CC BY
14
© В.М. Гришагин, 2012
В.М. Гришагин
ВЫДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СВАРКЕ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
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 биологически активные вещества.
Ключевые слова: диссоциация, ионизированный кислород, атомарный и молекулярный азот, газовая фаза дуги.
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 отношениях Аг и С02 (содержание СО2, возрастает с 5 % до 35 %) наблюдается рост максимального значения концентрации молекулярного кислорода. При температуре 3000 К она увеличивается с 1,8 % при сварке в защитных газах Аг + 5 % С02 до 7,3 % при сварке в среде Аг + 35 % С02. При дальнейшем росте температуры молекулярный кислород полностью диссоциирует, что приводит к увеличению объема атомарного кислорода.
Начиная с 3000 К появляется атомарный кислород, который при увеличении температуры ионизируется. Свыше 1000 К заметно уменьшается концентрация молекулярного азота. Это наблюдается в среде Аг + 20 % С02 + 4 % N + 1 % 02, где в интервале температур 1000 — 4000 К его концентрация падает: с 5,69 % до 0,5 % (рис. 1).
Масс. М6 .-»
доли 0 05 С. 04 j 0.03 ■ 0.02 | 0.01 -
Q Ч----- Д-^--Г L
юао гооо заоо дооо sooo еооо
Т. К
Рис. 1. Снижение содержания атомарного и молекулярного азота в защитной газовой среде Ar + 20 % CO2 + 4 % N2 +1 % O2 при повышении температуры: 1 -N2; 2 — N
26
Кок-
центра- £0 ции
ГО. % 15 10 5 0
Рис. 2. Изменение концентрации оксида углерода в зависимости от процентного содержания С02: 1 — СО2000К, 2 — СО3000К, 3 — СО4000К, 4 -С°5000К, 5- СО6000К
Оксид углерода появляется при температуре 2000 К. Его максимальное значение (4,2 %) обнаруживается для сварки в среде Аг + 5 % С02 при температуре 4000 К. В газовых смесях Аг +10 % СО2, Аг +15 % СО2, Аг +20 % СО2 при температуре 5000К количество СО увеличивается. Это же происходит с оксидом углерода при температуре 4000 К в защитной среде Аг +25 % СО2, Аг +30 % СО2, Аг +35 % СО2 (рис. 2).
Содержание оксида азота изменяется с увеличением количества С02 в защитной газовой смеси от 0,36 % (Аг + 5 % С02) до 0,83 % (Аг + 35 % СО2).
Масс, доля
0,04 -0.035 ] 0.03 ' 0.025 0,02 -0,015 | 0,П1 -0,005 I
о — 1000
2000
Т. К
Рис. 3. Содержание в защитной газовой среде атомарного и молекулярного водорода в интервале температур 1000 — 6000: 1 — Н2; 2 — Н [7]
При сварке в среде Аг + 25 % СО2 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 % СО2 без присутствия паров воды содержание СО снижается и составляет 17,99 % при температуре 5000 К.
В газовой среде Аг + 25 % СО2 при попадании водяных паров вместе с ОН и СО образуется 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 % (рис. 3).
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.
Газовая фаза дуги при сварке в защитных газах имеет сложный состав. В зону дуги при струйной защите попадает 3 — 6 % воздуха, могут выделяться газы из расплавленного металла [1, 2, 3]. В высокотемпературной зоне проходят сложные плазмохими-ческие реакции, приводящие к образованию биологически активных соединений, которые попадают в зону дыхания сварщика вследствие диффузии и переноса потоками плазмы или воздуха.
Вероятность образования вредных веществ оценивали расчетным путем, а их концентрация в зоне дыхания сварщика при стандартных температурах может быть определена экспериментально [4].
Таблица 1
Состав защитных атмосфер
Защитная атмосфера № Состава Расчетный состав
Дг со2 о2 и2о N2
Аргон 1 100 % — — — —
Смесь аргона 2 95 % — 5 % — —
с кислородом 3 95 % — 1 % — 4 %
4 94 % — 5 % 1 % -
5 90 % — 6 % — 4 %
Смесь аргона 6 80 % 20 % - — —
с углекислым 7 74 % 25 % - 1 % —
газом 8 90 % 5 % 1 % — 4 %
9 85 % 10 % 1 % — 4 %
10 80 % 15 % 1 % — 4 %
11 75 % 20 % 1 % — 4 %
12 70 % 25 % 1 % — 4 %
13 65 % 30 % 1 % — 4 %
14 60 % 35 % 1 % — 4 %
Углекислый 15 100 % — — — -
газ
Смесь углеки- 16 — 95 % 1 % — 4 %
слого газа с 17 — 94 % 1 % 1 % 4 %
воздухом
Для расчета состава защитных атмосфер применен программный комплекс «АСТРА — 4», предназначенный для моделирования химических и фазовых равновесий при высоких температурах. Для расчетов использовали методы равновесной термодинамики, которые по двум заданным параметрам состояния и исходному химическому составу системы позволяют определить все остальные характеристики равновесия, включая термодинамические параметры, свойства переноса, фазовый и химический состав.
Состав защитных атмосфер, исследованных в настоящей работе, приведен в табл. 1.
В табл. 1 включены все рекомендуемые для сварки газовые смеси на основе аргона и углекислого газа с учетом несовершенства струйной защиты.
Приведенные реакции рассмотрены в интервале Т = 298 — 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 0 = 0+ + е 2Н+ + 2е = Н2
С = С+ + е И2 = 2И 0 + Н = 0Н
2С0 = 2С + 02 И2 + 02 = 2И0 0Н + е = 0Н-
2С02 = 2С0 + 02 2И02 = 2И0 + 02 Н + СИ = НСИ
2С + И2 = 2СИ 2И20 = 2И2 + 02
Некоторые из образующихся веществ существуют только в определенном диапазоне температур. Особенностью атомарных газов и образующихся веществ (N0, N02, СО, N00, СИ, СН и др.) является их высокая биологическая активность, проявляющаяся в отравляющем воздействии на живые организмы [2,5].
В плазме дуги существует термодинамическое равновесие, поэтому при медленном охлаждении проходят обратимые процессы восстановления состава смеси. Однако в условиях горения сварочной дуги возможно быстрое охлаждение ее высокотемпературной фазы с фиксацией составов при определенных температурах. Эти составы не свойственны условиям термодинамического равновесия при стандартных температурах.
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 дис-соции рует при температуре выше 4000 К (рис. 4).
Диссоциация молекулярного кислорода увеличивает объем атомарного кислорода вдвое, соответственно увеличивается концентрация атомарного кислорода и его активность в реакциях
0.1*
1000 2000 3000 4000 5000 6000
т.к
Рис. 4. Зависимость концентрации молекулярного и атомарного кислорода от температуры: 1 — 02; 2 — О [7]
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 в атмосфере дуги появляются небольшие концентрации водорода.
В интервале температур 2000 — 5000 К в атмосфере дуги появляется гидроксил, его максимальная концентрация (1,14 мас. %) наблюдается при температуре около 3000 К. Гидроксил 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 Ar + 4 % N2 + 1 % O2. В этом случае в плазме дуги образуется до 0,22 % оксида азота и до 0,023 % диоксида азота.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузмин В.И. Охрана труда и противопожарная защита: Учеб. для сред. спец. учеб. заведений, Легпромбытиздат, Москва, 1991, 224 с.
2. Белов С., Бринза В.Н., Векшин Б.С. и др. Безопасность труда производственных процессов, Машиностроение, Москва, 1985, 448 с.
3. Охрана труда при сварке в машиностроении, Машиностроение, Москва, 1978, 144 с.
4. Лупачева Е.А. 37-я студенческая научно-техническая конференция: Материалы конференции, МГТУ, Могилев (2001) 113
5. Батуро П.М., Лупачева Е.А. Перспективные технологии, материалы и систем: Сб. науч. тр., МГТУ, Могилев, 2001, с. 31.
6. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов Высшая школа, Москва, 1976, 414 с.
7. Лупачева Е.А. Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве: Труды 1-й Международной научно-практической конференции, Одесса, 2002, С. 440. ГГЩ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гришагин Виктор Михайлович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, е-шаП: дпБЬадт.у_@НБ1:.ги, Юргинский технологический институт (филиал) НИТПУ.
А
