CC BY
23Аверков А.А., аспирант, Аверкова О.А., канд. техн. наук, Дорошенко Ю.А., д-р. эконом. наук, профессор, Логачев К.И., д-р техн. наук, профессор Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ*
Рассмотрена экологическая обстановка на заводах по производству прокатных валков. Предложены меры по снижению запыленности воздуха до уровня предельно-допустимой концентрации. Обсуждается вопрос о снижении экономических затрат на эксплуатацию аспирационных систем. Ключевые слова: аспирация, экология человека и окружающей среды, пылевые выбросы
Введение
Задача обеспыливания во взаимосвязи с рациональным сбором и использованием отходов обработки различных материалов на металлообрабатывающих станках и автоматических линиях продолжает оставаться в поле зрения научно-исследовательских, проектных организаций и инженерно-технических работников предприятий машиностроения. Несмотря на кажущуюся простоту задачи, специалисты различного направления ищут комплексное ее решение уже не одно десятилетие.
Первостепенное социально-экономическое значение приобретает широкое внедрение малоотходной технологии на базе организации единой системы удаления пыли и стружки из зоны резания, механизированного транспортирования их к месту сбора и повторного использования. Удаление пыли и стружки непосредственно от режущего инструмента приобретает большое значение не только в силу законов об охране труда, но и в связи с техническим прогрессом в станкостроении, особенно в связи с широким внедрением станков с программным управлением, роботизированных систем и их комплексов. Практика показывает, что высокая запыленность воздуха в цехе может вызвать заболевания дыхательных путей, глаз, кожи. Длительное дыхание пылью ведет к развитию заболевания бронхолегочного аппарата - пневмокониозов, хронического пылевого бронхита. Наличие в составе пыли свободной двуокиси кремния таит в себе опасность заболевания силикозом. У рабочих-станочников могут возникнуть профессиональные заболевания кожи от воздействия соединений хрома, никеля, кобальта. Наиболее
распространены аллергические дерматозы и экземы. Развитию гнойничковых заболеваний способствует попадание на кожу мельчайших частиц металла и абразивной пыли, приводящих к образованию порезов и мелких ссадин. Проникая в движущиеся части оборудования, пыль способствует преждевременному износу оборудования и, как следствие, ухудшению качества выпускаемой продукции. Загрязняя световые проемы, а также светильники местного и общего назначения, пыль снижает предусмотренную освещенность помещения.
Отмеченные вопросы в полной мере относятся и к обработке крупногабаритных изделий - прокатных валков и кокилей для их литья.
В условиях значительных объемов образующейся стружки и больших размеров обрабатываемых деталей задача локализации пылевы-делений для участков грубой обработки чугунных валков является особенно актуальной.
Наиболее надежным способом локализации пылевыделений является применение местной вытяжной вентиляции. Несмотря на непрерывный рост затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию систем аспирации, эффективность их часто остается неудовлетворительной. Правильный выбор конструкции и производительности местного отсоса предполагает не только снижение запыленности в рабочей зоне ниже допустимой нормы, но и наиболее оптимальное удаление объемов загрязненного воздуха.
1. Некоторые особенности технологии Производство прокатных валков сосредоточенно главным образом на специализированных предприятиях. Валки стальные кованные для обжимных, заготовочных и листовых станков изготавливают на заводах тяжелого машино-
Статья подготовлена и опубликована при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда, грант №08-06-55601а/Ц «Экология человека и окружающей среды на пыльных производствах промышленных предприятий»._
которые располагают мощными ковочными средствами. Чугунные и некоторые виды стальных валков производят Лутугинский (ЛОПВ), Днепропетровский и Кушвинский заводы прокатных валков. Кроме того, некоторые металлургические заводы производят ряд позиций валков для своих нужд. Профилирование бочек всех видов валков осуществляется в вальцето-карных отделениях (мастерских) на каждом металлургическом предприятии.
Для предания валкам определенной формы и чистоты поверхности применяют различные способы обработки их заготовок. В нашей стране и за рубежом в последнее время изыскиваются более прогрессивные высокопроизводительные способы обработки валков: электрофизические, электрохимические, плазмомеханические и др. Однако основным способом пока остается обработка металлов резанием.
Особенностью отечественного производства прокатных валков является то, что они проходят механическую обработку на различных заводах. Заводами-поставщиками являются специализированные вальцеделательные и машиностроительные заводы, на которых производится первичная обработка валков, т. е. обрабатываются гладкие бочки, шейки и трефы литых и кованных заготовок. В вальцетокарных отделениях (мастерских) металлургических заводов-потребителей валки проходят вторичную меха-
строения (УЗТМ, ЭЗТМ, НКМЗ, ЮЗТМ и др.), ническую обработку, которая заключается в профилировании бочек.
В состав основного станочного оборудования для механической обработки валков входят тяжелые токарные, вальцетокарные, трефофре-зерные, вальцешлифовальные, расточные, валь-ценаплавочные, и другие станки.
Прокатные валки, особенно чугунные, относятся к труднообрабатываемым материалам и на токарных станках их обработку ведут с большими усилиями резания. Поэтому вальцетокарные станки характеризуются большой грузоподъемностью, жесткостью суппорта, передних и задних бабок, большой мощностью двигателей главного привода и относительно невысокой скоростью резания.
При механической обработке чугунных прокатных валков наибольшие выделения пыли возникают в процессе обдирочных работ по литейной корке. Объясняется это высокой твердо -стью поверхностного слоя, наличием раковин, шлаковых включений и пригаров. Последние являются следствием нарушения технологии отливки валков. Пригар представляет собой механическую смесь валкового чугуна (32-38%) с формовочным материалом (62-68%). Химический состав пригара на валках исполнения СПХН в % по массе представлен в табл.1.
Таблица 1
металлическая часть пригара
C Si Mn P S Gr № Fe другие элементы
1,85 8,75 0,45 0,18 0,043 0,19 0,49 88,0 0,047
неметаллическая часть пригара
SiO2 ^3 FeO CaO MgO другие элементы
85 0,18 4,16 0,45 0,29 8,91
Наличие пригаров с большим содержанием кремнезема ухудшает экологическую обстановку в цехе.
2. Характеристика пылевыделений
Основными источниками пылевыделений являются зона резания и тракт перемещения стружки.
На интенсивность выделения пыли существенную роль оказывает высокое содержание графита в чугунных валках и температурный фактор. Возникающие из-за тепловыделений при деформации металла в зоне резания конвективные потоки воздуха у резца и по пути пере-
мещения горячей стружки способствуют распространению пылевого облака по всему цеху.
Концентрация пыли, образующейся при станочной обработке хрупких материалов в общем случае зависит от физико-механических свойств этих металлов, скорости и глубины резания, величины подачи, а также от геометрии режущего инструмента. Для оценки влияния параметров механической обработки на концентрацию образующейся пыли рядом исследователей проведены специальные эксперименты в промышленных условиях. Для некоторых хрупких материалов (чугун СЧ-24, латунь ЛС-59, графит и др.) ими получены эмпирические зави-
симости для расчета концентрации пыли. Следует отметить, что условия проведения опытов (скорость резания V = 100 - 500 м/мин; подача S = 0,2 — 0,8 мм/об) значительно отличаются от реальных параметров резания при черновой обработке прокатных валков, поэтому их результаты не могут быть использованы для прогнозирования концентрации пыли. Кроме того, в описаниях опытов А.Ф. Власов и Д.В. Коптев [1,2] не указывают зоны, для которых определяются концентрации пыли.
При указании процессов образования пыли весьма важными являются вопросы об интенсивности пылевыделений и ее фракционном составе, которые определяют выбор пылеуловителя системы отсоса воздуха. ПТП «Ювэнерго-чермет» произведены замеры запыленности в зоне резания и определена интенсивность пыле-выделений для условий обработки валков по корке.
По данным авторов, наряду с высокой концентрацией пыли в зоне резания, достигающей для станков 1А824, 1А825, 1А827 9 г/м3 интенсивность пылевыделений весьма незначительно и не превышает 15 г/ч (260 мг/мин). Анализ результатов исследований, выполненных ПТП «Ювэнергочермет», показывает, что объем образующейся в зоне резания пылевоздушной смеси, определяющий интенсивность пылевыделений, во всех случаях практически остается неизменным и весьма незначительным 1,5 — 1,8 м3/ч.
Для уточнения данных по характеристике выделяющейся пыли нами проведены исследования непосредственно на станках 1А825. Процесс распространения пыли от зоны резания определяется особенностями работы вальцетокар-ных станков, главной из которых является небольшое число оборотов заготовок. В связи с этим основной вклад в процесс распространения пыли вносят конвективные потоки, образующиеся за счет перехода в тепло механической энергии деформации и трения при резании. Запыленность воздуха на рабочих местах вальце-токарей при черновой обработке валков составляет 7-30 мг/м3 при ПДК равной 2 мг/м3. Наибольшая концентрация пыли наблюдается в зоне резания: 1700-3200 мг/м3, достигая на определенном расстоянии величины фоновой концентрации в цехе.
3. Средства борьбы с загрязняющими веществами
В соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.009-80 вальцетокарные станки должны предусматривать возможность отсоса из зоны обра-
ботки загрязненного воздуха и при технической необходимости оснащаться присоединяемыми к станкам индивидуальными устройствами (включающимися пылестружкогазоприемники и отсасывающие устройства).
Основные требования, предъявляемых к местному отсосу и системе отсасывающих воздуховодов следующие.
1. Местный отсос должен обеспечивать локализацию пылевыделений при минимально возможных объемах отсасываемого воздуха.
2. Площадь неплотностей в местах примыкания кожуха местного отсоса к обрабатываемому валу должна быть минимально возможной и не зависеть от диаметра вала.
3. Система отсасывающих воздуховодов должна обеспечивать подвижность местного отсоса: в рабочем движении местный отсос передвигается синхронно с резцом; в нерабочем положении местного отсоса без помех обеспечивается установка обрабатываемого вала и резца, а также производятся геометрические измерения.
При наружном продольном точении сильно пылящих хрупких металлов для удаления пыли обычно применяются два вида отсасывающих устройств:
1. Местные вентиляционные устройства с приемниками в виде кожухов, охватывающий режущий инструмент и приспособление для его закрепления.
2. Местные вентиляционные устройства в виде зонтов, расположенных над зоной резания.
К преимуществам местных отсосов первой группы относится их компактность, конструкции пылестружкоприемников, как правило, не затрудняют наблюдения за зоной резания и режущей кромкой инструмента. Наряду с этим зона действия пылестружкоприемников весьма невелика, их влияние ограничено спектром всасывания небольшого пылеприемного сечения. Этот недостаток особенно проявляется в случаях, когда имеют место развитые конвективные потоки, который усугубляется при черновой обработке деталей, сопровождаемой образованием значительного количества мелкодисперсных отходов.
В связи с этим, при определенных условиях (небольших числах оборотов заготовок, значительном количестве образующихся отходов, наличии конвективных потоков от зоны резания и массива неубранной стружки) целесообразно применение местных вентиляционных устройств второй группы. Эти устройства выполняются с приемниками в виде зонтов, расположенных над зоной резания. Для повышения эф-
фективности удаления вредностей зонты снабжаются различными дополнительными устройствами-вставками.
Известны попытки использования системы наддува с вытяжным зонтом. Причем возможны схемы «снизу - вверх» или «сверху - вниз».
Существенно сократить объем отсасываемого воздуха при сохранении требуемой степени удаления вредностей возможно за счет приближения спектра всасывания к зоне резания.
Помимо рациональной конструкции местного отсоса, эффективность удаления запыленного воздуха в целом определяется, как уже отмечалось, возможностью перемещения местного отсоса как во время осуществления технологического процесса резания, так и в период выполнения вспомогательных операций. Подвижность местного отсоса обеспечивается конструктивными особенностями аспирационных воздуховодов. Выполненный анализ показал, что существующие системы воздуховодов, обеспечивающие движение местных отсосов, можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся гибкие воздуховоды ко второй -системы подвижно сочлененных многозвенных воздуховодов.
При использовании таких систем воздуховодов возникает вопрос обеспечения подвижной или неподвижной фиксации обслуживаемых местных отсосов в заданных положениях.
4. Возможные меры по снижению экономических затрат на эксплуатацию аспираци-онных систем
Рассмотрим существующую систему аспирации для станка 1А825 [3].
Местный отсос - пылеприемник расположен непосредственно над зоной резания и жестко соединен зажимным и стопорным болтами с передней прижимной планкой. Пылеприемник имеет два прямоугольных сочлененных всасывающих проема. Одно из них - плоское горизонтальное - обеспечивает отсос пыли непосредственно от места контакта резца с обрабатываемым валком. Второе всасывающее отверстие выполнено из цилиндрической поверхности и предназначено для локализации конвективного пылевоздушного факела, образующегося в процессе резания. Для предотвращения засорения горизонтального проема стружкой боковины прямоугольника имеют прямоугольные вырезы. А с целью сокращения вредных подсосов воздуха цилиндрическое отверстие удалено от боковин. Пылеприемник устанавливается по оси резца. При установке резца у торца суппорта, пылеприемник перестанавливается. Для пропуска зажимной гайки суппорта в опорном кронштейне предусмотрено отверстие. Патрубок соединен с шарнирной системой воздуховодов, при этом имеется возможность его перемещения в вертикальной плоскости для снятия и отвода системы от станка. Вместо шарнирной системы в зарубежной практике используется подвешенный гибкий воздуховод.
Из результатов промышленных испытаний (табл.2-3) видно, что аспирационная система с местным отсосом-пылеприемником обеспечивает эффективное обеспыливание вальцетокарного станка при объемах аспирации порядка 1200 м3/ч при действии одного вытяжного отверстия.
Таблица 2
Результаты промышленных исследований __
Но-мер точ-ки зам. Наименование точки Диаметр воздуховода, мм Площадь 2 сечения, м Скорость воздуха, м/с Расход воздуха, м3/ч Запыленность, мг/м3 Кол-во уносимой пыли, кг/ч
I левый патрубок 120 0,0113 29,5 1200 3400 4,08
II правый патрубок 120 0,0113 27,0 1100 3500 3,85
III до циклона 450 0,159 24,6 14090 560 7,9
ГУ после циклона 500 0,196 20,5 14500 58 0,8
У после вентилятора 500 0,196 22,8 16088 58 0,77
Таблица 3
Запыленность воздуха в цехе__
Без аспирации, мг/м3 С аспирацией, мг/м3 ПДК, мг/м3
на рабочем месте фоновая на рабочем месте фоновая
7...30
4,2
3,6
3,6
2
Местный отсос-укрытие (рис.1) встроен в суппорт станка (под прижимной планкой). Он рекомендуется для новых станков. Местный отсос-укрытие соединен с гибким подпольным воздуховодом. Крышка укрытия опускается на прижимные пластины, а боковые стенки герметично прижимаются к корпусу суппорта. Передняя торцевая стенка имеет открытый проем для выдвижения резца и отсоса пыли от зоны резания, а задняя выполнена откидывающейся для обеспечения установки резца внутри укрытия.
Рисунок1 - Линии тока вблизи местного отсоса-укрытия
женным под полом. Телескопическая система обеспечивает возможность поперечного перемещения суппорта, а гибкий воздуховод - продольное перемещение суппорта. Сверху передней торцевой стенки установлен откидывающийся прозрачный щиток, обеспечивающий визуальное наблюдение за обработкой валка и повышающий эффективность отсоса конвективного потока загрязненного воздуха. Преимуществами укрытия является отсутствие помех при закручивании гаек прижимных пластин в процессе закрепления резца, нет необходимости в перестановке местного отсоса при изменении положения резца на суппорте, отсутствие верхней разводки воздуховодов, что облегчает без помех установку и снятие валков мостовым краном. Объем аспирации при использовании местного отсоса-укрытия снижается до 200 м3/ч. Таким образом, экономические затраты на эксплуатацию аспирационной системы возможно снизить в 6 раз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Власов А.Ф. Удаление пыли и стружки от режущего инструмента. - М.:Машиностроение, 1982. -240с.
2. Коптев Д.В. Обеспыливание на электродных и электроугольных заводах. М.:Металлургия, 1980. -127с.
3. Логачев И.Н., Логачев К.И. Аэродинамические основы аспирации. - Санкт-Петербург: Химиз-дат, 2005. - 659с.
К одной из боковых стенок прикреплен патрубок с телескопическим воздуховодом, уло-
