Загрязнения атмосферы и производственные сточные воды
Литейное производство
Литейное производство ‑ отрасль машиностроения, производящая фасонное и заготовительное литье из различных металлов и сплавов.
Фасонным литьем получают отливки, близкие по форме и размерам к готовым деталям. Заготовительное литье ‑ это слитки, предназначенные для дальнейшей обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка и др.) или механической обработки на металлорежущих станках.
Технология производства отливок слагается из следующих основных процессов: изготовления модели будущей отливки, изготовления формы, приготовления жидкого металла, заливки металла в формы, выбивки отливок из формы, обрубки и очистки отливок, контроля отливок.
Наибольшее количество литья производят из серого чугуна – 70% от массы отливок; далее идет стальное литье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (8 %), медных, алюминиевых, титановых и цинковых сплавов.
Чугун имеет относительно невысокую температуру плавления
(1100-1200 оС), хорошую жидкотекучесть, малую усадку (около 1 %), однородную структуру в отливках. Для плавки чугуна применяют вагранки и электропечи. Вагранки представляют собой шахтные печи, в которые загружается шихта, составленная из чушкового чугуна, стального лома, ферросплавов, литейного кокса и флюсов (известняк, плавиковый шпат, бокситы). В нижнюю часть печи подают в качестве топлива кокс, природный газ или их смесь, воздух, подогретый и обогащенный кислородом. За счет тепла от сгорания кокса происходит плавление металлической части шихты, температура поднимается до 1450-1500 оС. Заливку форм производят при температуре плавления чугуна и выше (1250-1400 оС): металл выпускают в ковш из копильника вагранки, а затем разливают в литейные формы. В верхней части расплавленного металла скапливается шлак, как более легкий, состоящий из оксидов (SiO2, MnO, FeO), примесей, вносимых шихтой (песок и др.), кусочков футеровки шахты (кирпич), флюсов, золы топлива.
Литейные свойства сталей ниже, чем у чугуна (усадка 2-3 %), жидкотекучесть стали хуже, чем у чугуна, сталь более тугоплавка
(1400-1540 оС). Сталь для литья выплавляют в кислородных конверторах и в электрических дуговых (более 90 % стали) и индукционных печах.
Формы для заливки могут быть разовыми и многократными (кокиль). Многократные металлические, изготовленные из стали или чугуна, формы выдерживают сотни и тысячи заливок; многократные песчано-цементные, графитные, керамические формы выдерживают несколько десятков заливок (применяются для заливки станин станков, тяжеловесных плит и др.). Для изготовления разовых форм применяются формовочные и стержневые смеси, основной их составляющей, определяющей их огнеупорность, является кварцевый песок (SiO2 ‑ 90-98,5 %). В состав смеси входят также связующие (глина, цемент, жидкое стекло, термореактивные смолы, битум, канифоль), противопригарочные (молотый каменный уголь, циркон, хромистый железняк), газообразующие (компоненты, способствующие газопроницаемости и податливости смеси: древесные опилки, крупный речной песок с размером зерен 0,25-1,0 мм) составляющие.
Охлажденные отливки выбивают с помощью встряхивающих решеток, вибраторов и других машин; стержни (применяются для образования отверстий в форме) выбивают на пневматических машинах или в гидрокамерах струей воды под давлением 3-10 МПа. Литники от стальных заготовок отделяют газовой резкой, а от чугунных заготовок и от заготовок из цветного литья (сплавы цветного литья выплавляют в электрических дуговых печах, индукционных печах, плазменных газовых печах) ‑ пилами, рубильными молотками. От остатков формовочных смесей отливки очищают обкатыванием их в барабанах или пескоструйными аппаратами, применяют пескогидравлическую очистку (вода и песок, Р = 7 МПа), обдирочно-шлифовальные станки с крупнозернистыми шлифовальными кругами.
Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов, участки выбивки и очистки литья.
При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагранках выделяется 900-1200 м3 колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы, азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. Количество выбросов зависит от производительности вагранки и расхода дутья. Оксид углерода выделяется от вагранки и при разливе чугуна в формы. Оксид серы образуется при сжигании коксового газа в сушилках, печах и другом оборудовании. Химический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки. Медианный размер пыли в открытых вагранках при холодном дутье ‑ 70 мкм, при горячем ‑ 20 мкм, а в закрытых вагранках ‑ 35 мкм. При плавке стали в индукционных печах по сравнению с электродуговыми выделяется незначительное количество газов и в 5-6 раз меньше пыли, по размеру более крупной.
Источниками интенсивного пылеобразования является также оборудование землеприготовительного отделения (дробилки, мельницы, сита и др.), транспортное оборудование, выбивные решетки, очистные барабаны, обдирочно-шлифовальные станки. Установлено, что литейный цех с годовой программой 100 тыс. т литья, оборудованный пылеуловителями со степенью очистки 70-80 % выбрасывает в окружающий воздух до 1 тыс. т пыли в год.
Местными выделениями пыли сопровождаются погрузочно-разгрузочные операции с песком, сушка форм и обрубка отливок. Использование вибрационных машин, гидропескоструйных установок и пневматического ручного инструмента приводит к загрязнению воздуха рабочей зоны литейных цехов (обрубочно-очистных отделений) мелкодисперсной силикозной пылью. Запыленность воздушной зоны достигает 10-50 мг/м3, доходя иногда до 150 мг/м3, что в десятки раз превышает ПДК. Сухая пескоструйная очистка отливок в литейном производстве запрещена вообще как процесс наиболее опасный в гигиеническом отношении.
При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества, количество которых зависит от состава формовочных смесей, массы и способа получения отливки и ряда других факторов. Основное количество (80 %) всех газовыделений приходится на первые двадцать минут после заливки металла в формы. К концу первого часа газовыделение практически прекращается.
Основными видами загрязнений сточных вод на машиностроительных предприятиях являются механические взвеси (песок, окалина, металлическая стружка и пыль, флюсы, волокна хлопчатки и т.п.) и минеральные масла.
В литейных цехах вода используется главным образом для охлаждения печей. Основными примесями образующихся сточных вод являются взвешенные вещества и масла. Также вода используется на операциях гидравлической выбивки стержней, транспортировки и промывки формовочной земли в отделениях регенерации, а также на гидротранспорт отходов горелой земли. Образующиеся при этом сточные воды загрязнены глиной, песком, зольными остатками от выгоревшей части стержневой смеси и связующими добавками формовочной смеси. Массовая концентрация взвесей может достигать 5 кг/м3.
Обработка металлов давлением
Обработкой давлением называют процесс получения изделий, основанный на использовании пластических свойств металлов и их сплавов. Под пластичностью понимают способность металла изменять при давлении свою форму (деформироваться) без разрушения, полученная новая форма сохраняется после снятия нагрузки.
К способам обработки давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку и штамповку.
Для прокатки нагретые или холодные заготовки пропускают между вращающимися валками прокатных станов.
Прессование (выдавливание) ‑ металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получается изделие с сечением в форме отверстия. Прессуют медь, свинец, цинк, алюминий, магний и их сплавы, а также сталь из мерных заготовок, нарезанных из сортового проката. Все металлы и сплавы, кроме свинца, прессуют горячими.
Волочение применяют преимущественно для изготовления проволоки диаметром 0,002-4,0 мм. Волочение заключается в протягивании под действием силы заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки.
Ковка ‑ обработка металла, находящегося в пластическом состоянии под действием бойков молота (динамическое воздействие). Изготовляют небольшие партии различных по форме и габаритам поковок.
Штамповка позволяет увеличить производительность в десятки раз по сравнению с ковкой, при этом достигается и более высокая точность размеров, и низкая шероховатость поверхности. Но штамповка выгодна лишь в серийном, массовом производстве, когда окупаются затраты на изготовление сложных форм (штампов).
Одним из способов очистки поверхности металла от оксидов является травление, сущность которого состоит в химическом растворении оксидов в соответствующих кислотах, а в некоторых случаях в щелочах или в расплавленных солях. При высокой температуре и свободном доступе кислорода на поверхности стальных заготовок образуется окалина, состоящая из трех оксидов: FeO, Fe2O3, Fe3O4. Указанные оксиды растворяются в травильных ваннах с разной скоростью: скорость уменьшается в ряду FeO, Fe3O4, Fe2O3.
С повышением температуры и концентрации кислоты в травильной ванне скорость увеличивается.
Обычно серная кислота в травильных ваннах применяется в следующих концентрациях: в свежем растворе 15-20 %, в использованном ‑ 4-5 %. Раствор считается непригодным, если концентрация FeSO4 достигает 300-400 г/л. По мере уменьшения концентрации кислоты температуру раствора поднимают от 40 до 80 оС.
Скорость растворения оксидов железа в соляной кислоте значительно больше, чем в серной, поэтому процесс ведут при комнатной температуре, что предупреждает потери легко летучей кислоты. В свежем травильном растворе содержание соляной кислоты составляет 12-18 %, а в отработанном около 2-4 %.
В последние годы повысился интерес к травлению стали фосфорной кислотой, что определяется высоким качеством очистки поверхности изделия. Более высокая стоимость фосфорной кислоты требует регенерации ее в замкнутой системе травильной ванны.
Для очистки и полирования поверхности специальных сталей и цветных металлов используют травильный раствор из смеси таких кислот, как серная, фосфорная, азотная и плавиковая.
Заготовки из легированных и, в частности, из хромистых и хромоникелевых сталей подвергают в основном электрохимическому травлению, так как с помощью только этого процесса можно получить хорошо очищенную поверхность.
В прокатных цехах источниками загрязнения атмосферы являются прокатные станы, машины огневой зачистки металла, травильные отделения.
При прокатке пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом 20 % пыли имеет размер частиц менее 10 мкм. Выброс пыли составляет в среднем 200 г на 1 т товарного проката. Если в цехе проката применяется огневая зачистка поверхности заготовки, при которой с помощью горелок на поверхности металла создается температура
до 2000 оС, в результате чего поверхностный слой металла толщиной 1-3 мм расплавляется и частично сгорает, то выход пыли возрастает до 500-2000 г/т. При этом в процессе сгорания образуется большое количество мелкодисперсной пыли (60-65 % пыли с размером частиц 0,5-1,0 мкм), состоящей на 75-90 % из оксидов железа.
Для удаления окалины с поверхности изделий применяют травление в различных кислотах. Суммарное количество воздуха, отсасываемое из аппарата непрерывного травления, составляет 14000-18000 м3/ч, а среднее содержание кислоты в удаляемом воздухе достигает 2,5-2,7 г/м3.
При использовании в кузнечно- прессовых цехах пламенных печей
в атмосферу выбрасываются оксиды углерода, серы, азота и другие продукты сгорания.
Основными примесями сточных вод, используемых для охлаждения технологического оборудования, поковок, гидросбива металлической окалины и обработки помещения, являются частицы пыли, окалины и масла. Например, при прокатке металлов образуется 2-4 % окалины от массы прокатываемого металла, при этом масса частиц размером более 1 мм составляет примерно 90 % всей массы окалины.
Сточные воды травильных отделений и гальванических цехов, использующих в технологических целях химические и электрохимические процессы, содержат отходы, наиболее опасные в санитарном отношении. Вода, применяемая для приготовления технологических растворов при травлении деталей, а также для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов, содержит пыль, металлическую окалину, щелочи, кислоты, неорганические соли тяжелых металлов ‑ хрома, цинка, никеля, меди.
В любом травильном отделении образуется два вида сточных вод: концентрированные и разбавленные. Первые являются отходами травильных ванн (отработанные растворы), вторые ‑ промывными водами (в современных травильных отделениях часто применяют противоточную многованную промывку, что обеспечивает рациональное использование воды).
В травильных отделениях, использующих сернокислотный травильный раствор, среднее количество концентрированных сточных вод достигает 10 м3 на 1 т расходуемой кислоты или 0,3-0,6 м3 на 1 т протравленных стальных заготовок. Количество промывных вод в значительной степени зависит от системы промывки вида заготовок. В обычных условиях количество промывных вод колеблется в пределах 0,4-50 м3 на 1 т стальных заготовок.
Механическая обработка металлов
Для обеспечения установленной чертежом точности размеров и шероховатости поверхности большинство деталей машин и механизмов обрабатывают на станках снятием стружки. Стружку снимают с заготовки лезвийными (резцы, сверла) и абразивными инструментами. Обработка металлов снятием стружки включает следующие операции: точение, фрезерование, сверление, строгание, шлифование.
Механическая обработка металлов на станках сопровождается выделением пыли, стружки, туманов масел и эмульсий. При работе металлорежущего оборудования всех видов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (эмульсий, масел) воздух загрязняется аэрозолями этих веществ.
За 1 час работы металлорежущего станка в расчете на 1 кВт мощности установленного электродвигателя выделяется 0,2 г масляного тумана или 6,3 мг тумана эмульсола и 150 г паров воды.
Пыль, образующаяся в процессе абразивной обработки, состоит на
30-40 % из материала абразивного круга и на 60-70 % из материала обрабатываемого изделия. Количество выделяющейся пыли зависит от размеров и твердости обрабатываемого материала, диаметра круга (с увеличением диаметра круга возрастает количество выделяемой пыли: при диаметре
300 мм - 155 г/ч, а при 900 мм - 310 г/ ч) и окружной скорости круга, а также способа подачи изделия.
Значительное выделение пыли наблюдается при механической обработке древесины, стеклопластиков, графита и других неметаллических материалов. При механической обработке полимерных материалов одновременно с пылеообразованием могут выделяться пары различных химических соединений (фенола, формальдегида, стирола и др.), входящих в состав обрабатываемых материалов.
Вода используется для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, для гидравлических испытаний оборудования и обработки помещения. Основными примесями сточных вод являются пыль, металлические и абразивные частицы, сода, масла, мыла. Содержание в стоках нефтепродуктов может доходить до 1200 мг/л.
Сварка, резка, пайка металлов
Сварка и пайка металлов предназначаются для получения неразъемных соединений заготовок.
Простейший способ сварки (ручная дуговая) основан на использовании электрической дуги. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому – свариваемое изделие. В держатель вставляется металлический электрод. При коротком прикосновении электрода к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода, образуя сварочную ванну, дающую при затвердении сварочный шов.
При дуговой сварке кислород и азот воздуха активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуя оксиды и нитриды, снижающие прочность сварного шва. Существуют внутренние и внешние способы защиты места сварки: введение различных веществ в материал электрода и электродного покрытия (внутренняя защита); введение в зону сварки инертных газов, покрытие места сварки сварочными флюсами (внешняя защита).
Наибольшее значение имеет электродуговая сварка без внешней защиты покрытыми плавящимися электродами. Обмазки электродов бывают стабилизирующими, защитными и легирующими. Стабилизирующие обмазки способствуют устойчивому горению дуги (в состав обмазки входит мел, из которого в плазме дуги выделяется кальций, способствующий устойчивому горению дуги). Состав защитных обмазок подбирается так, чтобы вокруг электрода создавалась газовая среда, защищающая металл от окисления и растворения в нем газов. По мере плавления электродов обмазка шлакуется, и шлак, покрывая шов, защищает его от окисления и насыщения азотом.
Таким образом, в состав обмазок входят ионизирующие (мел), газообразующие (мука), шлакообразующие (полевой шпат) вещества и легирующие
компоненты.
Дуговая сварка в среде защитных газов (диоксида углерода, аргона, гелия) обеспечивает лучшую, чем при сварке покрытыми электродами, защиту шва от воздействия кислорода и азота воздуха, лучшее использование тепла дуги.
Автоматическая сварка под слоем флюса, защищающего наплавляемый металл от воздуха, в 5-10 раз производительнее ручной сварки.Пайка, как и сварка, предназначена для получения неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления припаиваемых частей. Части заготовки соединяются вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для защиты припаиваемых поверхностей от окисления служат флюсы. Припои для низкотемпературной пайки (до 400 оС) ‑ олово, свинец, сурьма, цинк, сплав олова и свинца, сплав олова, свинца, висмута и кадмия; для высокотемпературной (выше 400 оС) ‑ медь (Тпл.=1083 оС), серебро (Тпл.=635-870 оС). В зависимости от спаиваемых поверхностей применяют различные флюсы, температура плавления флюса ниже температуры плавления припоя:
для пайки стали, меди, никеля используются пасты на основе вазелина, содержащие 10-15 % хлористого цинка или хлористого аммония;
для высокотемпературной пайки стали, чугуна требуются флюсы, содержащие химически активные вещества для удаления оксидов и защиты зоны шва при температурах пайки ‑ флюсы, содержащие буру Na2B4O7, борную кислоту H3BO3, фтористый кальций или калий и др. соли.
Резка технологически отлична от сварки и противоположна ей по смыслу; но оборудование, материалы, приемы выполнения операций близки к применяемой сварочной технике. Под термической или огневой резкой подразумевают процессы, при которых металл в зоне резки нагревается до высокой температуры и самопроизвольно вытекает или удаляется в виде размягченных шлаков и оксидов. Наиболее важный и практически распространенный способ – кислородная резка, основанная на способности железа сгорать в кислороде. Дуговая резка производится угольным или металлическим электродом, резка осуществляется за счет плавления, а не выжигания металла. Плазменная резка ‑ наиболее производительный вид термической резки, при котором носителем тепловой энергии являются потоки ионов, а также потоки нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиака, воздуха через дуговой разряд в плазменных горелках, называемых плазмотронами. Плазменная струя имеет температуру 5 000 - 30 000 оС.
На участках сварки и резки металлов состав и масса выделяющихся вредных веществ зависят от вида и режимов технологического процесса, свойств применяемых сварочных и свариваемых материалов. Наибольшие выделения вредных веществ характерны для процесса ручной электродуговой сварки покрытыми электродами. При расходе 1 кг электродов в процессе ручной дуговой сварки образуется до 40 г пыли, 2 г фтористого водорода,1,5 г оксидов углерода и азота, в процессе сварки чугунов ‑ до 45 г пыли и
1,9 г фтористого водорода.
При полуавтоматической и автоматической сварке (в защитной среде
и без нее) общая масса выделяемых вредных веществ меньше в 1,5-2,0 раза,
а при сварке под флюсом ‑ в 4-6 раз.
Сварочная пыль на 99 % состоит из частиц размером от 10-3 до 1 мкм. Химический состав выделяющихся при сварке загрязняющих веществ зависит в основном от состава сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и в меньшей степени от состава свариваемых металлов. Сварочный аэрозоль включает соединения марганца, оксиды хрома, оксид кремния,
фториды и др.
Газовая и плазменная резка металлов сопровождаются выделением пыли и вредных газов. Пыль представляет собой конденсат оксидов металлов, размер частиц которого не превышает 2 мкм. Химический состав определяется в основном маркой разрезаемого материала. При резке обычно выделяются токсичные соединения хрома, никеля, марганеца, оксиды углерода
и азота, а при плазменной резке образуется еще и озон.
Следует отметить, что в сварочных, монтажных, сборочных цехах сточные воды содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты в значительно меньших концентрациях, чем в ранее рассмотренных цехах.
Термическая и химико-термическая обработка
Целью термической обработки является изменение свойств сплава путем изменения его структуры в результате теплового воздействия. Сталь с низкой твердостью и прочностью после термической обработки может получить высокие прочностные характеристики, и наоборот, твердая сталь, с трудом поддающаяся обработке, может стать мягкой и пластичной и иметь хорошую обрабатываемость.
Основными видами термической обработки являются закалка, отпуск и отжиг. После отливки, прокатки, ковки и других видов обработки заготовок они охлаждаются неравномерно, результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных частях заготовки, а также появление внутренних напряжений.
Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения заготовок. Эта операция приводит к снятию внутренних напряжений, при этом заготовки переходят из неравновесного состояния в равновесное. Температура процесса зависит от вида отжига и колеблется в пределах 200-400 ‑ 1100-1200 оС. Но при этом нельзя допускать пережога, т. к. при этом кислород воздуха окисляет железо, проникает в толщу его, в результате образуются кристаллиты, разобщенные оксидными оболочками. Пережженные заготовки являются неисправимым браком.
Целью закалки стали является повышение твердости и прочности заготовок. Закалка ‑ операция, при которой изделие выдерживается в печи при заданной температуре для полного прогрева по сечению и завершения структурных превращений, охлаждение выполняют в различных закалочных средах (вода, 5 %-й водный раствор KMnO4, 10 %-й раствор NaOH), машинное масло.
Отпуск смягчает действие закалки, снижает или уменьшает остаточные напряжения, уменьшает твердость и хрупкость стали, повышает вязкость. Проводится после закалки путем выдерживания стали при температуре 200 - 300 оС.
Кроме термической обработки для получения поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью, жаропрочностью или коррозионной стойкостью, проводят химико - термическую обработку. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др. Наиболее распространенными видами химико - термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование.
Цементацией называют процесс поглощения углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым, а в середине заготовка остается вязкой. Цементации подвергают изделия, работающие на истирание и удар. При цементации твердыми веществами (карбюризаторами) применяют древесный уголь (С) и карбонаты (BaCO3, Na2CO3, K2CO3, CaCO3). Заготовки помещают в стальные ящики, засыпают карбюризатором, закрывают ящики (промазывают их глиной) и выдерживают в печи 5 - 10 часов при температуре 930-950 оС:
BaCO3 + C = BaO + 2CO
Образующийся оксид углерода диссоциирует на поверхности стальных заготовок с выделением активного атомарного углерода, который адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки.
При газовой цементации применяют газы и газовые смеси, цементацию проводят в герметически закрытых печах при 900-950 оС.
Азотирование ‑ придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.
Азотирование проводят в печах при 500-600 оС. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и образует очень твердые химические соединения ‑ нитриды железа и легирующих элементов (FeN, AlN, MoN). Азотирование на глубину 0,2-0,5 мм продолжается 25-60 ч, и в этом его основной недостаток. Температура процесса относительно низкая по сравнению с цементацией, а твердость поверхности выше.
Цианирование - насыщение поверхности одновременно углеродом и азотом. Различают жидкостное и газовое цианирование. Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей натрия, калия, кальция при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных углерода и азота:
550-600 оС ‑ низкотемпературное цианирование, расплавы чистых
цианидов;
800-850 оС ‑ высокотемпературное цианирование, 20-40 %-е расплавы цианидов с нейтральными солями (хлорид натрия, карбонат натрия) для повышения температуры плавления.
Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к газу цементации добавляется аммиак, дающий активные атомы азота.
Вентиляционный выброс из термических цехов обычно загрязнен парами и продуктами горения масла, аммиаком, цианистым водородом и другими веществами, поступающими в систему местной вентиляции от ванн и агрегатов для термической обработки. Источниками загрязнения в термических цехах являются также нагревательные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, а также дробеструйные и дробеметные камеры, где металл очищается после термической обработки. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из этих камер, достигает 2-7 г/м3. При закалке и отпуске деталей в масляных ваннах в отводимом от ванн воздухе содержится до 1 % паров масла от массы металла. При цианировании выделяется до 6 г/ч цианистого водорода на один агрегат цианирования.
Для приготовления технологических растворов, используемых при закалке, отпуске и отжиге деталей, а также для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов и для обработки помещения используют воду. Основные примеси сточных вод ‑ пыль минерального происхождения, металлическая окалина, тяжелые металлы, цианиды, масла и щелочи.
Защита металлов от коррозии
На практике применяются следующие способы защиты металлических изделий от коррозии: нанесение металлических и неметаллических покрытий; применение ингибиторов коррозии; использование электрохимической защиты.
Металлические покрытия наносят следующими способами:
· горячий способ ‑ погружение в расплавленный металл;
· металлизация ‑ нанесение расплавленного металла в газовом пламени или в электрической дуге сжатым воздухом или газом;
· плакирование ‑ получение биметаллической ленты, листов, проволоки (основной металл совместно с защитным подвергается прокатке, при которой в результате диффузного взаимодействия создается прочное покрытие);
· гальванический способ.
Гальванотехнические методы применяют главным образом для получения защитных, декоративных или обладающих определенными свойствами покрытий из хрома, никеля, меди, цинка, олова, кадмия, а также серебра, золота и других благородных или редких металлов. Гальванические покрытия получают при осаждении на изделии (катоде) положительно заряженных ионов металлов из электролитов при пропускании через них постоянного тока. В качестве анодов применяют металлы покрытия (хром, никель, медь, цинк, олово, серебро, золото), которые в ходе процесса растворяются в электролите и пополняют его катионами, разряжающимися на катоде.
К неметаллическим относятся покрытия лаками, красками, эмалями, а также резиной и эбонитом. Лакокрасочные покрытия имеют самое широкое применение для защиты металлоконструкций. Технологический процесс нанесения покрытия заключается в подготовке поверхности, приготовлении лакокрасочных материалов, нанесении покрытий и сушке. Лак ‑ пленкообразующие вещества, растворенные в органических растворителях. При добавлении к лакам пигментов (охра, сурик железный, белила цинковые и свинцовые, окись хрома) получают эмалевые краски.
Для снижения коррозии металлических изделий непосредственно в агрессивную среду вносят ингибиторы коррозии.
Электрохимическая защита состоит в искусственном создании на поверхности изделий защитных неметаллических пленок. Чаще всего наносятся оксидные пленки за счет окисления поверхностного слоя металла. Этот процесс называется оксидированием. Наведение оксидных пленок на железе и стали называется воронением в связи с сине-черным цветом покрытия. Для воронения стали наиболее распространен способ погружения заготовок в растворы азотно-кислых солей при 140 оС. Кроме оксидных пленок на стальных изделиях наводят пленки фосфорно-кислых солей железа и марганца (фосфатирование).
В воздухе, удаляемом из гальванических цехов, вредные вещества находятся в виде пыли, тонкодисперсного тумана, паров и газов. Так, при фосфатировании изделий выделяется фтористый водород, концентрация которого в отводимом воздухе достигает 1,2-15 г/м3. Концентрации HCl, H2SO4, HCN, Cr2O3, NO2, NaOH и др. в удаляемом от гальванических ванн воздухе колеблются в значительных пределах, что требует специальной очистки воздуха перед выбросом в атмосферу (локальная очистка). При проведении подготовительных операций в гальванических цехах (механическая очистка и обезжиривание поверхностей) выделяются пыль, пары бензина, керосина, трихлорэтилена, туманы щелочей.
Анализ дисперсного состояния показал, что размер частиц находится в пределах 5-6 мкм при травлении, 8-10 мкм при хромировании и 5-8 мкм при цианистом цинковании.
Токсичные вещества в окрасочных цехах выделяются в процессе обезжиривания поверхностей органическими растворителями перед окраской, при подготовке лакокрасочных материалов, при их нанесении на поверхность изделий и сушке покрытия. Воздух, удаляемый вентиляционными отсосами от окрасочных камер, сушильных установок и других устройств, всегда загрязнен парами растворителей (до 10 г/м3), а при окраске распылением еще и окрасочным аэрозолем (до 1 г/м3). При окраске изделий порошковыми полимерными материалами в вентиляционном воздухе содержится пыль. Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах, удаляемых с мест окраски, зависит от состава и расхода лакокрасочных материалов, способа их нанесения на окрашиваемую поверхность, устройства вентиляции, окрасочного оборудования, метода окрашивания.
Для выбора технологии очистки сточных вод гальванотехнические операции чаще всего классифицируют, исходя из химического состава электролитов, являющихся источником образования стоков. Гальванические операции делят на три группы, соответствующие трем видам сточных вод:
– операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащие цианистые соединения; к ним относятся основные процессы электрохимического выделения металлов из их цианистых солей (цинкование, кадмирование, меднение, серебрение), а также операции промывки после этих процессов;
– операции, при которых растворы или промывные воды содержат хромистые соединения; к ним относятся процессы хромирования, хромистой пассивации и операции промывки после этих процессов;
– операции, при которых растворы и промывные воды (имеющие преимущественно кислую реакцию) не содержат цианистых или хромистых соединений, к ним относятся некоторые вспомогательные работы ‑ обезжиривание и травление.
Химический состав и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах варьируются в широком диапазоне в зависимости от характера производства. Около 40 % стоков составляют хромсодержащие сточные воды. По концентрации сточные воды гальванических цехов, аналогично стокам травильных отделений, разделяются на концентрированные (электролиты) и разбавленные (промывные воды). Количество первых значительно меньше, чем вторых, однако массовая концентрация загрязняющих веществ (200-250 г/л) в сотни раз выше, чем в промывных водах (100-200 мг/л), что обусловливает целесообразность регенерации содержащихся в электролитах ценных компонентов.
Концентрация примесей (органические растворители, масла, краски), поступающих в сточные воды из окрасочных отделений, колеблется в пределах 0,1-0,3 кг/м3.
Таким образом, анализ состава загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу машиностроительными предприятиями, показывает, что кроме основных примесей атмосферы (CO, SO2, NOx, CnHm, пыль) в выбросах содержатся и другие токсичные соединения, которые почти всегда оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах часто невелика, но из-за больших объемов вентиляционного воздуха валовые количества вредных веществ, поступающие в атмосферу, весьма значительны. В течение суток выбросы производятся неравномерно. Из-за небольшой высоты выброса, рассредоточенности и, как правило, плохой очистки они сильно загрязняют воздух на территории предприятий. Поскольку ширина санитарно-защитных зон для машиностроительных заводов обычно не превышает 100 м даже при наличии в составе завода литейных цехов, то возникают большие трудности в поддержании чистоты воздуха зон, примыкающих к предприятию.
Основными загрязняющими веществами сточных вод машиностроительных предприятий, за исключением отделений травления и гальванотехнических покрытий, являются механические взвеси и минеральные масла.