непродолжительного сейсмического затишья, появляются сейсмические предвестники — слабые предваряющие толчки. По ним можно прогнозировать приближение сильного подземного удара. Первичные толчки обязательно обнаружит аппаратура в скважине.
В очагах землетрясений рождаются и звуковые волны. Поэтому в гипоцентр намечено также опустить геофон — специальный микрофон, позволяющий записывать голос недр на микрофонную пленку. Опыты с этим прибором в Ташкенте проводились летом 1966 года. Тогда геофон был опущен в пятисотметровую скважину, которая находилась за пределами эпицентра местного землетрясения. Конечно, гораздо интереснее и важнее записать голос недр непосредственно в очаге землетрясений.
Напомним об известном факте — в угольной промышленности страны используют акустический способ прогнозирования ненормальностей в состоянии горных пород. Такой метод за сутки предупреждает горняков об угрозе обвала.
Исследователи предполагают, что перед главным подземным толчком в недрах возникают предупреждающие шумы. Ведь разрушение начинается с мелких разрывов, а уже потом порода рушится в больших масштабах. А это значит, что изучение предупреждающих шумов открывает еще один путь к прогнозу землетрясений — актуальнейшей проблеме нашего века.