CC BY
208
© В.М. Г ришагин, Л.П. Ерёмин, Л.Г. Деменкова, 2010
УДК [621.791:51-138] 613.6
В.М. Гришагин, Л.П. Ер "мин, Л.Г. Деменкова
ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ И СОСТАВ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ СВАРО ЧНОГО АЭРОЗОЛЯ КАК НАИБОЛЕЕ ВРЕДНОГО ФАКТОРА ПРИ СВАРКЕ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Приведено описание механизма образования сварочного аэрозоля и данные по количественному и качественному составу его твёрдой составляющей в зависимости от различных факторов. Отмечается влияние сварочного аэрозоля на организм сварщика.
Ключевые слова: сварочный аэрозоль (), твёрдая составляющая сварочного аэрозоля горно-шахтное оборудование.
Одним из факторов научно-технического прогресса в горно-шахтной промышленности является рост применения уже существующих и внедрение новых способов сварки металлов. К наиболее распространённым в видам сварки горно-шахтного оборудования относятся ручная дуговая сварка штучными электродами, механизированная сварка и автоматическая сварка в защитных газах, а также под слоем флюса. Вместе с тем данные способы обработки металлов являются наиболее неблагоприятными в санитарно-гигиеническом отношении, что связано с выделением значительного количества сварочного аэрозоля (С А).
СА представляет собой совокупность мельчайших частиц, образовавшихся в результате конденсации паров расплавленного металла, обмазки электродов, содержимого порошковой проволоки или флюсов. Его состав зависит от компонентов сварочных и свариваемых материалов. В основном СА состоит из железа и его оксидов, а также соединений марганца, хрома, никеля, алюминия, меди, цинка, фтора, кремния, азота и др., отличающихся высокой токсичностью.
В соответствии с [1], СА относится к вредным производственным факторам. Исследования показали [2], что влияние сварочного аэрозоля на организм человека вызывает интоксикации, бронхиты и астмы, разрушающе воздействует на работу головного
Таблица 1
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны сварочных цехов
Наименование вещества ПДК, мг/м3 Класс опасности
Соединения марганца 0,20 2
Хроматы, бихроматы 0,01 1
Фторид натрия, фторид калия 0,20 2
Фтористый водород 0,05 1
Оксид углерода 20,00 4
Озон 0,10 1
Диоксид азота Диоксид кремния аморфный в виде 2,00 2
аэрозоля конденсации при содержании от 10 до 60 % 2,00 4
Оксид хрома ^г^з) 1,00 2
мозга, приводит к ранней импотенции, в ряде случаев может спровоцировать онкологические заболевания. Принятые в настоящее время предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны при сварке горно-шахтного оборудования приведены в табл. 1 [3].
По характеру образования СА относится к аэрозолям конденсации и представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются мелкие частицы твёрдых веществ, а дисперсионной средой - смесь газов. Таким образом, в составе СА необходимо выделять твёрдую составляющую сварочного аэрозоля (ТССА) и газовую составляющую сварочного аэрозоля (ГССА).
Известно, что химический состав ТССА на 80-90 % обусловлен содержимым сварочного электрода [4]. При сварке покрытыми электродами испаряется 1-3 % электродного материала [5]. Скорость испарения расплава и состав СА определяются режимом проведения и техникой сварки, составом покрытия электрода, основного и присадочного металлов. При сварке в основном расплавляются не чистые металлы, а сплавы, тогда пар будет представлять смесь газообразных составляющих сплава. Чем меньше теплота испарения вещества и больше температура нагрева, тем более интенсивно идёт процесс испарения. Следовательно, основную часть пара будут составлять компоненты с более низкой теплотой испарения.
Таким образом, отдельные составные части многокомпонентных систем испаряются селективно, например, из расплавов железа и марганца в первую очередь испаряется марганец [6].
Известно, что при сварке плавящимися электродами металл проходит последовательно сначала стадию капли, а потом стадию ванны. При сварке покрытыми электродами эти же стадии наблюдаются и для шлаковой фазы. Для стадии капли характерны более высокий уровень перегрева и удельная поверхность, превышающая удельную поверхность на стадии ванны. Очевидно, что на данной стадии условия испарения более благоприятны, чем на стадии ванны. Благодаря возникновению градиента температур под воздействием давления дуги и плазменных потоков осуществляется конвективный массоперенос испарившихся веществ из зоны дугового разряда. В зоне более низких температур паровая фаза конденсируется, и некоторые продукты конденсации (металлы и оксиды в низшей степени окисления) подвергаются дальнейшему окислению. В работах М. Кобаяши и др. [7,8] сделан вывод о том, что СА получается главным образом вследствие испарения материалов электрода (покрытия и стержня) в зоне дугового разряда на стадии капли, а расплав на стадии ванны играет значительно меньшую роль. Образующийся пар под воздействием давления дуги и плазменных потоков перемещается в окружающее пространство с более низкой температурой, где и конденсируется.
В работе Р. Хейла и Д. Хилла [9] описывается возможность существования двух механизмов образования СА. По первому механизму, компоненты электродного и основного металлов плавятся и испаряются, а получившиеся пары конденсируются на выходе их из высокотемпературной зоны столба дуги и окисляются. Второй механизм заключается в образовании под действием кислорода летучих оксидов на поверхности расплавленного электрода (например, SiO). Кислород может содержаться в атмосфере дуги при сварке в смеси газов (92 % Аг + 6 % С02 + 2 % 02). Образование подобных оксидов может являться причиной более интенсивного образования СА. В зависимости способа сварки и состава защитных газов изменяется доля участия каждого из вышеприведённых механизмов, при снижении окислительного потенциала защитного газа второй механизм играет меньшую роль в формировании СА. Таблица 2
Пределы изменения состава ТССА при сварке
Компо-
Вид покрытия
ненты ТССА Ильменито- вое Рутиловое Целлюлоз- ное Основное Специальное для сварки нержавеющих сталей
SЮ2 18-27 17-36 10-12 3,8-11,5 1,4-16,5
тю2 0,6-4,9 0,6-5,5 1,9—1,5 0,1-0,93 0,3-46,7
А1203 0,1-0,54 0,1-1,4 0,1-0,6 0,1-2,2 0,7-4,4
Fe2Oз 24,4-50,6 24-53,8 42—80 10,5-35,2 1,9-31,3
МпО 5,3-11,2 4,7-10,2 5—5,5 2,5-8,2 1-15,8
СаО 0,1-1,89 0,1-1,8 0,2—0,3 1,5-17 3,9-57,0
MgO 0,4-3,0 0,1-2,5 До 0,7 0,1-15 0,12-2,67
К2О 4,6-11,2 3-11,4 0,4—5,2 1,9-33,6 0,3-24,5
^2о 2,7-12,7 5-10,8 3,3—7,5 1-30,3 2,3-29,9
F - - — 11,4-23,5 2,5-32,7
СГ2О3 - - — - 1-34,5
N1 - - — - 0,01-1,3
В состав ТССА, образующейся при сварке покрытыми электродами, входят основные (марганец, железо, кремний, калий, натрий, кальций, магний, титан, алюминий, хром, никель, фтор) и примесные (мышьяк, медь, рубидий, олово, цирконий, стронций, ниобий, молибден, серебро, сурьма, барий, свинец) элементы [10]. Содержание основных элементов определяется типом сварочного материала и изменяется в широких пределах от нескольких десятых процента до десятков процентов. Так как частицы, образующиеся при конденсации пара имеют сложный состав, в литературе данные по компонентам ТССА приводятся обычно в виде массовой доли элементов или их оксидов. В табл. 2 приводятся данные о составе ТССА при сварке электродами с различным типом покрытия.
Японскими исследователями [13] при изучении вклада металлической и шлаковой фаз в образование СА было выяснено, что из шлака в ТССА в заметных количествах поступают соединения кремния, калия, натрия и фтора. При образовании высокоосновных фторсодержащих шлаков (при сварке низководородными электродами) в состав СА входит больше соединений щелочных и щелочноземельных металлов, чем при сварке Таблица4
Содержание оксидов натрия, калия, магния и кальция в ТССА, % (по массе) [12]
Сварочный материал ^2о, К2О MgO, СаО Fe2Oз, МП2О3
Электрод с основным покрытием 20-38 5,3-17,8 17,7-44,4
Электрод с рутиловым покрытием 15-32 - 40-74,8
Порошковая проволока (III1) для сварки в СО2 - 1,3-23,1 47,2-78,6
Самозащитная III1 - 5,2-68,5 18,9-73,9
электродами с рутиловым, ильменитовым, кислым и целлюлозным покрытием. Оксиды титана, алюминия, марганца, магния поступают в СА из шлака в незначительных количествах. Большую составную часть любого сварочного аэрозоля составляют соединения железа, которые и обуславливают количество образующегося аэрозоля. При сварке электродами с рутиловым, ильменитовым, и целлюлозным покрытием в составе ТССА в значительных количествах присутствуют соединения марганца. Несмотря на то, что концентрация марганца в расплаве металла на стадиях капли и ванны гораздо ниже, чем в расплаве шлака, упругость паров марганца над жидким металлом значительно выше, чем упругость паров марганца над шлаковым расплавом, в котором присутствуют оксиды марганца [14]. Благодаря этому факту марганец в значительных количествах присутствует в СА.
Установлено, что значительный вклад в формирование СА вносит хром [15]. При этом наибольший переход хрома в ТССА происходит в том случае, если он входит в состав электродной проволоки, а не в состав основного металла или электродного покрытия. При использовании электродов из нержавеющей стали содержание хрома в ТССА может достигать 6-8 %. Таким образом, металлический расплав - основной источник испарения железа, марганца и хрома.
Соединения щелочных и щелочноземельных металлов, кремния и фтора испаряются из шлакового расплава. В работе [16] показано, что суммарное содержание оксидов щелочных и щелочноземельных металлов в составе ТССА сопоставимо с суммарным содержанием оксидов железа и марганца (табл. 4). Таблица 5
Удельные выделения ТССА при сварке покрытыми электродами [13]
Удельное выделение ТССА при расплавлении 1 Покрытие электрода
кг электрода G, г/кг
10,6 Ильменитовое
7,8 Рутил-карбонатное
23,0 Целлюлозное
8,9 Рутиловое
9,0 Кислое
12,4 Основное
Выявлено, что увеличение основности шлака способствует более интенсивному испарению калия, натрия, магния и кальция, причём процесс начинается при более низких температурах. Из шлаков одинаковой основности по мере возрастания температуры испаряются сначала калий и натрий, а потом магний и кальций, что соответствует изменению упругости паров перечисленных элементов над однокомпонентными расплавами [4].
В ряде работ рассматриваются закономерности, описывающие взаимосвязь выделений ТССА и состава электродного покрытия [8, 13, 17]. Так, например, при использовании электродов с кислым покрытием выделяется СА повышенной токсичности вследствие большого содержания соединений кремния и марганца, что связано с присутствием раскислителей в составе покрытия. Для электродов с основным и рутиловым покрытием содержание кремния и марганца в составе СА меньше. Установлено, что наибольшие выделения СА характерны для электродов с целлюлозным покрытием, меньшие - для низководородных электродов с целлюлозным покрытием, ещё меньшие - для электродов с кислыми, рутиловыми и ильменитовыми покрытиями. В табл. 5 приведены данные об удельных выделениях ТССА при сварке электродами с различным типом покрытия.
Причины высоких валовых выделений СА при сварке целлюлозными электродами объясняются рядом причин: высоким номинальным напряжением вследствие сжатия дуги газами (СО, СО2, Н2, Н2О), образующимися при сгорании покрытия [18, 19], миграцией в расплавленную каплю на торце электрода углерода, образующегося при разложении целлюлозы, развитием процесса взрыва жидких капель из-за окисления углерода и образования СО [20, 21].
При сварке электродами с основным покрытием в СА попадают опасные для здоровья фториды, причём их количество может изменяться в зависимости от состава покрытия [22, 23]. Введение
оксида алюминия в состав покрытия основного вида не оказало существенного влияния на валовые выделения ТССА, но привело к заметному увеличению в СА фтора, что связано с образованием летучих фторидов алюминия. Введение поташа привело к значительному росту валовых выделений ТССА, что обусловлено интенсивным выделением соединений калия в аэрозоль, аналогичное влияние оказывает и сода, главным образом благодаря удельным выделениям натрия и фтора. При этом удельные выделения кремния, марганца, кальция и калия практически не изменяются, а их количество в составе ТССА несколько снижается [24].
В литературе имеются данные по выделению СА при сварке в среде защитных газов и сварке под флюсом, приведённые в табл. 6 [25].
Установлено, что при механизированной сварке содержание сварочного аэрозоля в зоне дыхания сварщика значительно выше, чем при автоматической. При сварке в среде защитных газов (углекислый газ, аргон, гелий, азот) наиболее благоприятной с гигиенической точки зрения является сварка неплавящимися электродами в среде аргона [15]. Однако при сварке алюминия и сплавов на его основе в среде аргона плавящимся электродом наблюдается повышенное образование озона за счёт большой ультрафиолетовой радиации. При автоматической сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа выделения пыли, оксидов марганца, хрома, никеля, азота превышают их выделение при автоматической сварке под слоем флюса.
В работе [26] приведены данные по влиянию защитных покрытий на газопылевыделение в зоне дыхания сварщика при сварке в СО2. При использовании некоторых защитных покрытий происходит увеличение концентрации сварочного аэрозоля в зоне дыхания сварщика. Проведены исследования при сварке по защитным покрытиям, нанесённым на весь свариваемый образец и на около-шовную зону (ОШЗ) как наиболее подверженную налипанию брызг расплавленного металла.
419
Таблица 6
Выделение загрязнителей при сварке металлов
Марка Выделение загрязнителя, г/кг сварочного материала:
сварочного материала сварочного аэрозоля соединений марганца оксидов хрома фтороводорода оксидов азота
Ручная дуговая сварка сталей электродами
УОНИ- 13/65 7,5 1,41 - 1,17 -
АНО-4 6,0 0,69
ЭА-606/11 11,0 0,68 0,6 0,4 1,3
ЦТ-15 7,9 0,55 0,35 1,61
Проволока
ПП-106, ПП-108 12 0,7 0,8
СВ-08Г2С 9,7 0,5 0,02
Сварка стали с флюсами
ОСП-45 0,09 0,03 0,2 0,006
ФЦ-2, ФЦ-6, ФЦ-7 0,09 0,01 0,05 0,005
АН-348А 0,1 0,03 0,2 0,006
АНК-30 0,26 0,12 0,018
Результаты опытов показали, что при нанесении защитных покрытий на ОШЗ вредных веществ в среднем выделяется на 10 - 15 % меньше, чем при сварке по покрытиям, нанесенным по всей поверхности образца. Анализируя полученные результаты, необходимо отметить: при сварке образцов без покрытия выделение сварочного аэрозоля с ростом силы сварочного тока понижается, а количество оксида марганца увеличивается, та же закономерность просматривается и при использовании защитных покрытий.
Подводя итоги результатов рассмотренных исследований, можно сделать следующие выводы:
1) химический состав ТССА зависит от содержания в покрытии и электродном стержне элементов и соединений, характеризующихся высокой упругостью давления паров (марганец, фтористые соединения, соединения щелочных металлов и др.), и от основности образующегося в результате плавления покрытия шлака. Наибольшее влияние основность шлака оказывает на интенсивность поступления в аэрозоль соединений щелочных и щелочноземельных металлов (К20, №20, СаО, MgO);
2) интенсивность выделений СА зависит от характеристики процесса, марки сварочных материалов и свариваемого металла, при этом определяющее влияние оказывает состав сварочного материала. Учитывая, что в зоне дыхания сварщика содержание вредных компонентов СА значительно (в 7-10 раз) превосходит ПДК [24], следует признать, что дальнейшее совершенствование сварочных материалов, а особенно электродных покрытий и исследование влияния составляющих сварочного аэрозоля на организм человека представляют собой актуальную задачу.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.0.003-74 Опасные и вредные производственные факторы. М.: ИПК Издательство стандартов - 1995.
2. Супрун С.А. Санитарно-гигиенические показатели процесса сварки и их отражение в структуре потребления сварочных материалов / С.А. Супрун, Л.Н. Горбань, В.И. Супрун // Труды 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве»: Сб.докл. - Одесса: Астропринт, 2002.
3. http://www.airs.ru/articles/ventilation/ventilation-weld-manufacture [Электронный ресурс]
4. Походня И.К Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с газами / И.К. Походня, И.Р. Явдошин, А.П. Пальцевич, В.И. Швачко, А.С. Котель-чук. - Киев: Наукова думка, 2004.
5. Эннан А.А. Физико-химические свойства аэродисперсных частиц, образующихся при ручной дуговой сварке / А.А. Эннан, М.В. Опря, С.А. Киро // Труды 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве»: Сб.докл. - Одесса: Астропринт, 2002.
6. Jenkins N. Met A., Moreton J. etal. Welding Fume, vol. 2. Published by the Welding Inst., Abington Hall Abington. - Cambridge CB16AL, 1981. - P. 211-506.
7. Kobayashi M., Maki S., Hashimoto Y., Suga T. Some considerations about the formation mechanisms of welding fume // Weld. World.- 1978. - 16, N 11/12.- P. 238245.
8. KobayashiM., Maki S., Ohe 1. Factors affecting the amount of fumes generated by manual metal arc welding V IIW Doc. II-E-211 - 76. - P. 22.
9. Heile R. F., Hill D. C. Particulate fume generation in arc welding processes // Weld. J. - 1975. - N 7. - P. 201s-210s.
10. Явдошин И.Р. Образование сварочного аэрозоля при дуговой сварке плавлением и его гигиеническая оценка / И.Р. Явдошин, И.К. Походня, // Труды 1й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве»: Сб.докл.- Одесса: Астропринт, 2002.
11. Войткевич В.Г., Безрук Л.И., Есауленко Г.Б. // Автоматическая сварка. -1984. - № 6.
12. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга / Г. И. Лесков. - М. : Машиностроение, 1970. - 336 с.
13. Morita N. Tanigaki T. Investigation on welding fumes from covered electrode and development of low fume electrodes // IIW Doc. 11-818-77.
14. Эллист Д.Ф. Термохимия сталеплавильных процессов / Д.Ф. Эллист, М. Глейзер, В. Рамакришна. - М. : Металлургия, 1969.- 252 с.
15. Левченко О.Г. Процессы образования сварочного аэрозоля (обзор) / О.Г. Левченко // Автоматическая сварка. - 1996. - № 4. - С.17-22.
16. Явдошин И.Р. Влияние технологических и металлургических факторов на гигиенические показатели электродов с рутиловым и ильменитовым покрытиями / И. Р. Явдошин, А. В. Булат, В. И. Швачко // Тр. Всесоюз. конф. по свароч. материалам, Орел, сент. 1979. г. - Киев, 1982. - С. 45-53.
17. Eichorn F., Trosken F., Oldenburg T. Untersuchung der Entstehung gesund-heitsgefahrdender Schweissrauche beim Lichtbogen-handschweissen und Schutzgass-chweissen Forschungs-berichte, Humanisierung des Arbeitslebens der Schweisser.-1980. - B2.-S. 84.
18. Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки / А. А.Ерохин. - М. : Машиностроение, 1964. - 254 с.
19. Походня И.К. Газы в сварных швах / Походня И. К. - М. : Машиностроение, 1972. - 255 с.
20. Kimura Y., Ichihara I., Kobayashi M. Some quantitative evaluation of fumes generated from coated arc electrodes // IIW Doc. II-701-74. - P. 17.
21. Мозель А.Г. Технологические свойства электросварочной дуги / А. Г. Мозель. - М. : Машиностроение. 1969. - 178 с.
22. Походня И.К. Особенности испарения натрия, калия, магния и кальция из сварочных шлаков, содержащих двуокись титана / И. К. Походня, А.В. Булат, И.Р. Явдошин // Автомат. сварка. - 1986. - № 3. - С. 27-29.
23. Critical Fume Concentration // IIW Doc. 11-820-77.
24. Kimura S., Kobayashi M., Godai T., Mina-to S. Investigation on Chromium in Stainless Steel Welding Fumes // IIW Doc. II-E-286-79.
25. Mathias D. L. Recent Development on Contact Electrodes // Weld. J. - 1955. -N 4. S. 316-328.
26. Гришагин В.М. Влияние покрытий, применяемых для защиты горношахтного оборудования от брызг расплавленного металла при сварке в СО2 на условия труда: дис.... канд. техн. наук / В.М. Гришагин. Юрга, 2004.
27. Гримитлин А.М. Рециркуляция удаляемого воздуха в сварочных цехах / А.М. Гримитлин // Сборник трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочной производстве».-Одесса, 2002. - С. 124-128. шгЛ
Коротко об авторах
Гришагин В.М. - заведующий кафедрой, доцент, канд. техн. наук, Ерёмин Л.П. - профессор, д-р хим. наук,
Деменкова Л.Г. - аспирант,
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, е-mail: lar-dem@mail.ru
