Визначення умов штучного охолодження при зварювані балкових конструкцій з легованих сталей (таврова балка)

5. Охорона праці та безпека у надзвичайних ситуаціях

5.1 Дослідження шкідливих та небезпечних аерозолів при зварюванні таврових балок із сталей різного хімічного складу

Відомо, що зварювальні процеси із застосуванням електричної дуги сильно впливають на здоров'я зварників [20, 21]. Найбільший ризик представляє зварювальний аерозоль (ЗА), від якого зварник захищений дуже слабко. Основним компонентом (по кількості) аерозолю є окисли заліза (45 - 65%). Однак залежно від застосовуваних електродів в аерозолях утримуються окисли марганцю, хрому, кадмію, ванадію, цинку, свинцю, двоокис кремнію й фтористі з'єднання. Зміст цих речовин у порівнянні з окислами заліза відносно невеликий, але внаслідок своєї токсичності вони можуть мати вирішальне значення при визначенні ступеня шкідливості пилу [22].

Одним з факторів науково-технічного прогресу є ріст застосування вже існуючих і впровадження нових способів і матеріалів для зварювання металів. Особливо це актуально при застосуванні легованих сталей у промисловості [23, 24].У повітряному середовищі виробничих приміщень при даних способах обробки металів з'являється зварювальний аерозоль (ЗА). Цей аерозоль представляє головну професійну небезпеку праці зварника, тому що володіє фіброгенною дією, а також при тривалому виконанні робіт сприяє розвитку електрозварювального пневмоконіоза. Якщо ЗА містить значну кількість марганцю, то цей надзвичайно токсичний елемент може викликати марганцеву інтоксикацію, при якій відбуваються необоротні зміни в ЦНС. Інші компоненти ЗА, маючи сильну дратівну дію, здатні викликати хронічний бронхіт. В останні роки встановлено, що багато компонентів зварювального аерозолю, не викликаючи специфічних професійних хвороб, при тривалому впливі збільшують ризик виникнення серцево-судинних й онкологічних захворювань, а також зменшують тривалість життя [25].

Мета дослідження та небезпечних аерозоль при зварювання таврових балок із сталей різного хімічного складу.

Найбільше зустрічаються такі шкідливі речовини, що утворюються при обробці металів й у зварювальних процесах: хром, мідь, марганець, кремній, оксиди заліза, нікель, ванадій, озон, оксид вуглецю й ін.

При влученні димів металів у респіраторний тракт людини симптоми, що нагадують простудне захворювання, можуть з'явитися протягом 24 годин. Хоча такі симптоми звичайно швидкоплинні з наступним повним видужанням, постійний вплив димів металів може привести до таких довгострокових захворювань, як бронхіт, набряк легенів і навіть захворювання кісткових тканин.

З огляду на ступінь токсичності, фізико-хімічні властивості, шляхи проникнення речовини в організм, відповідно до вимог санітарії в повітрі робочої зони виробничих приміщень установлюються гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин, затверджені Міністерством охорони здоров'я, перевищення яких не допускається.

Гранично допустимими концентраціями шкідливих речовин у повітрі робочої зони є такі концентрації, які при щоденній восьмигодинній роботі протягом усього робочого стажу не можуть викликати в працюючих захворювань або відхилень в стані здоров'я, що виявляють сучасними методами дослідження безпосередньо в процесі роботи або у віддалений термін. Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин нормуються в повітрі робочої зони. Робочою зоною варто вважати простір висотою до 2 м над рівнем підлоги або площі, на якій перебувають місця постійного або тимчасового перебування працюючих. По ступені впливу на організм людини шкідливі речовини підрозділяють на чотири класи: клас 1 - речовини надзвичайно небезпечні; клас 2- речовини високо небезпечні; клас 3 - речовини помірковано небезпечні; клас 4 - речовини мало небезпечні. У табл. 5.1 дані зі СН 245-71.

Таким чином, зварник у процесі своєї діяльності піддається шкідливому впливу зварювальних аерозолів. Тому при зварювання таврових балок необхідно прогнозувати склад зварювального факела для створення оптимальних умов праці.

Таблиця 5.1.Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин у повітрі робочої зони зварювальних цехів

Нагрівання, плавлення й перенос електродного (присадкового) матеріалу, а також плавлення основного металу супроводжується протіканням ряду фізико-хімічних процесів. У роботі [24] для обліку зміни складу інгредієнтів, що формують зварювальну ванну, застосовують коефіцієнти переходу.

Коефіцієнт переходу являє собою ніби коефіцієнт корисного використання елемента. Зазначений показник визначається відношенням концентрації елемента в перенесеному у ванну металі до його змісту у вихідному матеріалі. Виходячи із цього, присутність елемента Е можна представити у вигляді:

[Е] = г• [Е]₀•з₀ + (1 -г)•[Е]_Э•з_Э, (5.1)

де з₀, з_Э - коефіцієнти переходу елемента з основного й електродного металу відповідно; [Е]₀,[Е]_Э - зміст елемента в основному металі й електроді.

Найчастіше в розрахунках величиною з₀ зневажають, уважаючи з₀?1. Необхідно, однак, відзначити велику похибку розрахунків при використанні коефіцієнтів переходу. Це пояснюється залежністю величини з від режимів зварювання, способу введення легуючих елементів, окисних умов у зоні зварювання. В [24] указується, що при одній і тієї ж вихідної концентрації легуючого елемента його перехід буде істотно менше, якщо він уводиться в покриття, флюс, а не в дріт, або при зменшенні уведення розкислювачів.

Букі А.А при розгляді фізико-хімічних процесів, що супроводжують плавлення й вибірний випар багатокомпонентного металу, взаємодіючого з багатокомпонентними газами і шлаком, застосував функції нерівновагої термодинаміки [26]. У роботі [24] приводиться методика інженерного розрахунку хімічного складу шва, одержуваного при зварюванні дротом суцільного перетину в середовищі захисних газів.

Можливі табличний і графоаналітичний методи розрахунку. Рівняння моделі перетворені так, щоб по комплексному параметру К_т можна було розрахувати коефіцієнт переходу легуючих елементів. Комплексний параметр повинен визначатися з умов зварювання. Приймаючи в попередньому розрахунку [Е]_шi=[Е]_ш.см.i, К_т рекомендується розрахувати по формулі [7]:

 (5.2)

(5.3)

де К_з - коефіцієнт швидкості плавлення металу, м³/(А•с),

а_с - коефіцієнт, дорівнює ;

К₂ - коефіцієнт окисної здатності захисного газу (середовища), що залежить від парціальних тисків газів, що містять кисень;

V_п.п - швидкість подачі електрода, м/год;

F_э - перетин електрода, мм²;

[С]_р - рівноважна концентрація вуглецю в металі, при рівновазі в системі метал-газ (С_р=0,09%);

K_i - коефіцієнт окислення і-гo елемента;

К_с - коефіцієнт окислення вуглецю;

K₁ - коефіцієнт, що характеризує цикл зварювання;

I_ср - середній зварювальний струм, А.

Якщо зварювальний струм, напруга на дузі, витрата газу й інших парів-метрів прийняті по відповідних рекомендаціях [24], то значення К₁ й K₂ можуть бути визначені з табл.5.2.

Табличний метод полягає в розрахунку комплексного параметра К_m і визначенні по таблиці коефіцієнтів переходу легуючих елементів (див. табл. 6.3), які пов'язані з К_m наступним співвідношенням

(5.4)

Графоаналітичний розрахунок застосовується, коли немає високих вимог до точності розрахунку [24]. Він припускає визначення комплексного параметра К_т і знаходження коефіцієнтів переходу легуючих елементів по номограмі (рис. 5.2).

Таблиця 5.2.Коефіцієнти для табличного методу розрахунку складу металу

Примітки * - парціальні тиски О₂ и СО₂ у вихідній суміші захисних газів.

Рис. 5.2. Номограма для розрахунку коефіцієнта переходу з_э

Таблиця 5.3.Коефіцієнти переходу легуючих елементів

Розрахунок К_т здійснюється по формулі:

 (5.5)

де К₆ - коефіцієнт, що залежить від захисного середовища.

Таблиця 5.4.Значення коефіцієнтів К_i и А_i для деяких елементів

Коефіцієнти переходу будемо знаходити по табличному методу. Після розрахунку коефіцієнта переходу можна визначити скільки того чи іншого елемента міститься в повітрі наступним чином.

Знаходимо присутність елемента у зварному шві з обліком коефіцієнтів переходу по 6.1. Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у % (на прикладі марганцю):

Mn_СА = Mn_? - [Mn]= %, (5.6)

де Mn_? = Mn_пр + Mn_{осн. м} - сумарний вміст марганцю, %

Mn_пр - кількість Mn у зварювальному дроті або електроді, %

Mn_{осн. м} - вміст Mn в основному металі, %.

Потім це значення потрібно перевести мг/м³. Визначаємо вагу наплавленого металу, г:

G_н = F_ш•L_ш•г, (5.7)

де F_ш - площа шва, см²;

L_ш - довжина шву, см;

г - щільність основного металу - 7,8 г/см³.

Знаючи вагу наплавленого металу і долю елемента в ЗА, методом пропорції визначаємо кількість елементу в мг у повітрі. Приймемо для розрахунку обсяг приміщення V_пом = 25920 м³ (стандартні розміри, 72х72х5 м), тоді визначаємо скільки елемента у мг міститься в 1м³. В кінці порівнюємо отримане значення з ГДК (див. табл. 5.1). Якщо отримане значення вище ГДК, то необхідно використовувати більш ефективні засоби вентиляції і індивідуального захисту органів дихання.

При зварюванні електродом, що плавиться, у захисних газах у ЗА переходить 0,5...2,0 % маси зварювального дроту. Хімічний склад що утвориться ЗА на 80...90 % обумовлений складом зварювальних матеріалів [27].

Зробимо прогноз складу зварювального факела при зварювання сталей . Хімічний склад сталей наведений у табл.2.4. Хімічний склад зварювального дроту у табл. 5.5.

Для розрахунку візьмемо зварений шов-кутовій таврової балки, товщини основного металу 12 мм приймаємо діаметр електродного дроту 2 мм. Зварювання виконується в захисному газі (аргон) за один прохід.

Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Таблиця 5.5. Хімічний склад дроту

Коефіцієнти К₁=1, К₂=0,05 прийняті по табл. 5.2

г= F_пр/(F_пр+F_н)= F_пр/F_ш; n=1-г‚

F_н= k²/2+1,05к, F_пр= 0,73•K•K

к=6мм F_н=24,3 мм², F_пр=26,28 мм²

г=26,28 /(26,28 +24,3)=0,52

n=1-0,52=0,48

Зварювальний струм:

Швидкість подачі дроту:

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 52%, доля участі електродного металу 48%. Площа перетину електрода: F_э=р•R²=12,5 мм².

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,49, з_Cr=0,885, з_Si =0,61, Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, у шві в сталі 09Г2С по (5.1):

[Mn] = г•[Mn]₀•з₀+n•[Mn]_Э•з_Mn=0,52•2,1+0,48•1,7•0,49= 1,49 %

[Cr] = г• [Cr]₀•з₀+n•[Cr]_Э•з_Cr=0,52•0,2+0,48•0,3•0,885=0,24 %.

[Si] = г•[Si]₀•з₀+n•[Si]_Э•з_Si=0,52•0,95+0,48•0,8•0,61=0,72 %

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у %, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

Mn_СА = Mn_? - [Mn]=3,8-1,49=2,31 %.

Cr_СА = Cr_? - [Cr]=0,5-0,24=0,74 %.

Si_СА = Si_? - [Si]=1,75-0,72=1,03 %.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³.

G_н = F_ш•L_ш•г,

F_ш=1,68см²

L_ш=1500см

G_н =1,68•1500•7,8=19656г

V_пом = 25920 м³

Отримаємо Mn? 17 мг/м³, Cr? 2 мг/м³, Si?7,8 мг/м³.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, у шві в сталі 15ХГ:

[Mn] = г•[Mn]₀•з₀+n•[Mn]_Э•з_Mn=0,52•0,7+0,48•2,7•0,49= 0,99 %

[Cr] = г• [Cr]₀•з₀+n•[Cr]_Э•з_Cr=0,52•1,1+0,48•1•0,885=0,99 %.

[Si] = г•[Si]₀•з₀+n•[Si]_Э•з_Si=0,52•0,37+0,48•0,95•0,61=0,48%

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у %, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

Mn_СА = Mn_? - [Mn]=3,4-0,99=2,4 %.

Cr_СА = Cr_? - [Cr]=2,1-0,99=0,2 %.

Si_СА = Si_? - [Si]=1,32-0,48=0,84 %.

Отримаємо Mn? 18 мг/м³, Cr? 1,5 мг/м³, Si?6,37 мг/м³.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, у шві в сталі 16ГС:

[Mn] = г•[Mn]₀•з₀+n•[Mn]_Э•з_Mn=0,52•1,2+0,48•1,1•0,49= 0,88 %

[Cr] = г• [Cr]₀•з₀+n•[Cr]_Э•з_Cr=0,52•0,3+0,48•0,2•0,885=0,24 %.

[Si] = г•[Si]₀•з₀+n•[Si]_Э•з_Si=0,52•0,7+0,48•0,9•0,61=0,62%

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у %, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

Mn_СА = Mn_? - [Mn]=2,3-0,88=1,42 %.

Cr_СА = Cr_? - [Cr]=0,5-0,24=0,26 %.

Si_СА = Si_? - [Si]=1,6-0,24=1,36 %.

Отримаємо Mn? 10 мг/м³, Cr? 1,9 мг/м³, Si?10,3 мг/м³.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, у шві в сталі 12ХМ:

[Mn] = г•[Mn]₀•з₀+n•[Mn]_Э•з_Mn=0,52•0,7+0,48•0,6•0,49= 0,5 %

[Cr] = г• [Cr]₀•з₀+n•[Cr]_Э•з_Cr=0,52•1,1+0,48•1,2•0,885=1,08 %.

[Si] = г•[Si]₀•з₀+n•[Si]_Э•з_Si=0,52•0,37+0,48•0,3•0,61=0,28%

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у %, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

Mn_СА = Mn_? - [Mn]=1,3-0,5=0,8 %.

Cr_СА = Cr_? - [Cr]=2,3-1,08=1,22 %.

Si_СА = Si_? - [Si]=0,67-0,28=0,39 %.

Отримаємо Mn? 6 мг/м³, Cr? 9 мг/м³, Si?2,9 мг/м³.

Розраховані концентрації заварювальних аерозолів при зварювання легованих сталій запишемо у табл. 5.6

Таблиця. 5.6. Концентрація зварювальних аерозолі при зварювання легованих сталій

В таблиці 5.6 бачимо що при заварювання таврових балок довженною 15 м з легованих сталей вміст марганцю, хрому, та кремнію перевищує ГДК. Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Висновок

Застосування легованих сталей дозволяє створити досконаліші та економічні зварні конструкції. Для усунення залишкових зварювальних деформацій застосували в даній роботі штучне охолодження при зварюванні таврової балки. Але використання штучного охолодження при зварюванні легованих сталей виникає гартівні структури в зварювальному шві та в околошовній зоні.

Були розраховані швидкості охолодження після зварювання таврової балки із сталей 09Г2С, 15ХГ, 16ГС, 12ХМ. Також для цих сталей були побудовані температурні поля при зварюванні без штучного охолодження, а так само температурні поля при зварюванні з штучним охолодженням.

У магістерській роботі був розроблений метод оптимізації умов штучного охолодження при зварюванні таврової балки з легованих сталей. Для оптимізації штучного охолодження при зварюванні сталей 09Г2С, 15ХГ, 16ГС, 12ХМ, було визначено тиску охолоджувальної рідини. Розраховані після зварювальні деформації після зварювання і після зварювання з штучним охолодженням.

Список використаних джерел

1. Гедрович А.И. Пластическая деформация при сварке. - Луганск: Издательство Восточноукраинского государственного университета, 1998. - 237 с.

2. Лобанов Л.М., Савченко В.А., Павловский В.И., Пащин А.Н., Сенченков И.К., Червинко О.П., Габиева Г.А. Математическая модель для определения взаимных продольных смещений элементов конструкций при сварка. / автоматическая сварка, №3, 1998, с. 5-9, 13

3. Лобанов Л.М., Касаткин Б.С., Павловский В.И. Применение теплоотводящих паст для регулирования термодеформационных процессов

4. Б.С. Касаткин, В.М. Прохоренко, И.М. Чертов Напряжения и деформации при сварке. - К.: Вища шк. Головне изд-во, 1987. - 246 с.

5. Недосека А. Я. Основы расчета сварных конструкций. - К.: Вища шк. 1988 г. - 117 с.

6. Гедрович А.И., Жидков А.Б. Ресурсосберегающие методы регулирования деформаций и напряжений в сварных металлоконструкциях: Монография. - Луганск: - изд-во ВНУ им. В. Даля, 2002. - 96 с.: табл. 12. ил. 45. библиогр. 32 ист.

7. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-296с., ил.

8. Гедрович А.И., Жидков А.Б. Сварка тонколистовых металлоконструкций с принудительным охлаждением. - Луганск: Издательство Восточноукраинского государственного университета, 1999. -24с.

9. А.С. 1655745 А1 СССР МКИ В23К 37/06. Медно-флюсовая подкладка. /Калюжный В. В., Гедрович А. И., Черноморов М. И., Солосенкова И. А. - Опубл. 15.06.91, бюл. №22.

10. А.С. 1066765 СССР МКИ В23К 28/00. Способ уменьшения деформаций и напряжений в сварных корпусных конструкциях. /Астахов Л.С., Журавлев Ю.А., Утюшев Р.И., Стрепетов В.И., Васильев Л.Л. Сени-н В.В., Моргун В.А., Прохоров М.А., Воюш Д.П. - Опубл. 1984 бюл. №2.

11. А.С. 1066767 СССР МКИ В23К 34/04. Устройство для охлаждения изделий в процессе сварки. / Астахов Л.С., Журавлев Ю.А., Дубски-х Ю.А., Утюшев Р.И., Стрепетов В.И., Васильев Л.Л., Сенин В.Г.;

12. Прохоров Н.П., Полухин В.М. Расчетный анализ влияния местных стоков теплоты на снижение продольных деформаций при сварке пластин встык. // Сварочное производство. - 1992, №1. -

13. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Сварка плавлением» для студентов, обучающихся по направлению «Сварка» (всех форм обучения) / Cост. А. И. Гедрович. Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2006. 42 с.

14. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по ТЗЗ спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва»/ В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. -- М.: Высш. шк., 1988.

15. Напряжения и деформации при сварке / Б. С. Касаткин, В. М. Прохоренко, И. М. Чертов.-- К. : Вища шк. Головное изд-во, 1987.-- 246 с.

16. УОНГ X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. -- М.: Атомиздат, 1979. -- 216 с.

17. Сварка в машиностроении. Том 3. Под ред. В.А. Винокурова. - М.: Машиностроение, 1979. - 567 с.

18. Левченко О.Г. Способи та засоби локалізації і нейтралізації зварювальних аерозолів: Автореф. дис. докт. техн. наук: 05.26.01 / ННДІОП. - К., 2002. - 35 с.

19. Левченко О.Г. Влияние технологических режимов сварки в СО₂ конструкционных сталей на выделение аэрозоля // Автомат. сварка. - 1992. - № 9-10. - С. 31-33.

20. Гедрович А.И. и др. Сварка аустенитной стали 10Х13Г18ДУ (ДИ-61Х) при изготовлении дизель- и электропоездов на Х/К «Лугансктепловоз» // Сварщик. - 2002. - №6 (28). - С. 10-11.

21. Перемитько В.В., Лебедев Б.Д. Расчетные методы в сварке плавлением: Учебн. Пособие.- Днепродзержинск, 1998.- 248с.

22. Ерёмин Л.П., Гришагин В.М., Деменкова Л.Г. Образование сварочных аэрозолей и их влияние на безопасность жизнедеятельности сварщиков // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: Материалы VIII Международной научно-практической конференции - т. 2 - Кемерово, КузГТУ, 12 нояб. 2009. - Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2009. - c. 75-78 (60811433).

23. Буки А.А. Моделирование физико-химических процессов дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1991. 288 с.

24. Левченко О.Г. Процессы образования сварочного аэрозоля // Автоматическая сварка. - 1996. - №4 (517). - C. 17-21.

Размещено на Allbest.ru