Оценка дисперсного и элементного состава пыли при обработке отливок на участках дробеструйных аппаратов и выбивных решеток

УДК 504:351.77

ОЦЕНКА ДИСПЕРСНОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПЫЛИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ОТЛИВОК НА УЧАСТКАХ ДРОБЕСТРУЙНЫХ АППАРАТОВ И ВЫБИВНЫХ

РЕШЕТОК

В.Я. Манохин, Е.И. Головина, И.А. Иванова

Предметом исследования в работе являются опасные и вредные факторы литейного производства, к которым относится высокое содержание вредных веществ, выделяющихся на различных этапах технологического процесса. Цель работы заключается в оценке дисперсного и элементного состава пыли промышленного производства. Результаты работы определяют гигиеническое состояние рабочей зоны литейного производства. Использовался метод дисперсионного (гранулометрического) анализа, в основе которого лежит зависимость между размером (массой) и скоростью движения тела в вязкой среде (газе или жидкости) под действием гравитационных или центробежных сил. Дисперсный состав пыли определяет гигиеническое состояние рабочей зоны литейного производства, по мнению специалистов, наличие в воздухе пыли размером менее 10 мкм увеличивает опасность получения профзаболеваний, таких как пневмокониоз (силикоз), бронхит, дерматит, коньюктивит. Представлены данные рентгеноспектрального микроанализа по элементному составу пыли.

Ключевые слова: рабочая зона, концентрация, пыль, дисперсный (гранулометрический) анализ, литейное производство, элементный состав пыли, рентгеноспектральный микроанализ.

В рабочей зоне литейных цехов, кроме пыли, в больших количествах содержатся оксиды углерода, углекислый и сернистый газы, азот и его окислы, водород, аэрозоли, насыщенные оксидами железа и марганца, пары углеводородов. Состояние воздушной среды литейного производства, как правило, не соответствует требованиям к санитарно-гигиеническим нормам. Это

определяется сложностью производственных процессов в целом [1].

Вредные вещества образуются в процессе плавки металла. Образование загрязняющих веществ, химический состав пыли и отходящих газов при этом различен и зависит от состава металлозавалки и степени ее загрязнения, а также от технологии очистки литья. Особо вредные вещества выделяются при плавке сплавов цветных металлов: пары цинка, кадмия, свинца, бериллия, хлор и хлориды, водорастворимые фториды [3].

Актуальностью исследования является изучение промышленной безопасности литейного производства в связи с тем, что процессы литья сопровождаются выделением значительного количества вредных газов и пыли [2].

Задачей данной работы является оценка дисперсного и элементного состава пыли, определяющего микроклимат рабочей зоны литейного цеха на участках дробеструйных аппаратов и выбивных решеток.

Экологическая безопасность определяется микроклиматом в зоне дробеструйной установки и выбивных решеток. Технологический процесс на участках выбивных решеток сопровождается выделением значительного количества пылевых

частиц [7]. В соответствии с этим во всех случаях литейного производства должна устраиваться, кроме общеобменной вентиляции цеха, местная обеспыливающая вентиляция. На участке выбивных решеток на 1 м2 площади выделяется до 45-60 кг/ч пыли, 5-6 кг/ч оксида углерода, до 3 кг/ч аммиака. Большим количеством выделения пыли сопровождаются процессы очистки и обрубки литья. Пескоструйные и дробеструйные работы сопровождаются интенсивным выделением пыли с медианным размером 20 - 60 мкм. Содержание пыли в рабочей зоне, отводимой от камер и барабанов, составляет 2 - 15 мг/м3 [9].

Содержание пыли зависит главным образом от характера литейного производства и при литье в сырые формы в несколько раз меньше, чем при литье в сухие формы. Кроме того, при выбивке горячих отливок количество выделяемой в воздушную среду пыли значительно больше, чем при выбивке холодных отливок.

Экспериментальные данные показывают, что при обычном удельном воздухообмене в 20000 - 25000 м3/ч не удается достигнуть средней запыленности ниже 10 мг/м3, если выбиваются массивные отливки, залитые «по-сырому»[6].

Увеличение выброса загрязняющих веществ в рабочую зону является относительно кратковременным, так как обычно продолжительность технологического процесса составляет не более 1,5 - 2 ч в смену. Поэтому при устройстве общеобменной вентиляции приходится ограничиваться приведенной выше нормой в 25000 м3/ч, рассчитывая на непрерывное действие вентиляции в течение всей смены. При

производстве отливок относительно небольшой массы (несколько десятков килограмм) производительность вентиляции значительно ниже 1500-5000 м3/ч [8].

Дробеструйные аппараты основаны на использовании в производстве кинетической энергии металлических частиц (песка, дроби), выбрасываемых с большой скоростью из сопла дробеструйного аппарата струей сжатого воздуха. Дробеструйные установки, как правило, состоят из следующих узлов: струйного аппарата; рабочей камеры; транспортного механизма, подающего отливку в рабочую зону; системы возврата отработанной дроби или песка для повторного использования; системы очистки и сепарации дроби [3].

В связи с тем что условия и характер труда в зависимости от вредных и опасных факторов на

рабочих местах определяются для установления приоритетности в проведении оздоровительных мероприятий [4] и в целях улучшения условий труда при этом особенно важно не допустить проникновения мелкодисперсной пыли в зону дыхания рабочих, занятых у выбивной решетки и дробеструйных камер.

В работе использовались два метода анализа пыли: метод дисперсионного анализа и рентгеноспектральный микроанализ.

Определение дисперсного состава предоставленной пробы порошка производилось методом лазерной дифракции, реализуемой на лазерном анализаторе частиц Fritsch NanoTec «ANALISETTE 22» (рис. 1) с пакетом управляющих программ Fritsch Mas control, в соответствии с требованиями ISO 13320-2009.

Рис. 1. Оптическая часть лазерного анализатора частиц Analysette-22 ЫапвТгс: 1 - передний лазер; 2 - луч переднего лазера; 3 - измерительная ячейка; 4 - дисперсная среда, содержащая образец; 5 - рассеянное образцом лазерное излучение; 6 - детектор; 7 - задний лазер; 8 - луч заднего лазера

Для исследования частиц в анализаторе используется принцип дифракции лазерного излучения на дисперсных образцах. В работе использовалась модель Фраунгофера. Данная модель используется только для образцов с

частицами крупнее 0,1 мкм (100 нм).

По результатам проведенного анализа определен гранулометрический состав

представленных проб. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав пробы на участках дробеструйных аппаратов, % -ое содержание частиц

определенного размера

Выделенные фракции,% Размер частиц, мкм Выделенные фракции,% Размер частиц, мкм Выделенные фракции,% Размер частиц, мкм

5.0% <= 19.285 мкм 10.0% <=26.295мкм 15.0% <=30.679мкм

20.0% <=34.802мкм 25.0% <=38.617мкм 30.0% <=42.615мкм

35.0% <=46.354мкм 40.0% <=50.105мкм 45.0% <=53.895мкм

50.0% <=57.549мкм 55.0% <=61.440мкм 60.0% <=65.570мкм

65.0% <=70.497мкм 70.0% <=75.998мкм 75.0% <=82.355мкм

80.0% <=89.220мкм 85.0% <=97.614мкм 90.0% <=115.049мкм

95.0% <=162.398мкм 99.0% <=189.947мкм

В таблице 1 фиксирован размер частиц на участках дробеструйных аппаратов, в результате получено 85 % пробы меньше 100 мкм, 15 % составляют тяжелые частицы размером более 100 мкм. Частицы такого размера являются опасными для здоровья человека, так как вызывают

пневмокониозы, а при наличии пленки SiO2 -силикозы.

Отбор пыли в выбивных решетках показывает значительное количество

мелкодисперсной пыли, не осевшей в пылеуловителе [7,8].

Таблица 2

Гранулометрический состав пробы на участках выбивных решеток, % -ое содержание частиц

определенного размера

Место выделения пыли Весовое процентное содержание фракций со средним диаметром частиц, мкм

До 5 5-10 >10-20 >20-40 >40-60 >60-100 Более 100

Выбивные решетки 6,2 8,3 30,0 18,2 11,1 12,0 14,2

Низкая эффективность сухого способа пылеулавливания требует докомплектации существующих систем пылеулавливания оборудованием для улавливания пыли мокрым способом, например, скруббером Вентури.

На следующем этапе эксперимента производилось уточнение дисперсного состава пыли рентгеноспектральным микроанализом,

Данные рентгеноспектрального анализа

который заключается в определении скорости осаждения частиц суспензии под действием силы тяжести [10]. В таблице 3, 4 представлен элементный состав пыли рентгеноспектрального анализа, уловленной от участков дробеструйной обработки литья и выбивных решеток, полученный на дифрактометре Радиан ДР-02 с функцией рентгенофлуоресцентного анализа [5].

Таблица 3

зца на оборудовании «Bruker S8 Tiger»

Имя образца о4 о4 о4 о4 о4 о4 о4 о4 О4 о4 о4 о4 о4 О4 О4 О4

CS Z СЛ СЛ и и CS и Н •и £ z = и В N CS О •Si £ U и

Пыль от 5 5

дробеструйных о\ (N OS о «ч СП 00 СП 4t ич о\ (N СП U4 о\ СП "Л 4t (N (N 4t (N Г- 00 СП

1 : о о 1 1 сэ ич 1 о О О о о о

установок о (N <N о о о о о о О 4t о о о О О О о

Таблица 4

Элементный состав пыли от выбивных решеток

Элемент Весовой, % Атомный, %

О К 33,29 55,42

Na K 1,41 1,63

Mg K 0,45 0,49

Al K 15,54 15,34

Si K 4,00 3,80

S K 4,43 3,68

Ca K 0,86 0,57

Ti K 0,66 0,37

Cr K 0,43 0,22

Mn K 0,56 0,27

Fe K 37,16 17,72

Zn K 1,20 0,49

Рентгеноспектральный анализ показал более точное процентное соотношение элементов в образце и преобладание фазы железа ^е). Остальные элементы имеют малое процентное значение.

Выводы.

1. Изучение структуры пыли, образующейся на дробеструйном участке в процессе дисперсного (гранулометрического) анализа, показало: 85 % выделяемой пыли имеет размер фракций менее 100 мкм, т.е. относится к средней и тонкой пыли.

2. Анализ данных эксперимента на участках от выбивных решеток показывает значительное наличие частиц диаметром от 25-200 мкм. На участке выбивных решеток количество «легочной» (мелкодисперсной) пыли составляет 44,5%.

3. Результаты анализа показывают, что в литейных цехах имеет место наличие дисперсной пыли менее 10 мкм, при этом на

дробеструйном участке в пыли присутствует 78% железа Также анализ концентрации пыли в рабочей зоне оператора выявил значительные превышения ПДК рабочей зоны.

4. В выбросах литейных цехов, кроме пыли, присутствуют вредные газы: окислы серы ^О2, SО3), Окислы азота (^2, Окислы

углерода СО и СО2, Фенол (С6Н5ОН), Формальдегид (НСНО), Бенз(а)пирен (С20Н12).

Библиография

1. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению .запыленности воздушной среды промышленных предприятий: автореф. дис. д-ра техн. наук / В.Н. Азаров. - Ростов-на-Дону, 2004. - 47 с.

2. Белов С.В. Охрана окружающей среды / С. В. Белов. - 2-е изд. -М. : Высш. шк., 1991. - 319 с.

3. Болдин А.Н. Литейное производство с точки зрения экологии / А.Н. Болдин // Литейное производство. - 2005. - № 3. - С. 33-34.

4. Головина Е.И. Опасные и вредные факторы литейного производства и их влияние на состояние атмосферы в рабочей зоне / Вестник технологического университета / - 2016. - Т.19, № 23 - С. 126-131.

5. Головина Е.И., Иванова И.А., Ивков С.А. Оценка рентгенофазового анализа пыли от дробеструйных установок литейного производства // Интернет-журнал «Науковедение». - 2017. - Т.9, № 2. выпуск 2 (39).

6. Головина Е.И., Иванова И.А., Манохин М.В. Защита рабочей зоны литейных цехов машиностроительного производства Вестник Донского государственного технического университета. 2017. - Т. 17. № 2 (89). - С. 141-148.

7. Иванова И.А. Определение коэффициента экологической опасности литейного производства / И.А.Иванова //Вестник ДГТУ. - 2010. - Т.10, №3 (46). - С. 406-409.

8. Иванова И.А. Оценка дисперсного состава пыли участка черного литья / И.А. Иванова, В.Я. Манохин // Вестник ДГТУ. - 2010. - Т.10, №2 (45). -С. 200-204.

9. Иванова И.А., Мурзинов В.Л., Манохин В.Я. Модель идентификации процесса запыленности воздуха рабочей зоны в литейном производстве // Научный журнал КубГАУ. - №74(10) - 2011.

10. Мурзинов В.Л., Манохин В.Я., Головина Е.И. Построение эмпирической зависимости гранулометрического состава пыли литейного производства // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2017. -№ 130. - С. 155-172.

References

1. Azarov V.N. Kompleksnaya ocenka pylevoj obstanovki i razrabotka mer po snizheniyu zapylennosti vozdushnoj sredy promyshlennyh predpriyatij: avtoref. dis. d-ra tekhn. nauk /V.N. Azarov. - Rostov-na-Donu, 2004. - 47 s.

2. Belov S. V. Ohrana okruzhayushchej sredy / S. V. Belov. - 2-e izd. - M. : Vyssh. shk., 1991. - 319 s.

3. Boldin A.N. Litejnoe proizvodstvo s tochki zreniya ehkologii / A.N. Boldin // Litejnoe proizvodstvo. - 2005. - № 3. - S. 33-34.

4. Golovina E.I. Opasnye i vrednye faktory litejnogo proizvodstva i ih vliyanie na sostoyanie atmosfery v rabochej zone / Vestnik tekhnologicheskogo universiteta /- 2016. - T.19, № 23 - S. 126-131.

5. Golovina E.I., Ivanova I.A., Ivkov S.A. Ocenka rentgenofazovogo analiza pyli ot drobestrujnyh ustanovok litejnogo proizvodstva // Internet-zhurnal «Naukovedenie». - 2017. - T.9, № 2. vypusk 2 (39).

6. Golovina E.I., Ivanova I.A., Manohin M.V. Zashchita rabochej zony litejnyh cekhov mashinostroitel'nogo proizvodstva Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2017. -T. 17. № 2 (89). - S. 141-148.

7. Ivanova I.A. Opredelenie koehfficienta ehkologicheskoj opasnosti litejnogo proizvodstva / I.A.Ivanova // Vestnik DGTU. - 2010. - T.10, №3 (46). -S. 406-409.

8. Ivanova I.A. Ocenka dispersnogo sostava pyli uchastka chernogo lit'ya / I.A. Ivanova, V. YA. Manohin // Vestnik DGTU. - 2010. - T.10, №2 (45). - S. 200204.

9. Ivanova I.A., Murzinov V.L., Manohin V.YA. Model' identifikacii processa zapylennosti vozduha rabochej zony v litejnom proizvodstve // Nauchnyj zhurnalKubGAU. -№74(10) - 2011.

10. Murzinov V.L., Manohin V.YA., Golovina E.I. Postroenie ehmpiricheskoj zavisimosti granulometricheskogo sostava pyli litejnogo proizvodstva // Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - № 130. - S. 155-172.

ESTIMATION OF DISPERSE AND ELEMENT COMPOSITION OF DUST WHEN PROCESSING CASTINGS ON PLANTS OF DROBESTRUCTURAL APPARATUSES AND

ELECTRIC GRIDES

The subject of research in the work are dangerous and harmful factors of the foundry, which include a high content of harmful substances emitted at various stages of the process. The aim of this work is to evaluate the dispersion and elemental composition of dust in industrial production. The results establish the hygienic state of the working area of the foundry. We used a method of dispersion (particle size) analysis, which is based on the relationship between the size (mass) and velocity of a body in a viscous fluid (gas or liquid) under the action of gravitational or centrifugal forces. Disperse composition of dust determines the hygienic condition of the working area of foundry production, according to experts, the presence in the air of dust smaller than 10 ¡m increases the danger of getting occupational diseases such as pneumoconiosis (silicosis), bronchitis, dermatitis, conjunctivitis. The data presented x-ray microanalysis of the elemental composition of dust.

Keywords: work area, concentration, foundry, dust dispersion (particle size) analysis in foundry production, the elemental composition of the dust x-ray spectral microanalysis.

Манохин Вячеслав Яковлевич,

д.т.н., профессор,

профессор кафедры техносферной и пожарной безопасности,

Воронежский государственный технический университет,

Россия, г. Воронеж,

телефон: 8 (473)271-30-00,

e-mail: manohinprof@mail.ru

Manohin V.Ya.,

doctor of technical Sciences, Professor, Professor, Department of technosphere safety and fire safety, Voronezh state technical University, Russia, Voronezh.

Головина Елена Ивановна,

старший преподаватель кафедры техносферной и пожарной безопасности, заместитель декана по учебной работе факультета инженерных систем и сооружений,

Воронежский государственный технический университет,

Россия, г. Воронеж,

телефон: 8 (473)271-53-21,

e-mail: u00111@vgasu.vrn.ru,

Golovina E.I.,

senior lecturer in technosphere and fire safety, Deputy Dean on educational work of faculty of engineering systems and structures, Voronezh state technical University, Russia, Voronezh,

Иванова Ирина Александровна,

к.т.н., доцент,

доцент кафедры техносферной и пожарной безопасности,

Воронежский государственный технический университет,

Россия, г. Воронеж,

телефон: 8 (473)271-30-00,

e-mail: ivanova-eco@mail.ru

Ivanova I.A.,

candidate of technical Sciences, associate Professor, associate Professor of technosphere and fire safety, Voronezh state technical University, Russia, Voronezh.

© Манохин В.Я., Головина Е.И., Иванова И.А., 2017