Технологический процесс горячей обработки металла. Вредные производственные факторы.

Литейное производство в настоящее время является основной материальной базой машиностроения, потребляющего примерно половину чугунного и более половины стального и цветного металла.

Литейное производство представляет собой совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение заготовок или изделий из металла, заливаемого в расплавленном состоянии в фасонные формы.

Основные этапы литейного производства приготовление шихты и плавка, изготовление форм и стержней, заливка металла в формы, выбивка изделий из формы, обрубка и очистка полученного литья.

Способы литья делятся на 2 группы: получение отливок в разовых формах, однократно заполняемых металлом, и многократного использования. К первой группе относят литьё в песчано-глинистые формы, оболочковые формы, литьё по выплавленным моделям, литьё по газифицируемым моделям, литьё по растворяемым моделям и др.

Ко второй – центробежное литьё, литьё кошель, под давлением, литьё выжиманием, жидкой штамповкой, непрерывное литьё и др. с использованием форм из металла или огнеупорных материалов, позволяющих получать от нескольких сот до десятков тысяч отливок. Более 2/3 всех производимых отливок осуществляются с помощью песчано-глинистых форм.

Основная масса литья производимого из чугуна и стали (до 98%), выплавляется в вагранках, электродуговых и индукционных печах.

Вагранка – это вертикальная плавильная печь, загружаемая сверху шихтой, состоящей из вторичного черного металла, кокса и добавок в виде известняка (флюс), ферромарганца и ферросилиция (присадки). Процесс плавки периодический, поддерживаемый горячим воздушным дутьём с добавлением кислорода. Расплавленный чугун и шлак выпускаются снизу через летки, находящиеся в нижней части печи. Продукты горения (газы и пыль) удаляются верхней части печи.

Дуговые печи с графитированными электродами и непроводящим полом ёмкостью от 3 до 80 т применяются главным образом для получения легированных и модифицированных видов чугуна. В качестве шихты может использоваться до 80% отходов стали (скрои, стружка, высечка и др.). С добавлением малосернистого кокса. Для улучшения перемешивания металла применяется перемещающееся постоянное магнитное поле.

Применение дуговых печей приводит не только к интенсивным тепловыделениям и загрязнению воздуха рабочей зоны при выплавке металла пылью шихты и газоаэрозольной смесью с высоким содержанием оксидов углерода и серы, но и к образованию интенсивного высокочастотного шума, что требует размещение дуговых печей в герметичных звукоизолированных укрытиях с отсосом газов.

Индукционные печи. Для нагрева используют токи в широком диапазоне частотой: от50Гц до 10МГц. Выплавление цветных металлов и сплавов осуществляется главным образом в электрических печах: дуговых, канальных, индукционных, тигельных печах сопротивление и реже в печах с газовым нагревом. Эксплуатация индукционных печей создаёт наиболее благоприятные санитарно-гигиенические условия.

Заполнение металлом литейных форм осуществляется из разливочных ковшей различной емкости и конструкции, перемещаемых от плавильных и раздаточных печей к месту разлива кранами, талями, электрокарами и другими средствами. Там, где используются автоматические формовочные линии, применяют автоматизированные устройства для заливки металла в литейные формы.

Для синхронной работы заливочного участка и формовочных машин на конвейере мелких литейных форм устанавливают промежуточную канальную индукционную печь для непосредственной заливки из неё металла в формы. В такой печи происходит подогрев чугуна, выплавленного в дуговых печах или вагранках.

Использование заливочных литейных машин даёт ряд преимуществ перед ковшовой заливкой не только технологического характера, но и значительно улучшает условия труда.

Нередко используется дуплекс-процесс, сочетающий плавку в вагранках и электропечах.

Наиболее неблагоприятными в гигиеническом отношении является операции загрузки металла и шихты, плавка и разлив металла.

Для получения фасонных изделий, имеющих полости, внутрь форм закладывают специальные стержни, которые при заливке форм металлом выгорают и удаляются при последующей механической обработке отливов.

Изготовление форм и стержней осуществляется в основном из песка и крепителей и может выполняться вручную или механизированным способом. При машинной формовке для уплотнения смеси используются прессование, встряхивание, вакуумирование, воздействие магнитным полем и др., воздух загрязняется пылью, содержащей диоксид кремния, парами и газами от крепителей, процесс сопровождается шумом и вибрацией.

Сушка запыленных форм и стержней производится в печах при температуре 160-240⁰С в течение 1-10ч.

Для получения массовой продукции большой частоты и точности используют оболочковые формы. Их получают автоматизированным способом по металлической оснастке, нагреваемостью до 200-300⁰С. При оболочковом литье расход формовочных материалов в 20 раз меньше, чем при традиционном способе литья – в песчано-глинистые формы.

В качестве смесей для оболочковых форм используется кварцевый песок. С пылевидным связующим – фенол-формальдегидной смолой, пульвер-бакенит или карбомидными смолами, что способствует загрязнению воздуха рабочей зоны смесью химических компонентов и продуктами их термодеструкции (фенол, формальдегид и др.).

Для производства сложных изделий осуществляют отливку по выплавляемым моделям. Они готовятся из легко плавного материала, покрытого огнеупорной обмазкой с последующим её уплотнением путём прокаливания и выплавлением модели из образовавшейся оболочки. Основными компонентами модельных составов являются плавящиеся при температуре50-80⁰С воскообразные материалы (стеарин, парафин, канифоль и др.) огнеупорная обмазка состоит из песка, шамота, карунда со связывающими (этиленсиликат, жидкое стекло) и растворителями (ацетон, спирты, кислоты).

Отливки по газифицируемым моделям из вспенивающихся полимеров, которые не извлекаются из формы перед заливкой её металлом, а вытесняются последним.

Перед формовкой полимерные модели покрывают тонким слоем противопригарной краски. Формировочная смесь готовится из сыпучего ферромагнитного порошка или металлической дроби, уплотняемых с помощью магнитного поля.

При литье в кокиль используют литейные формы-кокили, которые изготовляются из металла с анодированной рабочей поверхностью, образующий наружные очертания получаемой отливки. Для создания внутренних полостей используют разъемные металлические стержни. В процессе работы внутренняя поверхность кокиля периодически покрывается тонким слоем огнеупорных песчано-смоляных смесей. Центробежное литьё осуществляется во вращающихся металлических формах - изложницах, что позволяет за счет центробежной силы, оттесняющий расплавленный металл к наружным стенкам изложниц, обойтись без стержней для образования внутренних полостей в отливках.

Литьё под давлением осуществляется в металлических формах со стержнями также из металла, извлекаемыми в момент раскрытия прессформ после затвердевания отливки.

Заключительные этапы литейного производства включают выбивку отливок из опок, то есть извлечения отливок ещё горячего металла (чугун при температуре 500-800⁰С, алюминий – 200-300⁰С, магний – 100-150⁰С) из металлических каркасов, содержащих формировочную землю, затем выбивку из отливок выгоревших стержней и последующую обрубку и очистку отливок. Выбивка опок осуществляется с помощью различных вибрационных устройств.

Очистка литья и обрубка состоит в освобождении остывших отливок от литников, приливов, поверхностного пригара обмоя и остатков стержневой массы.

Распространена очистка в галтовочных барабанах и дроболитных камерах и обрубка ручными пневматическими зубилами, дуговой резкой и зачистка абразивными кругами. При массовом производстве применяются автоматические линии по зачистке отливок.

Вредные факторы имеют место на всех этапах литейного производства. Приготовление и загрузка в печи плавильной шихт, приготовление земляной смеси и изготовление из неё земляных форм и стержней, связанные с транспортировкой и переработкой сыпучих пылящих материалов и химикатов, а также процессы плавки металла, выбивки из земляных форм готового литья, очистка и обрубка его приводит к интенсивному выделению пыли. Плавка металла, заливка его в формы и выбивка изделий сопровождается выделением токсических газов и тепла.

Применение токсических веществ и полимерных материалов, при изготовлении и обработке литьевых форм, разнообразных флюсов и легирующих добавок приводит к поступлению в воздух рабочих помещений, хотя и в незначительных количествах аэрозоля расплавленных металлов (бериллий, марганец, свинец, хром и др.), флюсов, химикатов, токсических паров и газов (фтористые, хлористые и цианистый водород, оксид углерода, акроилеин, фенол, формальдегид, аммиак, углеводороды, в том числе ароматические, спирты, кетоны и др.). Вредными факторами литейного производства являются избыточные тепло выделения, шум и вибрация.

Интенсивные теплоизлучения имеют место при заполнении разливочных ковшей и их транспортировке, при удалении шлака и розливе металла в формы.

Повышенные уровни локальной вибрации имеют место при обрубке и вибрации рабочего места – при выбивке литья.

Уровни шума на многих участках литейного производства превышают допустимые санитарными нормами. Следует также иметь в виду расширяющиеся распространения в литейном производстве таких физических факторов, как постоянные и переменные магнитные поля, ультразвук и др.

Уровень механизации литейного производства не превышает 70%, а работы тяжелой и очень тяжелой категории составляет до 40%. Несмотря на общее снижение профессиональной заболеваемости в литейном производстве, всё ещё встречаются такие профессиональные заболевания, как вибрационная болезнь, неврит слухового нерва, пневмокониозы, бронхиты пылевой этиологии и заболевания опорно-двигательного аппарата.

Кузнечно-прессовые цехи – здесь металлические заготовки и детали подвергаются предварительному нагреву до 800-1200⁰С и затем обрабатываются на прессах, штампах. При отсутствии нагрева пресс представляет собой холодную штамповку (высадку). С гигиенических позиций основными неблагоприятными факторами производственной среды являются высокая температура воздуха и лучистое тепло, шум, вибрация.

При горячей штамповке метеоусловия характеризуются температурой воздуха в теплый период до 32⁰С, теплоизлучением у открытых проемов нагревательных печей до 20 000КДж/м^2.ч. При применении в качестве топлива (твердого, жидкого) угле- или нефтепродуктов в воздушную среду на рабочих местах выделяется пыль (концентрации ее превышают ПДК в 3-10 раз), СО, сажа, сернистый газ, продукты термической деструкции топлива.

В случае применения других, более прогрессивных видов нагрева, воздушная среда соответствует гигиеническим требованиям, их лишь в случае неисправности печей, форсирования режима нагрева, при неэффективной вытяжной вентиляции на рабочих местах могут отмечаться незначительные концентрации продуктов термоокислительной деструкции смазки частей пресса, аэрозоль масса до 9-12кг/м³.

Прессы и штампы для обработки заготовок (нагретых и холодных) являются источниками интенсивного импульсивного шума, уровень его достигает 120-130 дБ. Шум создаваемый работой оборудования, тем сильнее, чем больше усилие пресса штампа кузнечного молота. При работе с нагретым металлом возможно отлетание окалины, обуславливающее опасность производственного травматизма (ожоги, ушибы).

Термические цехи. Термическая обработка заключается в нагревании металлических изделий и деталей в различных средах (жидких, твердых, газообразных). Она включает процессы отжима, нормализации закалом, отпуска, а также химические процессы, с помощью которых в поверхностный слой металла вводится углерод (цементация), азот (азотирование), цианистые соединения (цианирование, карбонитрация). При всех перечисленных процессах производится нагрев изделий до температуры 450-1100⁰С.

Оборудование термических цехов представляет печи, нагревательные установки, печи-ванны, закалочные ванны или установки-полуавтоматы. Условия труда в термическом цехе определяются метеорологическими параметрами, наличием вредных веществ в воздушной среде и электромагнитного поля.

Микроклимат на рабочих местах термитов у закалочных, нагревательных печей характеризуется повышенной температурой воздуха рабочей зоны (на 7-10⁰С), интенсивным теплоизлучением (до 13000 КДж/м^2.ч). Применение ряда химических веществ (оксид и диоксид углерода, аммиак, расплавы свинца и углистых солей) в качестве закалочной среды создает возможность выделения в воздух, как перечисленных веществ, так и продуктов их термоокислительной деструкции.

Не проходит выделение вредных веществ при процессах, осуществляемых в герметизированном оборудовании (вакуумирование и др.). Технология термообработки определяет состав вредных выделений. Так, в процессе цементации при использовании древесного угля в смеси с углекислым натрием (калием) возможно выделение цианистого натрия или калия. При применении в качестве закалочной среды желтой кровяной соли при температуре 500-610⁰С в нейтральной среде также возможно образование и выделение цианидов.

Оснащение всех ванн с расплавами цианидов и циановых солей эффективной местной вытяжной вентиляцией обеспечивает содержание цианистого водорода в воздушной среде на уровне ПДК (0,01-0,03 мм/м³). При отсутствии и недостаточности экранирования широкое применение ТВЧ связано с возможностью воздействия на работающих электромагнитного поля.