8.Физические и физико-химические свойства грузов.

Физико-химические и физические свойства грузов

Физико-хи­мические свойства характеризуют состояние груза, его способность вступать во взаимодействие с окружающей средой, вредно воздей­ствовать на подвижной состав, складские емкости, ПРМ, другие грузы, а также на здоровье людей. Физические свойства грузов определяют различные характери­стики, связанные с физическим состоянием груза.

Гранулометрический состав характеризует количественное рас­пределение частиц (кусков) насыпных и навалочных грузов по их размерам. В зависимости от гранулометрического состава насып­ные и навалочные грузы делят на группы (табл. 2.4). Гранулометрический состав оказывает значительное влияние на такие свойства груза, как сыпучесть, гигроскопичность, способ­ность к слеживанию, смерзанию и уплотнению.

 

Таблица 2.4

Группы грузов по гранулометрическому составу

 

Группа грузов	Размер типичных частиц, мм
Особо крупные	Более 320
Крупнокусковые	160... 320
Среднекусковые	60...160
Мелкокусковые	10...60
Крупнозернистые	2...10
Мелкозернистые	0,5...2
Порошкообразные	0,05...0,5
Пылевидные	Менее 0,05

 

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

Углом естественного откоса называется двухгранный угол, об­разуемый 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 в покое больше, чем в движении. Под воздействием динами­ческих нагрузок, особенно при вибрации, угол естественного от­коса может уменьшаться до нуля. В табл. 2.5 приведены значения угла естественного откоса в покое и в движении для наиболее рас­пространенных грузов.

Таблица 2.5

Величина угла естественного откоса

 

Груз	Угол естественного откоса, град.
	в покое	в движении
Каменный уголь	27...45	20...40
Кокс	30...35	27...31
Гравий	30,5...45	38...39
Торф	45...50	39...45
Щебень	40...45	35...40
Песок	34,5...40	35
Глина	40...45	37...41,5
Руда	35...37,5	36

 

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

                                                     = с +   tg_тр,                                          (2.18)

где  – касательное напряжение сдвига, Н/мм²; с – сопротивление разрыву частиц груза, Н/мм²;  – напряжение сжатия, Н/мм²; tg_тр – коэффициент внутреннего трения; _тр – угол внутреннего трения, град.

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 плохо сыпучие грузы – вязкие ма­териалы. С повышением влажности груза возрастают 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 груза и оценивается коэффициентом сква­жистости:

                                                       ,                                            (2.19)

где V_шт – геометрический объем штабеля груза, м³; V_г – объем груза без учета суммарного объема пустот между отдельными его частицами, м³.

Пористость характеризует наличие и суммарный объем внутренних пор и капилляров в массе груза и оценивается коэффици­ентом пористости:

                                                           ,                                                (2.20)

где V_к – суммарный объем внутренних пор и капилляров, м³.

Способность уплотняться характеризуется коэффициентом уплотнения:

                                                           ,                                              (2.21)

где  ,   – объем груза соответственно до и после уплотнения, м³.

Уплотнение происходит под действием на груз статических сил или динамических нагрузок, за счет заполнения пустых пространств и более компактного расположения отдельных частиц груза отно­сительно друг друга. Степень уплотнения значительно зависит от гранулометрического состава, пористости и скважистости груза (табл. 2.6), является важным фактором повышения статической нагрузки подвижного состава.

 

Таблица 2.6

Коэффициент уплотнения некоторых грузов

 

Груз	Коэффициент уплотнения
Гипс	1,14...1,52
Формовочная земля	1,13...1,34
Мука	1,08...1,13
Песок	1,19...1,29
Торф	1,11...1,14
Цемент	1,15... 1,19

 

Хрупкость – способность некоторых грузов при механическом воздействии разрушаться, минуя состояние заметных пластичес­ких деформаций. При выполнении погрузочно-разгрузочных работ и транспортных операций хрупкие грузы необходимо укладывать и закреплять в соответствии с предъявляемыми требованиями, избегать бросков, ударов, па­дений отдельных грузовых мест. Тара и упаковка должны быть исправны и обеспечивать сохранность груза от разрушения. К хрупким грузам относятся изделия из стекла и керамические изделия, различная аппаратура, приборы, шифер. Некоторые грузы могут приобретать свойство хрупкости при пониженной температуре, например оло­во при температуре ниже -15 °С, резина -50...-45 °С.

Пылеемкость – способность груза легко поглощать пыль из окружающей атмосферы. Поглощение пыли приводит к порче ма­териалов или вызывает необходимость очистки продукции от пыли перед употреблением в производстве. Повышенной пылеемкостью отличаются ткани, меховые изделия, грузы повышенной влаж­ности.

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, торфа и других грузов.

Пыль обладает повышенной способностью адсорбировать из окружающей среды газы, пары и радиоактивные материалы, что особенно вредно при повышенной радиации и наличии в воздухе отравляющих веществ. 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 специализированные подвижные составы и погрузочно-разгрузочные механизмы, устанавливать фильтры в вентиляционных устройствах скла­дов пылящих грузов, укрывать поверхности грузов и т.п.

Абразивность – способность груза истирать соприкасающиеся с ним поверхности тары, подвижного состава, погрузочно-разгрузочных механизмов и сооружений (одно из отрицательных свойств некоторых рудных гру­зов). Пылевидные частицы рудных грузов, обладающих абразив­ными свойствами, оказывают вредное влияние на организм чело­века, находящегося в зоне пыления, и особенно на дыхательные пути. Абразивность зависит от твердости частиц груза, которая оценивается по шкале Мооса. Так, по шкале Мооса 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. При работе с абразивными грузами необходимо принимать меры к предотвращению пыления и попадания частиц груза на трущие­ся поверхности подвижного состава и погрузочно-разгрузочных механизмов.

Слеживаемость – способность отдельных частиц груза сцеплять­ся, прилипать к поверхности тары, 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, цемент, сахар. При выполне­нии погрузочно-разгрузочных работ и складских операций с такими грузами необходимо прежде всего восстановить их сыпучесть.

На степень слеживания оказывают влияние режим хранения и местные климатические условия, свойства и характеристики самого груза: 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 и повышается сте­пень слеживания. Для снижения степени слеживания необходимо стремиться к тому, чтобы груз имел гранулометрически однород­ный состав, а его отдельные частицы – гладкую поверхность и близкую к шарообразной форму.

Способность груза к слеживаемости возрастает при наличии в его массе примесей, растворимых в воде. Если слеживаемость про­дукта обусловлена давлением его поверхностных слоев, степень слеживания увеличивается с ростом влажности груза. В хорошо ра­створимых грузах повышение влажности приводит к образованию насыщенного раствора, при высыхании которого образуется проч­ная корка. В некоторых грузах влага стимулирует химические процес­сы, способствующиеслеживаемости продукта. Сильному слежива­нию подвержены все гигроскопичные, растворимые в воде грузы.

Прочность и степень слеживания продукта находятся в прямой зависимости от времени хранения или перевозки и высоты штабе­лей груза. Особенно заметно, что с увеличением высоты штабеля возрастает степень слеживания малогигроскопичных грузов. Быст­рота слеживания продукта зависит от его температуры. При резкой смене 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, поверх­ность груза покрывают брезентом, пленкой и т. п.

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

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, Пас, определяет коэффициент внут­реннего трения. Сила внутреннего трения F между двумя слоями жидкости

                                                          ,                                               (2.22)

где S – площадь слоя жидкости, м²; dv/dx – градиент скорости движения слоев жидкости в направлении х, перпендикулярном направлению движения, с^-1.

Кинематическая вязкость v, м²/с, определяется соотношением динамической вязкости жидкости к ее плотности:

                                                             ,                                                  (2.23)

где р – плотность жидкости, кг/м³.

На практике для оценки текучести жидкости чаще используют понятие условной вязкости. Условная вязкость жидкости измеря­ется в градусах Энглера, которые определяют отношение времени истечения, с, 200 см³ продукта из вискозиметра ко времени исте­чения, с, из того же прибора 200 см³ дистиллированной воды при температуре 20 °С.

С понижением температуры вязкость жидкостей увеличивается. 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. Повышенная вязкость наливных грузов вызывает снижение ско­рости их перекачки и увеличивает потери продукта в результате налипания частиц на внутренние поверхности кузова подвижного состава.

По степени вязкости и температуре застывания жидкие грузы подразделяют на четыре группы (табл. 2.7).

 

Таблица 2.7

Классификация жидких грузов по степени вязкости

 

Группа	Груз	Условная вязкость при температуре 5 °С, условные единицы	Температура застывания, °С
1	Глицерин, мазут прямой  перегонки, автол	5...15	-15...0
2	Бензол, растительное масло	16...25	1... 15
3	Жидкий каустик, нефть,  патока, серная кислота	26...40	16...30
4	Битум, гудрон, спичечный парафин, каменноугольная смола	Свыше 40	Выше 30

 

Гигроскопичность – способность груза легко поглощать влагу из воздуха – объясняется различными причинами. Так, карбид каль­ция (негашеная известь) поглощает влагу вследствие своей хими­ческой активности. Гигроскопичность соли и сахара объясняется их сильной растворимостью в воде. Интенсивность поглощения влаги 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 состоянии. Различают абсолютную и относительную влаж­ность груза, которая необходима для пересчета массы груза.

Относительной влажностью груза W, %, называется отноше­ние содер­жащейся в грузе массы жидкости М_ж, кг, к массе влаж­ного груза М_в.г, кг:

                                                     ,                                          (2.24)

где М_в.г = М_ж + М_сг; М_сг – масса сухого груза, кг.

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

                                                    .                                         (2.25)

В теории чаще используют понятие абсолютной влажности, а на практике относительной, более точно отражающей содержание влаги в массе продукта. Для перевода относительной влажности в абсолютную и наоборот можно использовать следующие формулы:

                                                        ;                                             (2.26)

                                                        .                                            (2.27)

Зная нормированные и фактические значения относительной и абсолютной влажности груза, можно рассчитать нормируемую массу груза М_н следующим образом:

                                                                                             (2.28)

или                                             ,                                        (2.29)

где М_н – нормируемая масса груза, кг;  ,   – соответственно фактическая относительная и абсолютная влажность груза, %;  ,   – соответственно нормируемая относительная и абсолютная влажность груза, %.

Смерзаемость – способность груза терять свою сыпучесть в ре­зультате смерзания отдельных частиц продукта в сплошную массу. Смерзаемости подвержены руды металлов, каменный уголь, ми­нерально-строительные и формовочные материалы, глина и др.

Прочность и глубина замораживания массы груза зависят от длительности воздействия отрицательной температуры окружающей среды, гра­нулометрического состава, влажности и теплопроводности про­дукта. Наибольшей смерзаемости подвержены при прочих равных условиях грузы с повышенной влажностью и неоднородным гра­нулометрическим составом. Процесс замораживания и размора­живания навалочных грузов происходит достаточно медленно вслед­ствие низкой их теплопроводности (до 6,28 кДж/м²).

Стандартами и техническими условиями для различных грузов установлены пределы безопасной влажности, при которой груз не смерзается: каменный уголь – 7 %, бурый уголь – 30 %, песок – 1,25 %, медные руды – 2 %.

Морозостойкость – способность груза выдерживать воздействие низкой температуры, не разрушаясь и сохраняя свои качествен­ные характеристики при оттаивании. Особенно неблагоприятно низкая температура воздействует на свежие овощи и фрукты, жид­кие грузы в стеклянной таре, некоторые металлы и резинотехни­ческие изделия.

Спекаемость – способность частиц некоторых грузов сливаться при повышении температуры продукта. Спекаемости подвержены гудрон, асфальт, песок, агломераты руд. Предотвратить спекае­мость практически невозможно.

Теплостойкость – способность веществ противостоять разви­тию биохимических процессов, разрушению, окислению, плавле­нию или самовозгоранию под действием высокой температуры. Наи­более неблагоприятное воздействие высокая температура оказыва­ет на грузы растительного и животного происхождения, камен­ный уголь, торф, сланцы, легкоплавкие вещества.

Огнестойкость – способность груза не воспламеняться и не изменять своих первоначальных свойств (прочность, цвет, форма) под воздействием огня. Огнестойкость характерна для ограничен­ного числа грузов, большинство же грузов под воздействием огня сгорают, разрушаются или теряют свои первоначальные свойства. Химические свойства грузов определяют их особенность взаи­модействия с внешней средой и характеризуют протекающие в них процессы.

Самонагревание и самовозгорание происходит под действием внут­ренних источников теплоты – химических и биохимических про­цессов, протекающих в массе груза и повышающих его температу­ру.

Самонагреванию подвержены зерно, волокнистые материалы, сено, жмых, торф, сланцы, каменный и бурый уголь и др. Самонагревание грузов сельскохозяйственного производства объясняется наличием процесса дыхания продуктов, жизнедеятель­ностью микроорганизмов и сельскохозяйственных вредителей. Вследствие малой теплопроводности таких грузов их температура повышается, что в конечном итоге приводит к порче, обуглива­нию или самовозгоранию продукта. Создание благоприятных условий перевозки и хранения, ак­тивная вентиляция груза позволяют предотвратить или замедлить биохимические процессы, снизить интенсивность жизнедеятель­ности микроорганизмов и вредителей, обеспечить своевременное удаление выделяющихся углекислого газа и теплоты. Процесс самонагревания руд, рудных концентратов, торфа и других веществ объясняется химической реакцией взаимодействия с кислородом, содержащимся в воздухе. Реакция окисления со­провождается выделением и накоплением теплоты в массе груза, что ускоряет реакцию окисления. Если не обеспечить отвод тепло­ты 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 кислород другим веществам. Примесь окислителей может вызвать возгорание 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.

Некоторые окислители вместе с органическими веществами способны к образованию взрывчатых смесей, взрывающихся вслед­ствие детонации, трения или удара (жидкие щелочи, соли, кисло­ты, минеральные удобрения, пероксид водорода). Перевозка активных окислителей требует принятия мер к ней­трализации их коррозирующего воздействия на металлические ча­сти подвижного состава и погрузочно-разгрузочных механизмов.

Коррозия – разрушение металлов и металлоизделий вследствие их химического или электрохимического воздействия с внешней средой. Скорость коррозии увеличивается с повышением влажнос­ти и температуры воздуха, его загрязнения угольной пылью, зо­лой, хлоридами или газами (особенно сернистыми). Повышенная загазованность крупных городов, кроме негативного воздействия на здоровье людей, приводит к ускоренному выходу из строя ме­таллических частей машин, строительных конструкций и архитек­турных памятников в результате коррозии. В целях защиты от коррозии в процессе перевозки металлы и металлоизделия тщательно упаковывают, покрывают антикорро­зионным смазочным материалом открытые части, не допускают совместную перевозку с грузами, являющимися активными окис­лителями. Для перевозки используют закрытый подвижной состав.

Огнеопасность – способность вещества в случае возникновения очага возгорания 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. Температу­рой вспышки называется наименьшая температура горючей жидко­сти, при которой над ее поверхностью образуются пары или газы, способные воспламеняться в воздухе от внешнего источника. 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, которая значительно выше температуры вспышки.

Взрывоопасность – способность грузов вызывать физический или химический взрыв. Взрыв – это процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежу­ток времени. В резуль­тате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии, превращается в силь­но нагретый газ с очень высоким давлением, который воздейству­ет на окружающую среду, вызывая ее движение. Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением. Физический взрыв могут вызвать сжатые или сжиженные газы. Он сопровожда­ется быстрым расширением газа и может вызвать ударную волну. Химический взрыв представляет собой реакцию окисления взрыв­чатого вещества кислородом воздуха, протекающую с огромной скоростью.

Горение взрывчатого вещества сопровождается детонацией, приводящей к мгновенному взрыву всей массы продукта и образо­ванию ударной волны. Степень опасности взрывчатых веществ за­висит от свойств и массы взрывоопасного продукта, качества тары и упаковки.

Вредность – способность паров и взвешенных частиц пора­жать органы чувств, кожный покров, дыхательные пути и легкие людей. Поражение может проявляться в виде раздражающих яв­лений, отравлений различными инфекциями и кожными болез­нями.

Ядовитость – свойство некоторых грузов, представляющее непосредственную опасность для здоровья и жизни людей. Сила дей­ствия ядовитых веществ на организм определяется их токсичнос­тью. Опасность ядовитых веществ определяется их способностью создавать опасные концентрации в воздухе при аварийных ситуа­циях.

К инфекционно-опасным грузам относятся живность, сырые жи­вотные продукты, шерсть животных, кожевенное сырье, бактери­ологические препараты.

Радиоактивность – способность некоторых веществ к радиоак­тив­ному излучению, опасному для здоровья и жизни людей. В за­висимости от физической природы радиоактивные вещества под­разделяют на три группы:

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

• источники нейтронов или нейтронов и гамма-лучей;

• вещества, излучающие альфа- и бета-лучи.

Мощность дозы излучения на поверхности упаковки радиоак­тивного груза или на расстоянии 1 м от центра поверхности упа­ковки является показателем опасности радиации.