На протяжении ряда лет на предприятиях различных отраслей экономики остается стабильно высоким уровень загрязнения воздуха рабочей зоны вредными веществами. Вредные вещества в воздухе рабочей зоны, превышающие допустимые нормативные значения, могут вызвать не только отклонения в состоянии здоровья работающих, но и стойкие профессиональные заболевания [5]. Проблема организации эффективных технических средств защиты является весьма актуальной [7], во-первых, в связи с внедрением новых современных технологий [10], во-вторых, с износом имеющегося технологического оборудования [4].
В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термическим производствам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.
Задачей современного машиностроения является улучшение качества получаемых изделий, повышение их работоспособности, надежности, долговечности [8], которые обеспечивают безопасность при дальнейшей эксплуатации конкретного изделия [3, 9]. Однако, к сожалению, современное производство продолжает оставаться источником опасных и вредных производственных факторов [2]. Поэтому вопросы снижения их вредного воздействия на работников обрабатывающих предприятий актуальны и требуют постоянного внимания.
К числу выполняемых операций, способствующих достижению высоких механических и физико-механических свойств металла, относятся: отжиг; цементация; нормализация; азотирование; закалка и различные виды отпуска [6].
В процессе проведения операций по термообработке происходит выделения большого количества вредностей, к числу которых можно отнести: избыточное тепло; пары и газы вредных веществ.
Постоянное воздействие высоких температур окружающего воздуха приводит к нарушению теплового баланса системы «человек – окружающая среда» [5], проявляющегося в накоплении тепла в организме работающего (гипертермии), напряжения различных функциональных систем организма, нарушению состояния здоровья, снижению работоспособности и производительности труда.
Газы и пары вредных веществ, попадая даже в небольших количествах в воздух рабочей зоны, при контакте с организмом работающего, в случае нарушения требований безопасности, могут вызвать производственные травмы, профессиональные отравления и заболевания.
Физиологическое воздействие различных газов и паров зависит от множества факторов, но прежде всего, от их токсичности и концентрации в воздухе производственных помещений, а также от времени пребывания в контакте с ними работающих.
Одной из первоочередных задач улучшения условий труда в горячих цехах является снижение выделения в воздух производственных помещений таких вредностей, как излишки тепла и вредные вещества.
Во-первых, это может быть достигнуто выбором соответствующего производственного оборудования и коммуникаций, не допускающих выделения вредностей в воздух рабочей зоны в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации при нормальном ведении технологического процесса.
Во-вторых, необходимо предусматривать очистку технологических выбросов с целью улавливания, рекуперации и нейтрализации вредных веществ, содержащихся в отходящих газах.
Одним из основных технических средств, предотвращающих попадание вредных веществ в воздух рабочей зоны, являются местные отсосы. Они представляют собой устройства для забора вредных веществ от технологического оборудования или мест их образования [1].
К местным отсосам предъявляются следующие санитарно-гигиенические требования:
1) отсос должен полностью укрывать место образования вредных веществ и иметь минимальный технологический проем (рабочий проем) для обслуживания процессов;
2) отсос должен располагаться в местах, обеспечивающих максимальную производительность труда и безопасность технологических процессов;
3) отсосы должны иметь минимальные аэродинамические сопротивления;
4) удаление вредных веществ должно совпадать с направлением действия сил инерции вредных веществ;
5) отсосы должны изготавливаться индустриальными методами и легко демонтироваться.
Существует следующая классификация местных отсосов:
- полуоткрытые – местные отсосы, укрывающие место образования вредных веществ и имеющие рабочий проем для обслуживания технологического оборудования (вытяжные шкафы, вытяжные камеры);
- открытые местные отсосы, расположенные за пределами технологического оборудования и технологической линией (зонты, бортовые отсосы);
- полностью закрытые – местные отсосы, входящие в состав кожуха технологического оборудования.
Основным оборудованием в термических цехах являются камерные и шахтные печи. У камерных печей рациональны местные отсосы в виде зонтов и зонтов-козырьков.
На практике выявлено, что у шахтных печей локальный отсос в виде вытяжного зонта мешает ведению технологического процесса (цементации, азотирования) в момент открывания крышки. Заключается это в том, что у большинства цилиндрических печей загрузочное отверстие находится сверху, оно оборудуется телескопической крышкой, что затрудняет использование местного вытяжного зонта.
Целью данной работы является выбор эффективного технического средства защиты в виде местного отсоса, препятствующего попадание в воздух рабочей зоны вредностей, отходящих от печей нитроцементации и азотирования.
а) б) в)
Рис. 1. Варианты конструкций кольцевых отсосов: а) обычный; б) с экраном; в) с заглублённой щелью
Для более эффективного удаления вредностей, отходящих от шахтных электропечей в процессе ведения технологического процесса, предлагается замена вытяжного зонта на на другой вид локальной вентиляции – кольцевой отсос.
Кольцевой отсос представляет собой кожух, устраиваемый в верхней части шахтной печи, через который удаляется загрязнённый воздух. Конструктивно кольцевой отсос подобен обыкновенному бортовому отсосу, но есть важное отличие. В кольцевом отсосе, в отличие от бортового, нет незащищённых отсосом сторон, и подтекание воздуха в нем происходит со всех сторон по кольцу.
В промышленности применяются виды кольцевых отсосов, схемы конструкций которых представлены на рис. 1.
В работе выполнен расчет кольцевого отсоса на примере шахтной цементационной электропечи термического цеха.
При нитроцементации, в процессе сгорания жидкого карбюризатора, помимо образования избыточного тепла образуются следующие вредные химические вещества:
- углерод оксид;
- углеводороды предельные С6-С10 (по гексану);
- углеводороды предельные С1-С5 (по метану);
- алканы С12С19;
- натрий гидрокарбонат.
Исходя из конструктивных и технологических соображений, выбираем кольцевой отсос обычного исполнения (рис. 1, а). На рис. 2 представлен вид сверху.
Расчет кольцевого отсоса сводится к определению количества отсасываемого воздуха, которое предотвращает прорыв вредных выделений в рабочее помещение.
Рис. 2. Кольцевой отсос. Вид сверху: 1 – оголовок; 2 – корпус; 3 – сборный коллектор; 4 – воздуховод, отводящий загрязненный воздух; 5 – цилиндрическая печь
В результате определено количество отсасываемого от печи воздуха с температурой tp = 800 °C.
Принята кольцевая щель В = 50 мм, высота от уровня поверхности изделия равна h = 200 мм, высота спектра вредностей hвр = 100 мм, диаметр внутренней части печи d=600 мм, полный диаметр печи D = 1900 мм.
Количество воздуха, поднимающегося над нагретой ванной, определяется по формуле
м3/ч, (1)
где Qk – секундный конвективный тепловой поток, определяемый как
кВт, (2)
где А – площадь источника вредных выделений. В случае круглого поперечного сечения равен 0,7854d2;
αк – коэффициент конвективного теплообмена, равный
Вт/(м2 °С), (3)
Δtp – избыточная температура поверхности источника вредностей, равная
Δtp= tp – tв, °С, (4)
где L – высота расположения рассматриваемого сечения над нагретой поверхностью, определяемая по формуле
м. (5)
Избыточная температура поверхности источника вредностей с учетом исходных данных:
Δtp= 800 – 18 = 782 °С.
Тогда
Вт/(м3 °С),
А = 0,7854•0,62 = 0,283 м2.
Количество теплоты, выделяемой источником, будет равно
кВт,
м.
Подставляя полученные данные в формулу 1, находим количество воздуха, поднимающегося над нагретой печью:
м3/ч.
Геометрический параметр кольцевого отсоса:
м, (6)
м.
По рис. 3 находится L0/Lk.
L0/Lk = 1,1.
Тогда расход воздуха, отсасываемого через кольцевой отсос, равен
(7)
м3/ч.
Ввиду того, что температура источника вредностей больше 100 °С, поправку на подвижность воздуха делать не нужно [1].
В итоге, для эффективного удаления вредностей, отходящих от печи нитроцементации, необходимо установить кольцевой отсос обычного типа, имеющий кольцевую щель 0,05 м, относительную высоту 0,38 м и расход воздуха, отсасываемого через кольцевой отсос, равный 1128 м3/ч.
Таким образом, использование местной вытяжной вентиляции у шахтной цементационной электропечи в виде кольцевого отсоса взамен вытяжного зонта обеспечит надежное и технологичное функционирование производственного оборудования, а также создаст условия для безопасного и безвредного обслуживания всех установок и систем персоналом на предприятии.
Рис. 3. График зависимости относительного расхода воздуха от отношения расстояния высоты подъема теплового потока к диаметру кольцевого отсоса