CC BY
158
© В.М. Г ришагин, Л.П. Ерёмин, Л.Г. Деменкова, 2010
УДК 621.791:57
В.М. Гришагин, Л.П. Ер "мин, Л.Г. Деменкова
ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОБРАЗНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СВАРОЧНОГО АЭРОЗОЛЯ ПРИ СВАРКЕ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ЕЁ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
Приведено описание механизма образования газообразной составляющей сварочного аэрозоля и данные по её количественному и качественному составу в зависимости от различных факторов. Отмечается влияние газообразной составляющей сварочного аэрозоля на организм сварщика.
Ключевые слова: сварочный аэрозоль, газообразная составляющая сварочного аэрозоля, горно-шахтное оборудование.
Т} учная дуговая сварка металлов покрытыми электродами,
-МГ автоматическая и механизированная сварка, применяемые при сварке горношахтного оборудования, сопровождаются выделением в зоне дуги значительного количества сварочного аэрозоля, механизм образования которого представлен на рис. 1.
Дисперсная фаза, или твердая составляющая сварочного аэрозоля (ТССА), представляет собой совокупность мельчайших частиц, образовавшихся в результате конденсации паров расплавленного металла, шлака и покрытия электродов. Дисперсионная среда - газовая составляющая сварочного аэрозоля (ГССА) - имеет сложный состав [1].
Процессы, протекающие под воздействием высоких температур и инфракрасного излучения, приводят к интенсивному испарению компонентов покрытия электрода, флюсов, которые окисляются и конденсируются за пределами сварочной дуги. Кроме того, происходят термохимические превращения фторидов и кремнеф-торидов, восстановление углекислого газа, неполное окисление органических связующих обмазок и пластификаторов с образованием ОТ, SiF4, СО. Атмосферный азот окисляется (N2 + 02 + ^ ^ 2NO); кислород воздуха превращается в озон (О2 + ^ ^ 2О'; О2 + О' ^ О3). При выполнении работ, связанных с использованием карбида кальция
Рис. 1. Механизм образования сварочного аэрозоля:
1 - капля; 2 - дуга; 3 - электродный стержень; 4 - электрод;
5 - покрытие; 6 - шлак; 7 - металл шва; 8 - основной металл.
(резка металлов), обычно имеющего примеси фосфида кальция, образуется фосфин (РН3). При сварке или резке окрашенных либо загрязнённых деталей или конструкций в газовую фазу могут выделяться хлороводород (HCl), хлор (Cl2), фосген (COCl2), оксиды серы (SO2 и SO3) и другие токсичные соединения [2]. Таким образом, состав газовой фазы сварочного аэрозоля определяется главным образом компонентами сварочных материалов, свариваемым металлом, разновидностями процесса сварки, а её количество - разновидностями и режимом процесса сварки [3, 4, 5, 6]. Исследования зависимости интенсивности образования таких компонентов ГССА, как монооксид углерода и оксиды азота, от режима сварки показали [7], что эти зависимости имеют минимум выделений, ко-
торый объясняется максимальным погружением дуги в основной металл и
и диоксида азота V (б) от сварочного тока при сварке проволокой Св-
08Г2С диаметром 1,6 мм в защитных газах: О - СО2; □ - Аг + СО2; - Аг +
СО2 + О2 д
уменьшением площади контакта сварочной дуги с окружающим воздухом и защитным газом (рис. 2). Установлено [6, 7, 11], что при механизированной сварке в С02, смесях Аг + С02 и Аг + С02 + О2 проволокой сплошного сечения основными компонентами ГССА являются монооксид углерода и оксиды азота. Снижение окислительной способности защитного газа приводит к уменьшению интенсивности выделения монооксида углерода и увеличению оксидов азота. Введение в состав защитной смеси кислорода снижает выделение монооксида углерода за счет его окисления и повышает интенсивность образования оксидов азота.
В работе [11] рассмотрено образование биологически активных веществ в плазме дуги при сварке в смесях защитных газов на основе аргона и углекислого газа. Установлено, что в высокотемпературной зоне проходят сложные плазмохимические реакции,
приводящие к образованию биологически активных соединений, которые попадают в зону дыхания сварщика вследствие диффузии и переноса потоками плазмы или воздуха. Приведенные реакции рассмотрены в интервале температур от 298 до 6000 К, т.е. в характерном для зоны сварки диапазоне температур. При повышении температуры в плазме дуги происходит диссоциация молекул азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров до свободных атомов и ионов. В результате диссоциации и плазмохимических реакций образуются новые вещества.
со2 ^ С + о2 02 ^ 20 2Н2 + 02 ^ 2Н20
2С0 ^ 2С + 02 О ^ 0+ + е 2Н+ + 2е ^ Н2
С ^ С++е Ы2 ^= 2Ы О + Н ^ ОН
2С0 ^ 2С + 02 Ы2 + 02 ^ 2Ы0 ОН + е ^ ОН'
2С02 ^ 2С0 + 02 2Ы02 ^ 2Ы0 + 02 Н + СЫ ^ НСЫ
2С + Ы2 ^ 2СЫ 2Ы20 ^ 2Ы2 + 02
Особенностью атомарных газов и образующихся веществ (N0, Ы02, СО, СЫ, СН и др.) является их высокая биологическая активность, проявляющаяся в отравляющем воздействии на живые организмы [12].
Как установлено в работе [11], при сварке в среде Аг + 5 % 02 защитная атмосфера имеет слабо окислительный характер и в зависимости от температуры - различное соотношение концентраций атомарного и молекулярного кислорода. Молекулярный кислород полностью диссоциирует при температуре выше 4000 К. Диссоциация молекулярного кислорода увеличивает объем атомарного кислорода вдвое, соответственно увеличивается концентрация атомарного кислорода и его активность в реакциях с участием металла. Попадание в такую атмосферу небольших концентраций водяных паров несущественно изменяет состав газовой атмосферы дуги. При температуре, близкой 2000 К, водяные пары диссоциируют и в атмосфере дуги появляются небольшие концентрации водорода.
В интервале температур 2000 - 5000 К в атмосфере дуги появляется гидроксил, который при попадании в область пониженных температур быстро разлагается с образованием паров воды и кислорода, не представляя опасности для здоровья.
При струйной защите аргоном из-за попадания воздуха защитная среда практически состоит из Аг + 4 % Ы2 + 1 % 02. В этом
случае в плазме дуги образуется до 0,22 % монооксида азота и до 0,023 % диоксида азота.
Биологически активные вещества появляются при температуре 2000 К и диссоциируют при температуре около 5000 К. Отмеченные в дуге концентрации биологически активных веществ относительно невысокие. Начиная с 2000 К в дуге появляется атомарный кислород, а с 3000 К атомарный азот, который при дальнейшем росте температур ионизируется.
При добавлении к аргону кислорода, который снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, происходят изменение характера переноса металла в дуге (переход от капельного к струйному), улучшение качества формирования поверхности шва, а также изменение состава атмосферы дуги. При этом, соответственно, увеличивается концентрация атомарного и ионизированного кислорода при высоких температурах.
В защитной среде Аг + С02 при различных соотношениях Аг и С02 (содержание С02 возрастает с 5 % до 35 %) наблюдается рост максимального значения концентрации молекулярного кислорода. При температуре 3000 К она увеличивается с 1,8 % при сварке в защитной среде Аг + 5 % С02 до 7,3 % при сварке в среде Аг + 35 % С02. При дальнейшем росте температуры молекулярный кислород полностью диссоциирует, что приводит к уве личению объема атомарного кислорода.
Начиная с 3000 К появляется атомарный азот, который при увеличении температуры ионизируется. Свыше 1000 К заметно уменьшается концентрация молекулярного азота. Это наблюдается в среде Аг + 20 % С02 + 4 Ы2 + 1 % 02, где в интервале температур 1000 - 4000 К его концентрация падает: с 5,69 % до 0,5 %.
Монооксид углерода появляется при температуре 2000 К. Максимальное значение его концентрации (4,2 %) обнаруживается для сварки в среде Аг + 5 % С02 при температуре 4000 К. В газовых смесях Аг + 10 % С02, Аг + 15 % С02, Аг + 20 % С02 при температуре 5000 К содержание СО увеличивается. Это же происходит с монооксидом углерода при температуре 4000 К в защитной среде Аг + 25 % СО2, Аг + 30 % СО2, Аг + 35 % СО2.
Содержание монооксида азота изменяется с увеличением количества С02 в защитной газовой смеси от 0,36 % (Аг + 5 % С02) до 0,83 % (Аг + 35 % С02). При сварке в среде Аг + 25 % С02 при попадании водяных паров в интервале температур 2000 - 5000 К
появляется гидроксил с максимальной концентрацией 1,14 % при температуре 3000 К. При сварке в защитной среде Аг + 25 % С02 без присутствия паров воды содержание СО снижается и составляет 17,99 % при температуре 5000 К. В газовой среде Аг + 25 % С02 при попадании водяных паров вместе с ОН и СО образуются атомарный и молекулярный водород при температуре около 2000 К. Выше 4000 К содержание молекулярного водорода уменьшается, а атомарного увеличивается с 3,13 % до 3,49 %.
При сравнении газовых сред С02 + 4 % N + 1 % 02 и С02 + 4 % N + 1 % 02+ 1 % Н20 установлено, что присутствие водяного пара практически не влияет на образование биологически активных веществ.
Несмотря на многообразие соединений, входящих в состав ГССА, и характерных им химических свойств, их можно классифицировать по следующим признакам [2]:
• неорганические соединения кислотной природы (HF, SiF4, N02, НС1, С12, S02, S0з и т.д.);
• органические соединения (СС14, СС12=СНС1, С0С12 и т.д.);
• неорганические соединения, являющиеся окислителями (03), восстановителями (СО, РН3) или проявляющие окислительновосстановительные свойства в зависимости от условий процесса (N0, S02).
Данная классификация позволяет предложить методы улавливания компонентов ГССА и нейтрализации токсичных веществ с учётом их химических свойств. Исследование уровня выделений ГССА проводится методом их частичного улавливания на основе общепринятых методических указаний [8].
Дуговые сварочные процессы при сварке горно-шахтного оборудования относятся к числу вредных, так как сопровождаются выделением в газовую фазу токсичных для человека соединений.
Согласно методическим указаниям по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле [8], фтористый водород HF является одним из наиболее опасных веществ в составе ГССА. При ручной дуговой сварке конструкционных углеродистых и низколегированных сталей при сварке горношахтного оборудования используются электроды марки УОНИ-13/55 и МР-3. При использовании данных электродов в воздух рабочей зоны
ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны [1]____________________
Наименование вещества | ПДК, мг/м3 | Класс опасности
Озон 0,1 I
Фтороводород (в пересчёте 0,5/0,12 II
на F-)
Тетрафторид кремния (в 0,5/0,12 II
пересчёте на F-)
Хлороводород 5,0 II
Циановодород 0,3 II
Фосфин 0,1 I
Оксиды азота (в пересчёте 5,0 III
на N02)
Оксид углерода (II) 20,0 IV
Хлор 1,0 II
Фосген 0,5 II
выделяется фтороводород. На сегодняшний момент при проведении аттестации рабочих мест и производственного контроля опасных вредных веществ сварочного аэрозоля не всегда отбираются пробы на содержание фтороводорода [10], что представляется совершенно недопустимым. Фтористый водород и его соли - клеточные яды. Хроническое отравление фтороводородной кислотой и ее солями (флюороз) характеризуется снижением массы тела, слабостью, анемией, хрупкостью костей и туго подвижностью суставов. Соединения фтора могут вызывать дерматит, аллергический стоматит, желудочно-кишечные расстройства. При одновременном содержании в сварочном аэрозоле нескольких соединений фтора, различающихся по растворимости и агрегатному состоянию, имеет место суммирование токсических эффектов [9].
Таким образом, в связи с высокой токсичностью сварочного аэрозоля при сварке горно-шахтного оборудования профилактика и устранение его вредного влияния на организм сварщика представляют собой актуальную задачу. Кроме того, надо учесть тот факт, что должны быть кардинально пересмотрены взгляды на комбинированное воздействие ингредиентов ТССА и ГССА на организм. Во-первых, их действие ни в коем случае не правомерно рассматривать изолированно, поскольку ингредиенты ТССА и ГССА всегда воздействуют на организм сварщика одновременно, во многих случаях в существенной мере усиливая суммарный эффект вредного влияния на организм. Известно [12], что СО и N0^ адсорбированные на твердых пылевых частицах, в том числе и частицах ТССА, способствуют более быстрому развитию пневмосклероза, а также проявлениям общетоксического действия. Взаимно усилива-
ют токсические эффекты О3, NO2, NOx, однонаправленным механизмом действия на организм обладают HF и SiF4, выделяющиеся в составе ГССА, а также NaF, KF, CaF2, NaSiF6 и другие соли фтористоводородной кислоты (фториды), соединения Cr+6, Ni, Be, входящие в состав ТССА [10]. Современные условия требуют научной оценки комбинированного действия ТССА и ГССА, т.к. установлено, что при прочих равных условиях увеличение концентрации твёрдых частиц в сварочном аэрозоле приводит к усилению биологического действия газов [4], а О3 и NO2, HF и SiF4 взаимно усиливают токсические эффекты [5]. Полученные данные позволяют определить и минимизировать отрицательное влияние газообразной составляющей сварочного аэрозоля на организм сварщика.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
2. Эннан А.А. Физико-химические основы улавливания, нейтрализации и утилизации сварочных аэрозолей. // Сборник трудов 1-й Международной научнопрактической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочной производстве».- Одесса, 2002. - С. 10-37.
3. Походня, И.К., Явдошин, И.Р., Пальцевич, А.П., Швачко, В.И., Котельчук
A.С. Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с газами/ И.К. Походня, И.Р. Явдошин, А.П. Пальцевич, В.И. Швачко, А.С. Котельчук. - Киев: Наукова думка, 2004. - 445 с.
4.Амдур М.О. Влияние сварочного аэрозоля на здоровье сварщика / М.О. Амдур // Гигиена и санитария. - 1963. - №7, с.55
5. Горбань Л.Н. Аэрозоли как вредный производственный фактор (к вопросу об адекватности применяемых способов и средств защиты сварщиков уровню их профессионального риска) // Сборник трудов 1-й Международной научнопрактической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочной производстве».- Одесса, 2002. - С. 57-63.
6. Левченко О.Г. Современные способы и средства защиты сварщиков и окружающей среды от сварочных аэрозолей. // Сборник трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочной производстве».- Одесса, 2002. - С. 99-113.
7. Левченко О.Г. Химический состав газообразной составляющей аэрозоля при сварке в защитных газах // Автоматическая сварка. - 2001. -№ 3, с.25.
8. Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле. МУ № 4945-88.-М.: МП «Рарог», 1992 г.-107 с.
9. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп. Справочное издание /А.Л. Бандман, Н.В. Волкова, Т.Д. Грехова и др.; Под ред.
B.А. Филатова и др. - Л.: Химия, 1989 г.-592 с. С.332-369.
10. Кучерук Т.К. Сочетанное воздействие тепловых нагрузок и токсических веществ в сварочном производстве: меры профилактики //Труды 1-й Международной
