鋁熱劑 鐵路為甚麼不需要伸縮接頭？

在《真理之源》的先前內容中，我們了解到漢斯·戈德施密特發現了金屬氧化物， 與銹類似，可與鋁粉反應生成純液態金屬。 此類反應稱為鋁熱反應。 起初，鋁熱劑的應用範圍有限，僅用於遠離都市地區的重型機械修復工作。 它更常見的用法，也就是今天廣泛使用的那個，則需要更多的說服力。 有一種聲音，所有人都會把它與鐵路聯繫起來。 這是火車輪子經過鐵軌與鐵軌之間接縫時所發出的聲音。 在鐵路發展的早期，鋼鐵廠生產的鐵軌長度約為12米。 然後，在野外這些軌條是用魚尾板固定在一起的。 這將在鐵軌的各段之間產生一些微小的空隙 並產生這種類似簽名的聲音，就是「嗒嗒、嗒嗒」，對吧？ 而且每個想到鐵路的人，腦海裡都會浮現這種噠噠、噠噠、噠噠、噠噠的聲音。 即使我們現在不再聽到了。 但我們仍然會想像它，因為那種乘火車的聲音實在太具代表性了。 軌道會發生彎曲，導致列車搖晃晃動。 同時也會增加車輪的磨損，並在軌道上產生震動。 因此，它需要頻繁維護。 因此，你可能會認為，在發明鋁熱劑之後， 鐵路公司會對用液態金屬焊接鐵軌感到興奮。 但情況並非如此。 他們永遠不會想到去焊接它們。 如果他去找鐵路經理並告訴他們， 我是漢斯·戈德施密特醫生，我有一種方法可以將你的拇指焊接在一起。 對這些鐵路經理來說，這聽起來會更有用。 比他實際提出的焊接鐵軌方案還要多。 要知道，鐵軌之間的縫隙被認為是必不可少的。 由於鐵路全年都暴露在自然環境中。 因此，它們在冬天遇冷時會收縮，夏天遇熱時則會膨脹。 40攝氏度的溫度上升會導致一段12米長的鐵軌伸長6毫米。 由於鐵軌之間沒有留縫，人們預期數公里長的鐵路會因膨脹而扭曲變形。 導致最糟糕的後果，列車脫軌。 所以如果有人提出建議，我們就只是把所有的軌道連接起來。 那會是一個糟糕的主意。 那會是一個糟糕的主意。 鐵軌越長，縫隙越大，問題也越嚴重。 現在有人說，嘿，我可以做出無限長的鐵軌，對吧？ 這只會造成無限的問題。 最早真正願意討論這個問題的是有軌電車的軌道。 有軌電車的軌道位於城市中，嵌入街道之中。 有軌電車的鐵軌要小得多。 所以，你知道的，力量要小得多。 因此，電車軌道是最早引起興趣的那些。 我們該怎麼才能徹底消除這個噠噠聲呢？ 因為它有點討人厭，你知道的，就在路中央。 那基本上是最初的嘗試。 而且我認為是在埃森，然後在其他城市。 在這段影片中，我有機會使用熱劑焊接技術將兩根鐵軌焊接在一起。 我將帶你走完這個過程中的八個步驟。 首先，我會向你展示我是怎麼做的。 天啊，這真是太難了。 然後我們會將其與專業人士的做法進行比較。 所有實驗均在專業人員的監督下進行。 採取適當的安全預防措施。 好的，我們現在在德國鄉間。 今晚他們將焊接這根鐵軌。 今晚他們要焊大約150個接頭。 當你真正焊接鐵軌時， 你希望在鐵軌的中性溫度下進行。 那是鋼軌應無應力時的預設溫度。 並且隨著那段鐵軌的溫度變化 你正在焊接的部位應該沒有任何張力。 當氣溫低於這個程度時，就會出現負向張力。 當氣溫升高時，會產生積極的緊張感。 而且我們當時在德國拍攝，正值夏季， 他們在鐵軌冷卻後於夜晚進行焊接。 起初，當鐵軌鋪設完畢時， 它們被放置得彼此接觸。 因此，焊接鐵軌的第一步是製造一個縫隙。 我們將把液態鎢鐵鋼倒入其中。 因此，你必須從一根鐵軌的末端剪掉大約2.5公分。 這可以用圓鋸完成。 我們開始吧。 切割鐵軌。 在野外，他們用火焰切割器縮小了彼此之間的差距。 下一步是將鐵軌對齊，使焊縫能夠形成無縫連接。 兩條鐵軌都必須稍微向上傾斜，朝向縫隙處。 這是因為當液態鎢 thermite 鋼被倒入時 當它冷卻時會收縮，從而產生向內的拉力。 但這種力量在各地並不相同。 由於上方的金屬較多， 那裡有更大的力量在將鐵軌拉近。 所以鐵軌必須向上傾斜。 因此，當液態鋼水收縮後，鐵軌將會完全平坦。 現在你拿其中一個楔子，把它稍微塞到鐵軌下面。 那裡怎麼樣？ 還是像這樣，橫著的？ 向側方向會好一點。 對。 沒問題。 另一方也是如此。 我們會檢查。 目前沒有空隙。 我們需要 2.4 到 3.6。 對，來吧。 但現在這根鐵軌比這根高太多了。 我們希望兩者都能達到相同的高度。 現在我們得擊打這個楔子了。 我們一直這樣做，直到達到正確的高度為止。 好的，停下來。 除了垂直對齊之外，鐵軌還必須進行水平對齊。 如果我們從這裡來看， 直邊與鐵軌之間有一個很大的空隙。 那裡有一個差距。 而且他們需要…… 我們需要這邊再高一點。 是的。 而且這個過程令人懊惱，因為試圖將它們水平對齊。 打亂垂直對齊，反之亦然。 我很幸運有別人幫忙，否則我會在這裡待上幾個小時。 當我們終於完成那件事後， 我們在鐵軌的頭部和尾部再次確認了對齊情況。 我們發現了一件令人恐懼的事。 我們的鐵軌扭曲了。 儘管兩條鐵軌在頂部都已對齊， 一條鐵軌相對於另一條略有扭曲， 你可以從它的腳部未對齊的情況看出這一點。 這裡允許的最大公差為兩毫米。 是的。 這裡超過兩毫米。 所以我們必須把鐵軌扭直。 這當然破壞了垂直和水平對齊。 因此我們不得不重新來過。 我們是不是越來越接近了？ 但在野外，這些人卻能如此快速而輕鬆地對準槍管。 這真的是一門藝術。 現在我們可以調整夾緊裝置。 這將用來固定模具鞋和預熱噴槍。 預熱火焰噴槍將放置在這裡。 我們將用這裡的臂桿將模具固定在原位。 好的。 下一步，我們將對齊燃燒器。 正確對齊火炬真的非常重要 使鐵軌兩側均勻受熱。 我的意思是，我觉得它看起来相當不錯。 但或許有點像那樣。 所以也許可以稍微調整一下。 有一個模具和一個模芯給你。 接下來，我們將模具放入模腳中。 將它們固定在夾具上。 排好隊。 並對齊兩側。 密封必須要防水 由於液態鋼的流動性與水相同， 但密度幾乎高了八倍。 因此，如果密封不當， 鋼鐵就會直接流出來。 看起來不錯。 我希望如此。 我沒想到我們第一次嘗試就能做到這麼好。 剛剛在對齊鐵軌時就遇到了麻煩。 最初，對齊軌道是最困難的部分之一。 瘋狂。 所以這是沙子，就像海灘上的沙子一樣。 不，它內部的泥比較多。 它能固定並密封。 我會開始封死這邊。 是的。 你可以開始封死這邊。 我開始用手封口 我會用這個阻尼裝置將其壓縮。 為了確保液態金屬不會溢出， 我們在兩側全部額外添加了沙子。 因此，絕對沒有任何空隙。 然後就是其中最重要的步驟之一了 預熱鐵軌。 把它裝上，擰緊螺絲， 然後打開閥門。 我們還在玻璃後方準備了一個示範展示 因此我們可以觀察焊接過程， 包括預熱在內。 預熱對於幾個原因來說是必不可少的。 首先，它會去除所有濕氣 以及模腔內的其他揮發性物質， 這將在鋼水澆注時產生氣泡。 其次，它會讓鐵軌的兩端變得非常燙。 這一點至關重要，因為熱傳遞速率 取決於溫度的差異 兩種材料之間。 如果我們倒入液態鋼鐵 在兩個室溫軌道之間， 液態鋼水會迅速冷卻 這是一個問題。 我們將加熱兩段鐵軌。 我們會在水中迅速冷卻下來。 另一個我們會用沙子冷卻。 如此緩慢。 只是想展示硬度是如何增加的 根據冷卻時間而定。 現在你試著把它打破。 其實很難彎曲。 是啊，很難彎曲。 就是那個在水裡的。 是的，我們把它冷卻得非常快。 這就是破解它的方法。 現在你看到了鋼鐵的結構是如何改變的。 它非常容易破裂。 那是因為當鋼材快速冷卻時， 碳原子被鎖在晶格中。 創造出這種針狀的微結構。 這便形成了一種稱為馬氏體的鋼。 馬氏體確實很硬，但也非常脆。 由於晶格已無法再吸收能量 不破裂地。 現在我們可以看一下鐘錶了。 是的。 我們還有1分30秒就要再次把它移除了。 好的。 下一步是點燃鋁熱劑。 這很重要，必須這麼做 就在我們關掉預熱後。 五、四、三、一。 所以我把插頭插入了模具中。 然後是上面的鋁熱劑桶 然後我點燃了它。 天啊！ 因此，熱劑反應正在內部進行。 我們正在製造熔融鋼鐵，同時也在製造熔融氧化鋁。 所有這些示範影片拍攝起來都極其困難。 因為它們將會多出許多許多個數量級 比正常場景更明亮。 因此，僅僅獲得曝光就是一個巨大的挑戰。 這讓我想到某件事 那是某物熱輻射出的功率嗎 與溫度的四次方成正比。 因此，溫度的微小上升 導致電力大幅增加。 在上一個影片中， 我們透過玻璃展示了審判室內發生的一切。 所以你可以看到液態鋼鐵 而液態氧化鋁則形成並分離出來。 然後液態鋼水從底部滴落下來。 好了，這裡我們可以看到液態鋼鐵 落入窠臼。 因此，液態鋼水首先流入。 而且一直延伸到最底部。 接著，爐渣開始流出。 但由於氧化鋁的密度低於鋼鐵， 它只會浮在上面 並從兩側流出至爐渣盤中。 這樣就能確保我們不會產生爐渣 與液態鋼水混合在一起。 太棒了。 是的。 那真是太驚人了。 哇哦。 那真是太棒了。 現在我們只能等待。 我們需要讓鋼鐵冷卻足夠長的時間，以確保它完全凝固。 但不要太長，以免鋼鐵和爐渣過多 很難清除。 你必須掌握正確的時間。 他怎麼想？ 你們告訴我它已經不是液體了。 我相信你。 兩分鐘過去了。 那我們再等30秒。 那段时间過去後， 是時候徹底清理這個焊縫了。 因此，我們可以移除爐渣盤和模具鞋。 我們把這個模具的頂部掰斷。 這些真的是一次性模具。 他們在這個過程中被摧毀。 現在你把它放在一旁。 把它放入爐渣槽中。 沒問題。 然後我們使用了一種可產生高達20噸力的焊點剪切機 將焊縫上方多餘的鋼材剪除。 然後在那之後， 我們敲掉了剩下的多餘部分。 其實挺有趣的。 我喜欢那一步。 下一步是打磨焊縫 所以它的水平正好與鐵軌相同。 顯然，火車經過時，你不會希望有任何起伏。 而且你也不希望有任何縮排。 因此，這道研磨步驟非常重要。 因此我們將其安裝在研磨機上 並將其研磨至僅剩最大一毫米的材料為止。 我們試圖僅在焊縫上方進行打磨。 是的。 通常分為兩個階段進行。 首先，進行一次粗磨， 然後再進行更細的研磨。 我們只磨了頂面。 是的。 我們沒有打磨運行的側面。 是的。 你必須把研磨裝置放下，並握住所有東西 所以它比我們之前完成的部分還要重。 那真是粗暴的磨削啊。 我正在流汗。 就像一場嚴肅的鍛煉。 場地裡的那些人明顯比我更擅長在鐵軌上磨礪。 因此他們便繼續前行， 留下一段依然發燙發亮的鐵軌在他們身後。 這段影片可能有百萬人正在觀看。 他們騎過你其中一個熱劑焊接點的可能性有多大？ 他們會。 百分之百？ 百分之百。 世界上任何地方？ 世界上任何地方。 當然，有些國家我們並非市場領先者。 但最終，他們將騎駛過我們的焊縫之上。 我們 juste把它切下來，然後拿去金屬實驗室。 那很沉重。 那是我的焊縫。 我的第一個熱劑焊接。 天啊，好熱。 這就是你昨天所做的事。 現在我們可以把它放入酸中了。 酸對表面有什麼作用？ 酸會腐蝕鋼鐵。 但由於鋼鐵內部晶體的取向並不相同， 酸性物質對它的侵蝕方式並非各地相同。 由於這一點有所不同，你可以看到不同的結構。 你可以看到鐵軌上熱影響區的一些細微結構。 以及在，例如，融合區域。 我可以碰嗎？ 是的。 是的，你其實根本感覺不到。 這是微觀基礎。 是的。 你感覺不到的。 有趣的是，你能看到它，但卻不能…… 是的。 這條線非常微妙。 我的意思是，你甚至能看見晶體的不同結構。 在焊縫中，你可以看到三個不同的區域。 正常的鐵軌位於兩側，紋理為水平方向。 由於它在鋼廠裡滾壓的方式。 中間是鋁熱鋼。 你仍然可以看到一點水平紋理， 但這裡並非來自鋼材的軋制。 由於這只是由液態固化而成。 相反，它是從兩側向中心移動的凝固前緣所形成。 當兩側的水晶相遇時， 它會產生微小的顯微孔洞， 導致中心出現一條較暗的線。 現在，鋁熱鋼的邊界並不清晰， 因為當液態鋼水流入時， 它實際上融化了一部分鐵軌。 這有助於建立牢固的連結。 一個良好的焊接，僅需一層原子融合就已足夠。 但我們正在施工現場使用此流程。 在建築工地， 並非所有事情都能像實驗室裡那樣處理得完美無缺。 差距並非總是百分之百相同。 因此，我們需要一種在建築工地具有強大功能的設備。 在德國，法規規定每根鐵軌必須熔掉約三毫米。 最後的區域位於普通鐵軌與鋁熱鋼之間。 這鋼鐵並沒有熔化。 但它受到了足夠的熱量，導致晶體結構發生了改變。 導致晶粒結構更細小。 這被稱為熱影響區。 如果測量焊縫處的硬度， 這個區域實際上是最弱的。 就硬度和產量而言 使鋼材永久變形所需的力的大小。 因此，如果焊點破裂，幾乎總是在這裡。 那就是你在那處巨觀蝕刻上可以看到的線條。 熱劑？ 那就是融合線。 現在我們看到的是軌道密封，經過熱影響的區域。 因此，鋼材的結構會因加熱後再重新結晶而改變。 那麼，我想問的是，經過焊接的鐵軌究竟有多強？ 在戈爾德施密特，他們實際上會取用已經焊接好的鐵軌段落 並在失效前持續測試它們。 基本上每200個，我們就會製作一個測試焊點 並從化學的角度進行分析， 我們從硬度的角度來分析它， 並對彎曲進行分析。 這是彎曲壓力機。 他們把它放進去了，對吧？ 然後力量從上方向下傳遞，並摧毀它。 我們測量速度，也測量力量。 我覺得它好像有點在用力。 所以我們正在加載那個焊點，把它彎曲直到斷裂。 看見那條曲線在走嗎？ 我們想看看需要多大的力量才能折斷它 以及那個斷裂點確切的位置。 140噸。 現在情況變得非常偏離軌道了。 150噸。 哦，那真是太酷了。 我原本只是預期會出現那樣的裂痕，以為會導致災難性失敗。 超過150噸。 因此我們認為裂縫是由下往上擴展的。 因為它正被那樣往下壓。 所以這情況處於極大壓力之下。 因此它在這裡受拉力作用而破裂，沿著這個方向撕裂。 因此不會在焊接中途破裂。 你說的是它旁邊的這個區域， 這是一種先前在焊接過程中受熱的軌道材料。 實際上更弱。 是的。 每年約有二百萬次焊接是使用熱劑進行的。 而且大約一半的人使用戈德斯米特的熱劑。 現在每道焊縫約產生兩點五公分的鐵軌。 因此，每年總共會用液態鋼鐵建造50公里的鐵路。 你有一個非常嚴苛的流程 而且你必須確保具備某些特性 關於彎曲，關於拉伸，關於硬度。 這是一個需要大致重複的過程 每一次，每一次，每一次，一年一百萬次。 因此，隨著全球不斷延伸的連續焊接鐵軌， 為什麼夏天受熱時不會變形呢？ 因為還有另一種方法可以改變鐵軌的長度。 好的，想像一段鐵軌。 如果我們用一台強大的機器從兩側同時推它， 它會稍微縮短。 反之，如果我们拉動鐵軌，它就會變長。 因此，你可以利用機械應力來改變鐵軌的長度。 長度的微小變化稱為應變。 如果你繪製應力與應變之間的關係圖， 你會發現它具有線性關係，至少在彈性變形範圍內是如此。 只要施加的應力不太大， 當應力被去除時，軌道將恢復到其原始長度。 這一點至關重要，因為只要我們持續這樣做， 我們有兩種改變長度的方式，分別是熱力和機械方式。 我們可以用一個來補償另一個。 當鐵軌因受熱而想要膨脹時，我們可以使用機械力來壓縮它。 這就是枕木和道砟的作用。 枕木將軌道固定，道砟則將枕木鎖定在原位。 因此，隨著溫度升高，鐵軌並不會變長。 相反，鐵軌中的應力，壓應力會增加。 鐵軌僅向頂部和側面擴展，這些部位沒有受到約束。 值得一提的是，鐵路通常使用 盡可能高的中性溫度。 因為鐵軌在冬季收縮過多，並在張力作用下出現裂縫 比夏季膨脹過度而導致拱起的情況要好處理得多。 使用這種方法也更容易檢測到裂縫軌道。 導電度的測量值會高於一個發生彎曲的樣本。 因此，熱脹冷縮現象會被機械應力所抵消。 這就是為什麼鐵路不需要伸縮縫的原因。 它讓列車行駛更快，顛簸和震動更少，維護成本也大幅降低。 實際上，格雷迪在「實用工程」頻道裡為此製作了一整支影片。 而且非常出色，我會推薦它。 到目前為止，我們已經見過常規條件下的鋁熱劑。 能夠精確調校以保護鋁熱劑免受環境影響的條件。 但在下一期關於鋁熱反應的內容中，我們將了解當情況並非如此時，會發生什麼事。 我們將學習在這些條件下如何使用熱劑。 所以相信我，你絕對不能錯過第三部分。 我的手在發抖。 是吧？ 請確保您已訂閱，以便在該影片上架時收到通知。