Пожарная безопасность технологических процессов / Shvyrkov - PB tekhnologicheskikh processov 2012

22.2.1. Особенности пожарной опасности литейного производства

1.Пожарная опасность литейного производства определяется пожаровзрывоопасными свойствами веществ и режимом работы технологического оборудования.

2.Подготовка формовочной смеси основана на смесеобразовании из различных компонентов. В состав формовочной смеси входит песок,

глина, связующие и антипригарные добавки. В качестве связующих в смеси используются (до 10 % от общей массы) неорганические (жидкое стекло) и различные органические вещества. Органические вещества (продукты переработки нефти, сланцев и древесины, синтетические смолы, масла, декстрины) являются горючими веществами, способными воспламеняться при контакте с источником зажигания и обладающие склонностью к самовозгоранию. В качестве антипригарных добавок

вформовочной смеси используются каменный уголь и мазут. В качестве топлива при сушке форм и стержней в сушильных печах используется природный газ и мазут. Для изготовления выплавляемых моделей используются стеарин, парафин и церезин. При плавке металла в плавильных печах используются уголь, нефть, газ, мазут. Когда требуется более высокий температурный режим, плавку металла осуществляют в вагранках, в которых в качестве топлива используется кокс.

3.Наиболее пожароопасными операциями при производстве отливок

вразовых формах являются сушка форм и стержней, а также плавка металла и его заливка в формы. Сушка форм и стержней осуществляется

всушильных печах камерного или конвейерного типа периодического или непрерывного действия при температуре 300–350 ºС. Ее продолжительность – ориентировочно 1 ч на 25 мм толщины сечения стенок – нередко составляет 4–6 ч, а для крупных форм – до 24 ч и более. В качестве теплоносителя применяется воздух. Прогрессивным способом является сушка горячим воздухом, подаваемым непосредственно в полость формы. Иногда применяют поверхностную сушку на глубину 10–40 мм переносными сушилками или установками инфракрасного излучения.

4.При нормальной работе, которая характеризуется регламентной рабочей температурой и регламентным воздухообменом, в сушильных печах горючая концентрация образоваться не может. Однако при пуске (в период розжига) и остановке пламенных печей, а также при снижении кратности воздухообмена или повышении рабочей температуры выше нормы горючая концентрация образоваться может. Это связано с тем, что

впроцессе сушки при спекании формовочной и стержневой смеси происходит интенсивное выделение паров органики и частично продуктов их термического разложения. Подробный анализ причин образования горючих концентраций в печах рассмотрены в гл. 16.

302

5.В современной технике используют литые детали из очень многих металлов: чугуна, углеродистой и легированной стали, а также из цветных металлов и сплавов. Однако наиболее распространенным литейным сплавом является чугун (более 70 % всех отливок по массе получают из чугуна).

6.В литейном производстве плавку металлов и сплавов производят

спомощью различных плавильных устройств: вагранок, электропечей, пламенных печей, конверторов и тиглей. Основным плавильным агрегатом для плавки чугуна и получения из него фасонных отливок является вагранка, которая представляет собой типичную шахтную печь, состоящую из стального кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом. Нижняя часть печи опирается на плиту, закрепленную на четырех колоннах. Вверху вагранка заканчивается трубой. Через специальное окно, расположенное в нижней части печи, вагранку набивают огнеупорной формовочной смесью. После чего это окно замуровывают. Шихту загружают через верхнее окно периодически, по мере ее использования. В качестве шихты применяют доменный чушковый чугун в виде небольших (до 55 кг) слитков, чугунный машинный лом, стальные отходы, добавки ферросплавов и т. д. В этом случае для плавки служит кокс или природный газ. Для сжигания топлива в вагранку, выше уровня набивки формовочной смеси, из кольцевого воздухопровода через фурмы подают воздушное дутье. Жидкий чугун и шлак стекают вниз и отводятся в копильник, откуда по разным леткам их выпускают по мере необходимости.

7.Пожарная опасность вагранок определяется пожарной опасностью веществ, используемых при плавке чугуна (доменный кокс, природный газ), и жестким температурным режимом работы (более 1500 ºС).

8.Горючая концентрация внутри вагранки при нормальной работе образоваться не может в связи с отсутствием в ней воздуха. Однако при пуске ее в работу при использовании в качестве топлива природного газа такая опасность существует (анализ причин образования горючих концентраций в период розжига рассмотрены в гл. 16).

9.Процесс плавки чугуна в вагранках при использовании в качестве топлива кокса сопровождается интенсивным образованием большого ко-

личества ваграночных газов (при сгорании 1 т кокса образуется около 5000 м3 газов). Отходящие газы содержат значительное количество горючих составляющих (в основном оксида углерода и водорода). Эти газы через дымовую трубу выбрасываются наружу, загазовывая близлежащую территорию. Для предупреждения этой опасности на некоторых отечественных машиностроительных заводах применяют вагранки закрытого типа, оснащенные специальными системами высокоэффективной очистки и дожигания ваграночных газов.

303

10. В небольших литейных цехах заливку металла в формы осуществляют на специальных площадках (на плацу) или непосредственно на формовочной площадке. В механизированных цехах ее производят на конвейерах, оборудованных рольгангами. Расплав заливают в форму с помощью ковшей. Затем отливку охлаждают и по системе конвейеров последовательно подают на выбивку из форм, на обрубку литников и очистку ее поверхности от пригоревшей формовочной смеси. Отработавшую формовочную смесь после регенерации возвращают в отделение приготовления смесей.

11.Характерными источниками зажигания в литейном цехе являются открытое пламя вагранок, расплавленный металл и искры при заливке его в формы, высокая температура поверхности отливок, самовозгорание отложений, образующихся в технологическом оборудовании.

12.Характерными путями распространения начавшегося пожара могут быть поверхность разлившихся при авариях горючих жидкостей, используемых в качестве связующих (цех приготовления формовочной смеси) и в качестве топлива (цех плавильных печей). Пожар также может распространяться скрыто по горючим отложениям в воздуховодах систем местных отсосов (СМО) от сушильных печей, плавильных печей, вагранок и от форм при заливке в них жидкого металла.

22.2.2. Основные способы и технические решения по обеспечению пожарной безопасности литейного производства

Пожарная безопасность литейного производства обеспечивается следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

соблюдением требований пожарной безопасности при розжиге пламени вагранок и контролем герметичности системы топливоподачи для предупреждения опасного проявления источников зажигания;

оборудованием дымовой трубы искрогасителем для предупреждения опасного разлета искр;

предупреждением контакта горючих веществ с расплавленным металлом и разлетающимися искрами. Для заливки крупных форм используют механизированные ковши барабанного (закрытого) типа. В них по сравнению с ковшами с открытой поверхностью практически исключается вероятность выплеска жидкого металла при транспортировке ковша к месту заливки;

охлаждением форм с отливками перед выбивкой раскаленных отливок из форм;

304

периодической (по графику) очисткой оборудования от отложений для предупреждения самовозгорания отложений, образующихся в технологическом оборудовании. Особое внимание обращают на очистку воздуховодов систем местных отсосов, в которых интенсивно накапливаются в виде отложений продукты термической деструкции органики формовочной смеси. Для снижения интенсивности образования отложений применяют также устройства для улавливания из отсасываемого паровоздушного потока твердых и жидких аэрозольных частиц – продуктов термического распада;

предупреждением аварийного выхода жидкостей из аппаратов

иприменением устройств против их разлива (бортики, пандусы и т. п.);

устройством автоматических пламеотсекателей шиберного типа на воздуховодах систем местных отсосов и их систематической очисткой от горючих отложений.

22.3.Сущность технологии термического цеха

Втермическом цехе машиностроительного предприятия осуществляют термическую обработку готовых деталей и изделий из различных металлов (стали, чугуна, цветных металлов). Сущность процессов термической обработки рассмотрим на примере стальной детали.

При нагреве до высокой температуры в стали в результате перекристаллизации происходят структурные преобразования, изменяющие ее свойства. К наиболее широко применяемым видам термической обработки металлов относятся: отжиг, закалка, цементация и азотирование. Последние два вида часто относят к химико-термической обработке, так как

они обеспечивают изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Под отжигом понимается нагрев стали до определенной температуры (чаще до 600–650 ºС) с последующим медленным охлаждением, при котором все превращения в структуре металла успевают закончиться

исталь после охлаждения оказывается практически в равновесном состоянии. Отжиг применяется для снижения твердости стали и снятия внутренних напряжений, а также последствий предыдущей механической

итермической обработки. Для создания условий медленного охлаждения его ведут в печи при постепенном снижении температуры или на спокойном воздухе.

Закалка осуществляется путем нагрева стали выше температуры перекристаллизации (чаще до 650–700 ºС) и последующего быстрого охлаждения в целях подавления возможных структурных превращений в металле. Таким путем добиваются повышения твердости стали.

305

Для получения требуемой скорости охлаждения металла применяют различные закалочные среды. Наиболее распространенными из них являются вода (лучше мягкая), масло (растительное или минеральное) и воздух (чаще циркулирующий). Закалку в жидких средах ведут в закалочных масляных или водяных ваннах.

Сущность цементации заключается в диффузионном насыщении углеродом при температуре 850–950 ºС стальной поверхности или отдельных ее участков, что приводит после закалки к высокой твердости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Цементируют детали после механической обработки с припуском на шлифование.

Насыщение углеродом поверхности изделия осуществляют тремя основными способами:

цементацией в твердых или жидких карбюризаторах;

цементацией в солевых расплавах;

цементацией в газах.

В качестве карбюризаторов используют древесный уголь и кокс. Но так как при их контакте насыщение поверхности углеродом происходит слишком медленно, то к ним добавляют в качестве катализаторов карбонаты (например, бария, натрия, кальция) или цианиды. Для получения жидкой кашицы в качестве добавок используют мазут, мелассу или гуммиарабик. Цементационные порошки тщательно перемешивают с указанными добавками. Приготовленную таким образом смесь укладывают слоем в металлические контейнеры (ящики). На полученный слой кладут изделия, засыпая их той же смесью. После герметизации контейнеров цементацию проводят в термических печах. По своей сути цементация

втаких условиях осуществляется в газовой среде при действии на поверхность металла оксида углерода, выделяющегося из карбюризаторов

врезультате их термического пиролиза при недостатке воздуха.

Науглероживание в расплавленных солях, содержащих углерод, осуществляется в специальных ваннах. Известен целый ряд составов для жидкой цементации. Основу их образуют хлористые соли, например, натрия, бария, активной же составляющей являются углекислые соли (чаще безводный углекислый натрий), цианиды (чаще цианистый натрий) или цианамиды. Для ускорения прогрева изделий и уменьшения их коробления перед их погружением в расплавленные соли их подогревают в шахтной или камерной печи до температуры 400–500 оС.

Газовая цементация осуществляется в специальных термических печах в среде газов, богатых окисью углерода или углеводородами, или жидких углеводородов, которые при температуре печи испаряются с последующим разложением паров до окиси углерода. Газовые смеси (светильный, коксовый, генераторный газы), бедные окисью углерода или

306

углеводородами, обогащают (карбюрируют) путем их барботирования через слой бензола или распылением в них керосина, ацетона, пропана, бутана и других углеводородов. Однако образующиеся при этом углекислый газ, водород и водяной пар препятствуют цементации. Поэтому для цементации чаще других углеводородов используют метан, который не требует предварительного обогащения.

Для газовой цементации широко используют 4-зонные муфельные печи туннельного типа, обогреваемые газом или электричеством. Изделия в печь подают с помощью цепного конвейера в подвесных корзинах. В первой зоне, где температура 700–800 ºС, происходит нагревание заготовок. Здесь в атмосфере, богатой окисью углерода или углеводородными газами, на их еще ненагретую поверхность интенсивно осаждается сажа – продукт термического разложения углеводородных газов.

Процесс цементации происходит во второй зоне, где при температуре 880–930 ºС диоксид углерода вступает в реакцию с углеродом (сажей) по уравнению

CO2 + C = 2CO,

образуя оксид углерода, который вызывает науглероживание поверхностного слоя металла. В третьей зоне при температуре несколько ниже 700 ºС глубина цементированного слоя увеличивается. В последней зоне печи цементация постепенно затухает, так как в ней происходит свободное охлаждение изделий до закалочной температуры.

Процесс азотирования обеспечивает поверхности стали высокую твердость путем образования слоя нитридов металла в результате химического взаимодействия атомарного азота с металлами.

Широкое применение азотирования обусловлено, прежде всего, его основным преимуществом – тем, что азотированный слой не теряет свою твердость даже при значительных температурах. Поэтому азотирование успешно применяется как в авиационной и автомобильной промышленности для деталей, работающих при высоких температурах (поршневые пальцы, цилиндры двигателей и т. п.), так и в инструментальном деле, где тончайший азотированный слой (0,03–0,05 мм) в несколько раз удлиняет срок службы инструмента. После обычной термической обработки – закалки и отпуска – инструменты азотируют обычно в расплаве солей, из которых выделяется азот.

Активный атомарный азот получают при термическом разложении аммиака по уравнению

NH3 = N + 3H.

Для того чтобы атомарный азот не соединился в молекулу азота, термическое разложение аммиака осуществляют непосредственно

307

на нагретой поверхности металла (изделия). Атомарный азот при таких условиях немедленно соединяется с металлами стали, образуя нитриды железа, алюминия, хрома и других металлов, которые, будучи тонко диспергированными в структуре поверхностного слоя изделия, вызывают значительное повышение его твердости. Азотирование, проводимое при температуре 500–600 ºС, повышает поверхностную твердость, а при температуре 600–800 ºС – коррозионную стойкость.

Азотирование чаще ведется в муфельных пламенных или электрических печах камерного типа. В камерную печь подаются герметически закрытые ящики (контейнеры) с вложенными в них изделиями. Через питающую трубку в контейнер с определенным расходом подается газообразный аммиак. Одновременно по отводящей трубке избыточный аммиак вместе с непрореагировавшими продуктами термического распада отводится из контейнера.

22.3.1. Особенности пожарной опасности термической обработки деталей

1.Из описания сущности технологии процессов отжига и закалки видно, что для их проведения требуется предварительный нагрев деталей практически до одинаковых температур. Отличие в этих видах термической обработки заключается только в скорости охлаждения нагретых деталей. Поэтому пожарная опасность процессов отжига и закалки на этапе нагрева деталей аналогична. Она определяется пожаровзрывоопасными свойствами применяемого в термических печах топлива и жестким температурным режимом их работы.

2.Для нагревания деталей применяются термические печи камерного типа или туннельные конвейерные печи непрерывного действия. В качестве топлива в них чаще всего используется природный газ. Поэтому основная опасность таких печей связана с возможностью образования

вних горючей концентрации.

3.Создание условий для быстрого охлаждения нагретых деталей при закалке требует применения теплоемких жидких закалочных сред, в качестве которых, кроме воды, часто используются растительные и минеральные масла. Пожарная опасность закалочных масел связана с их горючими свойствами, которые проявляются при погружении раскаленных деталей в масло. В этот момент происходит интенсивное испарение масла, которое сопровождается мощным выбросом в цех паров и продуктов их термического распада. Этот процесс имеет три негативных последствия:

образующиеся пары и продукты их термического распада (горючие газы и сажистые частицы), поступая в цех, могут привести к образованию местных горючих парогазовоздушных концентраций;

308

поднимающиеся вверх высоконагретые пары в результате охлаждения могут конденсироваться на холодных поверхностях строительных конструкций и технологического оборудования и вместе с сажистыми частицами накапливаться в виде горючих нагаромасляных отложений, создавая тем самым условия для распространения пожара в случае его возникновения;

многократное погружение раскаленных деталей приводит к постепенному изменению состава масла. Масло тяжелеет в результате более интенсивного испарения низкокипящих фракций (происходит его перегонка). При этом температура самовоспламенения масла снижается

ипри очередном погружении, когда она достигнет определенной критической величины, происходит самовоспламенение паров масла. Возникшее пламенное горение по всей поверхности закалочной ванны может привести к вскипанию и, как следствие, к выбросу горящего масла в производственное помещение.

4. Источниками зажигания при проведении процессов отжига и закалки являются: открытое пламя термических печей при сжигании топлива, раскаленные металлические детали и самовозгорание нагаромасляных отложений, образующихся в воздуховодах систем местного отсоса от закалочных ванн.

5. Характерными путями распространения начавшегося пожара при проведении закалки являются: открытая поверхность масла в закалочной ванне, разлившееся масло при выбросе его из ванны в результате перегрева, горючие нагаромасляные отложения, образующиеся в воздуховодах систем местного отсоса от закалочных ванн, на поверхности строительных конструкций и технологического оборудования.

6. Пожарная опасность процесса цементации определяется пожаровзрывоопасными свойствами веществ, обращающихся в технологическом оборудовании, и высоким температурным режимом работы термических печей. Основными исходными горючими веществами при цементации в карбюризаторах являются: природный газ, используемый в термических печах в качестве топлива, древесный уголь, кокс, мазут, меласса

идругие, главное назначение которых обеспечивать выделение оксида углерода за счет своего термического разложения.

7. Нормальный режим работы печи исключает возможность образования горючей концентрации в ящике и в объеме самой печи. Основная опасность при проведении процесса цементации связана с возможностью образования горючей концентрации внутри контейнеров в процессе их закладки в печь, так как до разогрева в них может быть еще достаточно воздуха.

309

8.Пропан и бутан излишне богаты углеродом, поэтому при их использовании в качестве карбюризаторов они дают слишком много копоти (сажистых частиц), которые откладываются на внутренних стенках печей в виде горючих отложений. По мере накапливания сажистые отложения могут самовозгораться и способствовать быстрому распространению пожара.

9.Сравнивая указанные выше способы цементации, можно сделать вывод о том, что цементация в жидких средах в пожарном отношении является менее опасной, так как подогрев деталей осуществляется непосредственно в объеме печи без использования стальных ящиков с горючими компонентами. Такой способ не только значительно сокращает время прогрева деталей, но и полностью исключает возможность выделения горючих газов в объеме самой печи.

10.Пожарная опасность процесса азотирования определяется пожаровзрывоопасными свойствами веществ, обращающихся в технологическом оборудовании, и высоким температурным режимом работы термических печей.

11.Основными исходными горючими веществами при азотировании являются: природный газ, используемый в термических печах в качестве топлива, и газообразный аммиак. В процессе азотирования в результате термического распада аммиака образуются в активном атомарном виде

всоотношении 1:3 азот и водород. Температура самовоспламенения аммиака 650 ºС, а водорода 510 ºС. Из сравнения рабочей температуры

иtсв аммиака и водорода видно, что в случае образования горючей амми- ачно-воздушной или водородно-воздушной смеси и контакта ее с нагретой внутренней стенкой муфельной печи произойдет взрыв.

12.При нормальной работе в контейнере горючая концентрация образоваться не может в связи с отсутствием в нем воздуха. Однако в период загрузки в печь контейнеров и подачи в них аммиака горючая концентрация может образоваться. В связи с тем, что в контейнерах поддерживается избыточное давление газов, горючая концентрация может образоваться в камере самой печи при разгерметизации контейнеров.

22.3.2. Основные способы и технические решения по обеспечению пожарной безопасности в цехах термической обработки

Пожарная безопасность в цехах термической обработки деталей обеспечивается следующими способами и техническими решениями или их комбинацией:

предупреждением самовоспламенения масла, что достигается: выбором закалочного масла с более высокой tсв; рециркуляцией закалочного

310