Снижение запыленности и загазованности в рабочей зоне при плазменной резке рельсов

На правах рукописи

КАЗАНИНА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА Снижение запыленности и загазованности в рабочей зоне при плазменной резке рельсов Специальность 05.26.01 – Охрана труда

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Алматы, 2007

Работа выполнена в Алматинском институте энергетики и связи

Научный консультант:

доктор технических наук Дюсебаев М.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Долгов П.В.

кандидат технических наук Ерконыр А.К.

Ведущая организация:

ДГП «Институт горного дела им. Д.А. Кунаева»

Защита состоится «27» апреля 2007 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ОД 14.61.31 при Алматинском институте энергетики и связи по адресу: г. Алматы, ул. Байтурсынова, 126, корпус А, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Алматинского института энергетики и связи Автореферат разослан «25» марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Т.Е. Хакимжанов ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. В последние годы, на ряде направлений железных дорог ЗАО НК КТЖ, увеличилось количество изломов (дефектов) в узле крепления рельса к шпале, особенно по дефекту 69 (коррозия подошвы рельсов и коррозионно-усталостные трещины), а также возникновение других дефектов.

За последние пять лет зафиксировано более 700 изломов (они, как правило, происходят под поездами, преимущественно грузовыми), что в расчете на 1 год составляет около 100 или в 15 раз больше, чем в начале 70-х годов, когда на железных дорогах СССР случилось всего 26 таких изломов.

В связи с этим возникают проблемы, связанные с устранением дефектной части рельсовой плети (особенно бесстыковых рельсов) и восстановлением ее целостности для безопасного пропуска поездов при существенном снижении времени ремонта и соответственно продолжительности предоставляемых «окон». Значительный объем резки рельсов производится на ремонтных заводах, при выполнении подготовительных работ для эффективного использования второгодных рельсов в бесстыковых путях.

Использование плазменной технологии резки рельсов позволяет в 3- раза, по сравнению с применяемыми механическими способами увеличить производительность труда и в 3-8 раз по сравнению газовой и электродуговой резкой.

Однако, несмотря на достоинство и перспективность этой технологии, ее внедрение сдерживается целым рядом причин, среди которых: повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение;

электромагнитные поля;

ионизирующие излучения;

шум;

ультразвук и др.

В этой связи диссертационная работа, посвященная разработке оборудования и технологии плазменной резки, позволяющие улучшить условия труда резчика и повысить экономичность процесса резки, является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в рамках отраслевой комплексной программы Казахстан Темир Жолы по проблеме 22.00.00 - Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий на железных дорогах Казахстана.

Целью диссертационной работы является улучшение условий труда в рабочей зоне при плазменной резке рельсов, за счет разработки специального оборудования снижающего количество вредных выбросов в окружающее пространство.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи исследования:

1. Разработка способа уменьшения образования вредных веществ в атмосфере рабочей зоны при плазменной резке металлов, за счет введения воды в рабочую камеру и изменения состава плазмообразующего газа.

2. Разработка конструкции плазмотрона, позволяющего без снижения энергетических показателей, уменьшить образование вредных веществ в процессе резки.

3. Разработка методики расчета необходимого количества воды подаваемой в плазмотрон для снижения вредных выбросов в атмосферу рабочей зоны и эффективного охлаждения конструкции плазмотрона.

4. Разработка устройства для конечной (тонкой) очистки газов попадающих в зону дыхания резчика.

Методы исследования: в теоретических исследованиях использованы положения фундаментальных и прикладных наук: электродинамики, аэродинамики, теплотехники, теории резания;

математического моделирования;

физики плазмы. В экспериментальных исследованиях использованы методы физического моделирования с применением современных средств и методов измерений со статистической обработки данных на ЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Образование вредных веществ в рабочей зоне плазменной резки металлов снижается по сравнению с воздушным плазмотроном промышленной установки Киев -7, путем использования плазмотрона с водовоздушной рабочей средой, это позволяет уменьшить содержание пыли на 50-70%, оксидов азота на 35-40%, оксидов углерода на 20-30%.

2. Интенсификация процесса улавливания тонкодисперсных частиц пыли достигается применением электрофильтра, что увеличивает эффективность осаждения пылинок средним размером 0,3 мкм до 98%.

3. Климатические режимы окружающей среды регулируются образованием пленки жидкости на внутренней поверхности рабочей камеры плазмотрона при подаче водовоздушной смеси, обеспечивающей охлаждение конструктивных элементов плазмотрона за счет фазового перехода воды в пар, и тем самым уменьшающей температуру и влажность воздуха на рабочем месте, создавая водяную завесу вокруг места резки, а также повысить коэффициент полезного использования тепловой энергии передаваемой плазме.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложен способ уменьшения образования вредных веществ в рабочей зоне при плазменной резке металлов путем изменения состава плазмообразующего газа за счет введения в него воды.

2. Разработана конструкция плазмотрона и механизм подачи водовоздушной плазмообразующей среды в рабочую камеру, позволяющие создать на внутренней поверхности рабочей камеры пленку воды, охлаждать конструктивные элементы плазмотрона за счет фазового перехода воды в пар и создавать улучшенные климатические условия в рабочей зоне.

3. Предложена методика расчета необходимого количества водовоздушной смеси для получения водородсодержащей плазмы, обеспечивающая снижение образования вредных веществ в зоне дыхания резчика, и позволяющая осуществить эффективное охлаждение конструкции плазмотрона и окружающего воздуха за счет создания водяной завесы вокруг места резки рельса.

4. Предложен механизм интенсификации процесса улавливания аэрозольных частиц путем их биполярной зарядки и разработана конструкция электрофильтра, улучшающая осаждение тонкодисперсных частиц в потоке воздуха, образующихся в процессе плазменной резки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертационной работе, подтверждается:

- удовлетворительной сходимостью теоретических решений с результатами экспериментальных данных и проведенных натурных испытаний;

- лабораторными исследованиями;

- сравнением полученных данных с подобными результатами других исследователей приведенных в литературе.

Практическая ценность работы заключается, в том что:

- предложенный способ введения воды в состав плазмообразующего газа, позволит вносить специальные добавки для уничтожения образующихся в процессе резки особо токсичных вредных веществ;

- разработанная конструкция плазмотрона и система энергообеспечения установки плазменной резки рельсов уменьшают образование вредных веществ, расход воды на охлаждение (до 12л/ч, вместо 460л/ч), что позволяет убрать водяной насос в системе энергообеспечения.

- разработанная конструкция электрофильтра, улавливает тонкодисперсные частицы, эффективно очищая поток воздуха в зоне дыхания резчика.

Личный вклад автора в науку:

- проведение экспериментальных исследований по концентрации пыли и содержанию оксидов углерода и азота при разработке конструкции водовоздушного плазмотрона;

- разработка методики расчета конструктивных параметров и необходимого количества воды для уменьшения вредных выбросов в рабочую среду при плазменной резке рельсов;

- проведение натурных испытаний в условиях эксплуатации на рельсосварочном предприятии;

- разработка и исследование устройства для очистки воздуха от тонкодисперсных аэрозольных частиц.

Реализация работы: Разработанная конструкция плазмотрона с использованием водовоздушного охлаждения, снижающая пылегазовые вредности в рабочей зоне, была внедрена на рельсосварочном предприятии «РСП – Луговое».

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на: научных конференциях Казахской Академии транспорта и коммуникаций (КазАТК);

третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации, высшее образование в современных условиях» (АИЭС, Алматы, 2002г.), международной научно практической конференции «Железнодорожный транспорт Казахстана: история и перспектива экономического роста» (КазАТК, Алматы, 2004г), третьей международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии:

взгляд в XXI век» ( КазАТК, Алматы, 2004г), VIII международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030»(КарГТУ, 2005г.), первой международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (ВКГТУ, июнь 2005г), в вестнике КазАТК № 1(32), 2005г., в вестнике КазАТК № 5(42), 2006г.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе статьи в научных изданиях, рекомендованных Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, основных выводов, изложенных на страницах компьютерного набора, включает 73 рисунков, 17 таблиц и список использованных источников из 170 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемы улучшения воздушной среды производственных помещений имеют важное социальное значение. Значительный вклад, в решение проблем очистки от пылегазовых вредностей и оздоровления воздушной среды промышленных предприятий различных отраслей, внесли ученные нашей республики: Данилина Г.П., Акимбеков А.К., Дюсебаев М.К., Жараспаев М.Т., Зальцман М.Д., Хакимжанов Т.Е., и др. Большинство работ по обеспечению нормальных санитарно-гигиенических условий труда посвящены различным аспектам очистки воздуха при добыче и переработке минерального сырья, а также при производственно-технологических процессах различных промышленных предприятий.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы уменьшения вредных выбросов при плазменной резке рельсов на предприятиях ЗАО НК КТЖ, за счет совершенствования технологического процесса и плазменного оборудования, а также оборудования по очистке воздуха от пыли.

Сущность плазменной резки состоит в нагревании газа, в столбе электрической дуги до 3000 - 30 000 °К и использовании физических процессов локального нагрева металла до температуры выше точки его плавления с последующим удалением расплава из полости реза высокоскоростным газовым потоком.

В связи с этим режущая дуга излучает энергию в оптическом диапазоне и при отсутствии защиты возможны поражения органов зрения (электроофтальмия, катаракта и т. п.) и ожоги кожных покровов.

Отрицательное воздействие на здоровье может оказать инфракрасное излучение (нарушение терморегуляции, тепловые удары).

Движение пятна привязки дуги в плазмотроне и по разрезаемому металлу и вылетающий из сопла с большой скоростью плазменный поток вызывают звуковые и ультразвуковые колебания, являющиеся источником повышенного шума.

При ручных и полуавтоматических методах резки имеет место статическая нагрузка на руки, в результате чего могут возникнуть заболевания нервно-мышечного аппарата плечевого пояса.

К опасным производственным факторам относятся воздействие электрического тока, искры и брызги, выбросы расплавленного металла и шлака;

возможность взрыва баллонов и систем, находящихся под давлением;

опасны движущиеся механизмы и изделия.

Но наиболее важной причиной сдерживающей внедрение плазменной резки рельсов, является образование вредных веществ попадающих в зону дыхания работающих и не соответствие состава воздуха требуемым нормативам.

Количество и состав вредных примесей, их токсичность зависят от химического состава разрезаемых материалов и состава рабочего газа. Следует отметить на железных дорогах Казахстана в основном укладывают рельсы типа Р65 из мартеновской стали, выпускаемой в России и на Украине.

Исследования по выбросу вредных веществ при разрезании рельсов железных дорог плазмотронами практически отсутствуют.

Происходящие в разрезаемом металле физико-химические процессы приводят к выделению при резке буровато-желтого дыма, который по характеру образования относится к конденсационным аэрозолям и представляет собой дисперсную систему с дисперсной фазой из возгонов металлов и их оксидов, главным образом железа, марганца и других веществ, и дисперсной средой в виде смеси аспирационного воздуха с плазмообразующим газом и продуктами их взаимодействия: оксидами азота, углерода, озоном и др.

Эти газы, обладающие значительной токсичностью, образуются в результате диссоциации рабочих газов в дуге и их активного взаимодействия, свойственного газам в атомарном состоянии. Они вызывают раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, удушье, отравление организма человека.

Экспериментальные исследования образования вредных веществ при плазменной резке рельсов проводились на стенде экспериментальной промышленной установки. Измерение концентрации пыли проводились с помощью аспиратора для отбора проб М – 822 (заводской номер – 90742;

год поверки – 03.10.2003г) с применением фильтров АФА- РМП- 20. Взвешивание фильтров проводилось на весах типа ВЛР-200. Скорость всасывания аспирируемого воздуха 20 л/мин, время – 10 минут. Измерения проводились на различных расстояниях от плазмотронов, но методика измерения не изменялась для каждого из них. Измерения содержания оксидов углерода и азота были проведены экспрессным линейно- колористическим методом с помощью аспиратора МАМ – 4.

В экспериментах исследовалась резка рельса Р65 с помощью промышленного воздушного плазмотрона от установки Киев-7. Плазмотрон располагался с боку рельса и процесс резки разбивался на 2 этапа: а) резка головки рельса и в) резка подошвы и шейки рельса. Расход газа выбирался из условия отсутствия грата на кромках реза и составлял 1,6-2,3 л/с. Основным варьируемым параметром в процессе исследования являлся ток плазмотрона.

По каждой величине тока проводилось не менее трех экспериментов, усредненные результаты которых представлены в соответствии с рисунками и 2.

1400, / 80 60 40 20 20 20 20 20 5 5 5 4 4 4 4 100 200 300 400 5 1 2 3, мг/м / / 3 /, / NO, / 3 CO, / Рисунок 1 - Резка головки рельса воздушным плазмотроном 120 Выбросы, мг/м 72 60 40 28 20 20 20 20 20 5 5 5 4 4 4 4 100 200 300 400 1 2 3 4 Ток, А Пыль мг/м г/м3 Оксидов азота мг/м3 Окиси углерода мг/м ПДК пыли, мг/м3 ПДК NO, мг/м3 ПДК CO, мг/м Рисунок 2 - Резка подошвы и шейки рельса воздушным плазмотроном Из рисунков видно, что наличие в окружающей среде вредных веществ, больше чем предельно допустимая концентрация этих веществ.

Как показали проведенные исследования, основная масса образующихся вредных веществ, вначале выбрасывается плазмообразующим газом под разрезаемое изделие и в дальнейшем воздушными потоками поднимается в зону дыхания резчика. В этой связи, мы исследовали резку рельса над водой (водяная подушка).

Экспериментальные исследования воздушного плазмотрона с использованием водяной подушки представлены в соответствии с рисунками и 4.

120 Выбросы, мг/м 100 60 55 20 20 20 19 17 5 5 5 4 4 4 4 1 100 200 300 400 5 2 3 Ток, А Пыль мг/м г/м3 Оксидов азота мг/м3 Окиси углерода мг/м ПДК пыли, мг/м3 ПДК NO, мг/м3 ПДК CO, мг/м Рисунок 3 - Резка головки рельса воздушным плазмотроном с использованием водяной подушки 100 Выбросы, мг/м 920 45 20 20 20 16 14 5 5 5 4 4 4 4 100 200 300 400 5 1 2 3 Ток, А Пыль мг/м г/м3 Оксидов азота мг/м3 Окиси углерода мг/м ПДК пыли, мг/м3 ПДК NO, мг/м3 ПДК CO, мг/м Рисунок 4 - Резка подошвы и шейки рельса воздушным плазмотроном с использованием водяной подушки Как видно из рисунков резка рельсов воздушным плазмотроном с использованием водяной подушки значительно уменьшает вредные выбросы в окружающую среду. Однако количество пыли и оксидов азота превышает ПДК и применение ее в полевых условиях затруднительно.

Известно, что снижение количества газообразных вредностей дает резка в смеси аргона и водорода, за счет наличия в плазмообразующем газе тяжелых частиц аргона не позволяющих образующимся вредным выбросам высоко подниматься над поверхностью разрезаемого металла.

В этой связи, нами предпринята попытка, использовать вместо аргоноводородной смеси водовоздушную смесь. Наличие в составе водовоздушного плазмообразующего газа тяжелых молекул воды может создать улучшающий экологический и защитный эффект аналогичный атомам аргона, а диссоциации воды создаст водородосодержащую плазму обуславливающую высокие технологические параметры плазменной резки.

Необходимый расход воды для создания водородосодержащей плазмообразующей среды может быть рассчитан по уравнению:

VН=12•10-2 I (1) Произведя соответствующие преобразования и считая, что водород составляет 11.11% от массы воды, можно найти массовый расход воды для оптимальных энергетических параметров водородсодержащей плазмы.

Так, например, для тока I=200А и при расходе воздуха Vвз=10-3 м3/с, объёмный расход воды в водовоздушной смеси должен быть Vвд= 4,7·10-7м3/с, а массовый расход воды Gвд=4,7·10-4кг/с.

Использование водовоздушной смеси в качестве рабочей среды позволяет создать систему энергообеспечения, в которой отсутствует водяной насос, а охлаждение конструкций плазмотрона производится в виде теплоотвода от охлаждаемой поверхности за счет фазового перехода воды в пар.

Для этого в зазоре между соплом и катодом необходимо создать слой, не содержащий воды, поэтому водовоздушная смесь подавалась тангенциально в рабочее пространство плазмотрона. В результате этого охлаждающая жидкость (вода) попадает на охлаждаемые конструкции в виде тонкой плёнки.

Образование такой плёнки производится за счет сепарации водовоздушной смеси после завихрителя. Так как вода имеет большую плот ность, чем воздух, она под действием центробежной силы, возникающей при вихревом движении водовоздушной смеси, будет отбрасываться на стенку внутренней полости сопла, растекаясь тонким слоем, а воздушный поток будет проходить в центральной части, образуя слой воздуха у катода в соответствии с рисунком 5. Тепловой поток от электрического разряда попадает вначале на водяную плёнку и через неё передаётся к конструктивным элементам плазмотрона. При этом, если вода испаряется, то водяной пар будет сразу попадать в водовоздушный поток и смешиваться с ним, а на место испарившейся поступит новое количество воды.

Часть воды в рабочей камере плазмотрона под действием теплоты, отдаваемой дугой в радиальном направлении, будет испаряться, и диссоциировать на водород и кислород.

Рисунок 5 - Сепарация водовоздушной смеси вихрем Теплоотвод, за счёт испарения Qи, получил название пузырькового кипения и имеет более интенсивную теплоотдачу. Режим пузырькового кипения при водяном охлаждении соответствует максимальной теплоотдаче, так как энергия на испарение определённого количества воды на порядок выше энергии, необходимой для нагрева воды до точки кипения (конвективный теплообмен Qн). При этом толщина плёнки должна регулироваться и быть минимальной, позволяющей беспрепятственно (без образования пузырьков) испаряться с поверхности охлаждения.

Образование плёнки за счет сепарации водовоздушной смеси в камере плазмотрона позволяет за счет дополнительных отверстий сопле создать водяную завесу вокруг места резки.

Площадь сечения дополнительных отверстий:

Sд.о. = Sкан (Gохл – Gэн) / Gэн, (2) где S кан – сечение канала сопла;

dс – диаметр канала сопла.

Применение такой системы подачи воды для создания пароводяной завесы вокруг места резки позволяет снизить охлаждающее воздействия воды на разрезаемый металл и улучшить климатические условия в зоне резки.

Необходимое количество воды для создания водородосодержащей плазмообразующей среды, охлаждения испарением и создания водяной завесы, может быть рассчитано по предлагаемой методике в соответствии с рисунком 6.

Рисунок 6 - Вихревая подача водовоздушной смеси в камеру плазмотрона Для определения распределения давления в сопле вихревого плазмотрона использована аналитическая зависимость давления в любой точке циклона (рабочей камеры плазматрона) от давления и скорости газового потока на входе в камеру:

v 0 r02 р = р0 г ( 2 2) (3) 2r r где р0, v0 – давление и скорость газа на входе в камеру;

г – плотность газа;

r0 – радиус вихревой камеры.

Наибольшего значения давление достигает у стенок камеры и уменьшается к оси в соответствии с рисунком 6. На некотором радиусе rc значение давления p настолько мало, что его можно принять равным нулю.

Тогда радиус центральной зоны rc с пониженным давлением равен r rс =. (4) 1 + p0 / г v0 / Система подачи водовоздушной смеси должна обеспечивать образование водяной плёнки и воздушного слоя с радиусом центральной зоны rc, а также перемещение пленки по внутренней поверхности плазмотрона к выходному отверстию сопла не зависимо от положения плазмотрона в пространстве.

Количество воды в водовоздушной смеси должно регулироваться в зависимости от вида реза (горизонтальный, вертикальный или боковой) и определяется по выражению mиспk;

где: k – коэффициент изменяющийся от 1 до kмак.

Значение kмак= rc /rисп может быть определено из соотношения радиусов определяемых толщиной воды на входе в плазмотрон, занимаемой массой количества воды, необходимого для охлаждения испарением rисп и количеством воды, определяемым диаметром зоны наименьшего давления rc, ограничиваемой двойным дугообразованием:

r исп = (5) r k c мак 2mисп воды (6) rисп = r l где rисп - сопротивление испарения, определяемое по объему, занимаемому испаряющейся жидкостью при подаче ее в рабочую камеру плазмотрона, и условия ее полного испарения в рабочей камере всоответствии с рисунком 7.

mисп rо rисп rс mпол Рисунок 7 – Схема для расчета количества воды подаваемой в камеру плазмотрона Зная внутренний диаметр и длину сопла можно определить входное сечение отверстий S2 через которое подается водовоздушная смесь.

Скорость смеси на входе в плазмотрон может быть определена по уравнению vсм = Gсм/(смS2), м/с (7) Gводы + г Gг = воды (8) Gг + Gводы см где см - плотность водовоздушной смеси;

г = 0 р – плотность газа на входе в плазмотрон;

0 = 1,205кг/м3 – плотность воздуха при давлении 1 атм.;

р = 2, атм. – давление воздуха на входе в плазмотрон;

Gг = 2,1г/с - расход плазмообразующего газа определяется технологическими параметрами режущей дуги;

Gводы=mиспk vл l – расход воды с учетом необходимого количества для охлаждения испарением и создания водяной завесы.

Расчёт проводился с использованием приложения MathCAD.

Предлагаемая методика позволяет определить конструктивные параметры линейных плазмотронов с вихревой подачей газа для обеспечения эффективной системы охлаждения сопла плазмотрона и снижение распространения вредных веществ за счет наличия тяжелых частиц воды в режущей дуге и на поверхности разрезаемого металла, а также водяной завесы вокруг места реза.

Эксперименты с помощью разработанного плазменного резака с водовоздушной плазмообразающей средой и использованием водяной подушки показали высокую производительность и качество резки железнодорожного рельса и снижение вредных выбросов в рабочей зоне в соответствии с рисунками 8 и 9.

250 Выбросы, мг/м 50 20 20 20 5 10 10,2 5 4 4 4 100 200 300 Ток, А мг/м Пыль г/м3 Оксидов азота мг/м3 Окиси углерода мг/м ПДК пыли, мг/м3 ПДК NO, мг/м3 ПДК CO, мг/м Рисунок 8 - Резка головки рельса плазменным резаком с водовоздушной плазмообразающей средой и использованием водяной подушки и водяной завесы, / 90 40 20 20 20 18 10 5 5 8, 5 7 4 4 4 100 200 300, мг/м / 3 / 3 /, / NO, / CO, / Рисунок 9 - Резка подошвы и шейки рельса плазменным резаком с водовоздушной плазмообразающей средой и использованием водяной подушки и водяной завесы Проведенные исследования показали, что при использовании водовоздушных плазмотронов с водяной завесой концентрация содержания в воздухе CO стала ниже предельно допустимой концентрации, а концентрация NO в воздухе превышает ПДК при работе с любым плазмотроном, кроме того, в воздухе остается мелкодисперсионная пыль.

В этой связи, необходимо применение дополнительного оборудования (вытяжной механической вентиляции и др.) для создания нормальных условий работы. Подход к выбору того или другого типа аппаратов для оформления процесса очистки выбросов в основном определяется характером технологического процесса (ручная, механизированная и автоматизированная резка) и объемом обрабатываемого аспирационного воздуха.

В последние годы наметились тенденции к расширению применения широкой гаммы электростатических фильтров. Установки с электрофильтрами обеспечивают высокую эффективность очистки воздуха от твердых частиц, но имеют (по сравнению с фильтрационными) большие габариты и массу.

При использовании водовоздушного плазмотрона с водяной подушкой и водяной завесой для резки рельсов использовалось приспособление для отсоса в соответствии с рисунком 10, которое двигается синхронно с плазменной горелкой и представляет собой сопло, жестко связанное с ней, расположенное концентрично на небольшом расстоянии от плазмотрона и соединенное с вентилятором. Такое устройство обеспечивает одинаковую скорость отсоса вокруг горелки, что позволяет при небольших затратах энергии практически полностью аспирировать выделяющиеся вредные вещества и направить их на очистку в малогабаритные газоочистные устройства.

У Рисунок 10 - Схема реализации способа для плазменной резки над поверхностью воды.

Для улавливания тонкодисперсных частиц в потоке воздуха, был разработан электрофильтр (У), подсоединяемый к вентилятору и использующий эффект «электрокоагуляции» мелкодисперсных аэрозольных частиц в рабочей зоне.

Устройство содержит разрядные камеры в виде фигурных цилиндров с сетчатым дном, на котором прикреплены коронирующие иглы, причем верхняя и нижняя разрядные камеры отличаются от остальных по своей конструкции.

Если верхняя камера не имеет сетчатого дна, то к нижней камере не прикреплена коронирующая игла.

В электрофильтре коронирующие и внешние электроды выполнены совместно в виде игл на сетках, причем образованные разрядные камеры расположены последовательно и попеременно соединены к разным полярностям источника питания.

Одним из путей интенсификации процесса коагуляции аэрозольных частиц является их биполярная зарядка. Кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными частицами, способствуют их сближению и коагуляции. Кроме кулоновских сил притяжения на взаимное движение частиц, то есть на величину константы коагуляции влияют инерционные и гидродинамические силы, силы тяжести, которые зависят от скоростей, массы и размеров частиц и расстояния между ними.

В предлагаемом устройстве, процессы зарядки частиц осуществляются поочередно, а другие силы, гидродинамические и силы тяжести, влияющие на процессы коагуляции, направлены по вертикали вниз. Такое положение в целом, обеспечивается осесимметричным расположением коронирующих игл, поочередным расположением разнополярных зон коронного разряда и электрическим ветром, присутствующим в коронном разряде. Электрический ветер, являющийся обязательным атрибутом коронного разряда, создает скоростной напор потока воздуха (до 5 м/с) в рабочей зоне и заставляет работать устройство в режиме ионно-конвекционного насоса. Сверху засасывается запыленный воздух, после очистки его в устройстве, выпускается снизу, в чистом виде.

С течением некоторого времени (не более 5 с) в разрядных камерах расположенных в ряд, устанавливается устойчивый электрический ветер, направленный вниз и устройство начинает работать в режиме ионно конвекционного насоса. В связи с этим, начинаются процессы засасывания наружного воздуха во внутрь устройства через пазы, которые имеются в каждой разрядной камере. Поэтому процессы зарядки аэрозольных частиц, что является главным для электрокоагуляции заряженных частиц, протекают во всех зонах одновременно и в постоянном движении из-за присутствия электрического ветра.

Таким образом, аэрозольные частицы, подвергаясь многократной зарядке в рабочей зоне и многократно участвуя в процессах электрокоагуляции постепенно наращивают свои размеры, а затем, вовлекаясь электрическим ветром и под силой тяжести попадают в пылесборник. Тонкодисперсная пыль, которая не успела нарастить свой размер, поднимается вверх и через пазы разрядных камер снова попадает во внутрь устройства и снова подвергается обработке. Этот процесс может повторяться многократно.

Ввиду того, что отрицательная корона с иглы протекает более интенсивно по сравнению с положительной, балластные сопротивления в цепи питания разрядных камер, где возникает отрицательная корона, имеют более высокие значения чем сопротивления в цепи положительной короны.

Как известно, другим обязательным атрибутом коронного разряда является образование озона в зоне разряда. В нашем случае также образуется озон, хотя очень в малых количествах, не превышающих ПДК озона в атмосферном воздухе. Между тем, чтобы оградить от озона окружающую среду, предлагаемое устройство снабжено озонопоглотителями.

Проведенные исследования показали, что разработанное устройство позволяет полностью очистить воздух от попавших в него дисперсных частиц.

Достигаемая при этом эффективность по стандартному аэрозолю с размером частиц 0,3 мкм составляет 98%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения задачи по снижению запыленности и загазованности в рабочей зоне при плазменной резки рельсов, применение которых обеспечивает решение прикладных задач охраны труда. В рамках единой научной проблемы, выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Внедрение плазменной резки рельсов на железных дорогах Казахстана наряду с другими причинами ограничивается ее вредным воздействием на рабочих и окружающую среду. Имеет место повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение режущей дуги, а также электромагнитные поля;

ионизирующие излучения;

шум;

ультразвук;

статическая нагрузка на руку и др.

2. Из вредных воздействий наибольшую опасность представляют повышенная запыленность и загазованность воздуха. Уменьшение воздействия, которых возможно за счет: сбора, отвода и нейтрализация вредных компонентов после резки металла;

уменьшения образования вредных компонентов непосредственно в процессе резки.

3. Экспериментально установлено, что существенным снижением количества вредных выбросов в зону дыхания резчика является резка рельсов над водой. Однако водяная подушка не уменьшает количество пыли и оксидов азота ниже ПДК.

4. Предложено, введение добавок и изменение состава плазмообразующего газа с целью уменьшения образования вредных компонентов в процессе резки.

5. На основании проведенного анализа экспериментальных работ определено, что аргонно-водородные смеси уменьшают количество вредных веществ в окружающей среде за счет наличия в плазмообразующей среде тяжелых частиц аргона. Показано, что при использовании водовоздушной плазмообразующей среды, можно получать производительность резки аналогичную водородсодержащим смесям (при минимальной стоимости сжатого воздуха и воды) и создавать улучшенные условия труда.

6. Разработана конструкция плазмотрона с плёночным охлаждением его элементов за счёт испарения жидкости, позволяющая исключить в системе энергообеспечения плазменного резака водяной насос, уменьшить массогабаритные параметры резака (воздействие на руку резчика), увеличить производительность резки металла и создать благоприятные условия работы.

7. Предложена методика расчёта количества воды в плазмообразующей водовоздушной смеси, для обеспечения эффективной системы охлаждения элементов плазмотрона, создания улучшенных климатических условий за счет наличия частиц воды в режущей дуге, на поверхности разрезаемого металла и создания пароводяной завесы вокруг места реза. Расход воды снижается до л/ч, вместо 460 л/ч при проточном охлаждении.

8. Установлено, что при использовании водовоздушных плазмотронов с водяной завесой концентрация содержания в воздухе CO ниже предельно допустимой концентрации, а концентрация NO и мелкодисперсной пыли в воздухе превышает ПДК. Имеется необходимость применения дополнительного оборудования (вытяжной механической вентиляции и др.) для создания нормальных условий работы.

9. Разработано устройство для тонкой очистки газов, в котором используются процессы электрокоагуляции заряженных частиц в присутствия электрического ветра, эффективность очистки в котором по стандартному аэрозолю с размером частиц 0,3 мкм составляет 98%.

Таким образом, используя комплекс разработанных способов и устройств можно уменьшить до минимума вредные газы, исключить дым и аэрозоли и создать благоприятные условия в рабочей зоне плазменной резки рельсов.

В целом, можно дать краткую характеристику диссертационной работы:

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута, задачи исследований решены полностью, результаты исследований доведены до внедрения.

Разработка рекомендаций исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты работы могут быть рекомендованы при использовании плазменной техники для резки металлов в других отраслях промышленности, а также в учебном процессе ВУЗов по энергетическим и машиностроительным специальностям.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Работа внедрена на рельсосварочном предприятии «РСП –Луговое», с предполагаемым годовым экономическим эффектом от снижения заболеваний 110 тысяч тенге.

Акт внедрения получен.

Оценка научного уровня выполнения работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научный уровень работы подтверждается разработанными способами и оборудованием для уменьшения образования вредных веществ при плазменной резке металлов и поданной заявкой на изобретение в НИИС № 2005/0388.1 от 19.03.2005.

Аналогичные работы, направленные на снижение запыленности и загазованности в рабочей зоне при плазменной резке рельсов, практически отсутствуют.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Кангожин Б.Р., Мукажанов В.Н., Жиенбеков Г.Р., Арыстанов Н.Н., Казанина И.В. Эффективность охлаждения плазменного резака // Вестник КазАТК, 2002 - № 3(15). – С. 10-13.

2. Устройство для очистки воздуха. / Бахтаев Ш.А., Абишова А.С., Осипова Л.Б., Казанина И.В. Заявка на изобретение в НИИС № 2005/0388.1 от 19.03. 3. Казанина И.В. Проблемы охраны воздушной среды при плазменной резке металлов. // Вестник КазАТК, 2005 - № 1(32) – С. 121-128.

4. Бахтаев Ш.А., Абишова А.С., Осипова Л.Б., Казанина И.В.

Электроразрядный очиститель воздуха от аэрозольных частиц. // Материалы VIII Международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан -2030».- Караганда, КарГТУ, 2005.

5. Казанина И.В. Определение состава выбросов вредных веществ при плазменной резке рельсов. // Материалы 1 Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение», - Усть-Каменогорск, ВКГТУ, 2005. – С. 158-160.

6. Осипова Л.Б., Тойгожинова А.Ж., Казанина И.В. Устройство для контроля запыленности помещений. Труды научно – практической конференции «Проблемы развития энергетики и телекоммуникаций в свете стратегии индустриально – инновационного развития Казахстана», 7. Дюсебаев М.К., Бахтаев Ш.А., Казанина И.В. Способы снижения вредных выделений при плазменной резке рельсов. // Труды 5 Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации, высшее образование в современных условиях».- Алматы, АИЭС, 2006.- С. 458 - 463.

8. Казанина И.В. Расчет конструктивных параметров плазмотрона для резки металлов с учетом улучшения его экологических характеристик. // Вестник КазАТК. – 2006, № 5(42) – С. 197-200.

ТЙІН Казанина Ирина Владимировна Диссертацияны таырыбы: «Рельстерді плазмалы кесу кезінде жмысты айматы шадалуын жне газдалуын тмендету» Мамандыы 05.26.01 – «Ебекті орау» Зерттеу объектісі. Рельстерді плазмалы кесуге арналан ондырылар орналастырылан ндірістік панажай.

Жмысты масаты: оршаан ортада зиянды алдытарды млшерін тмендететін жабдытарды жасап шыару арылы рельсті плазмалы кесетін жмысшыларды ебек шартын жасарту.

Жмысты жргізу тсілі. Теориялы зерттеулерде іргелі жне олданбалы ылымдарды трылары пайдаланылан: электр динамика, аэродинамика, жылу техникасы, кесу теориялары, математикалы лгілеу, плазманы физикасы. Тжірибелік зерттеулерде ЭЕМ – да мліметтерді статистикалы деулермен лшеуді жаа лгідегі (азіргі заманы) тсілдері мен жабдытарын олданумен физикалы лгілеу тсілдері олданылан.

Жмыс нтижелері.

Жмыс нтижелеріні ылыми маыздылыы мынада:

1. Металлдарды плазмалы кесу кезінде, плазма тзетін газды рамын згерту арылы, мысалы, оан суды енгізу арылы, зиянды заттарды тзілуін азайту тсілдері сынылан.

2. Су-ауалы ортадаы плазмотрондарды олдана отырып, оны салма - габариттік сипаттамаларын тмендетуге болатындыы жне бны кесушіні жмыс шартын жеілдетуге, кесу кезінде энергия тасымалдаушыларды жне жабдытарды баасын тмендету арылы плазмалы аынны энергетикалы сипаттамаларын жоарылатуа болатындыы длелденген.

3. Плазматронны жмыс камерасыны ішкі абатында суды жіішке абыршаын тзу шін, сондай-а, плазмаа берілетін жылу энергиясыны пайдалы олдану коэффициентін жоарылата отырып жне плазматронны конструктивті элементтерін салындата отырып, суды буа фазалы ауысы арылы зиянды заттарды тзілуін тмендететін су-ауалы плазмалы ортаны берілуін жабдытайтын механизм жне плазматронны конструкциясы делген.

4. Сутектен тратын плазманы алу шін су-ауалы оспаныны ажетті млшерін алуды есептеу тсілі, зиянды заттарды тзілуін тмендету, плазматронны конструкциясын тиімді салындатуды жзеге асыру жне кесу орнында суды рамыны пайда болуы сынылан.

5. Аэрозольді блшектерді биполярлы зарядталуыны кмегмен оларды коагуляциялы рдістерін интенсивтендіру механизмі сынылан жне плазмалы кесу кезінде ауа аынында пайда болатын жіішке дисперстік стап алуды жасартатын электр сзгішті (фильтрді) конструкциясы делген.

Жмысты іс жзілік ндылыы мынада:

- плазма тзетін газды рамына суды енгізу шін тсіл кесу барысында пайда болатын те улы зиянды заттарды жою шін арнайы оспаларды осуа ммкіндік береді;

- делген плазматронны конструкциясы мен рельстерді плазмалы кесу ондырыларын энергиямен жабдытау жйесі зиянды заттарды тзіліуін жне салындатуа шыындаллан суды млшерін (460 л/са орнына 12 л/са дейін) азайтады. Бл энергиямен жабдытау жйесінде су сорысын алып тастауа ммкіндік береді жне ысы уаытта ашы алаайлар шін де плазматронды пайдалануа ммкіндік береді.

- делген электр сзгішті конструкциясы іішке дисперстік блшектерді стау арылы кесушіні тыныс алу (ауа жту) аймаындаы ауа аынын тиімді тазартады.

Негізгі конструктивтік, технологиялы жне техникалы олданымды (эксплуатациялы) сипаттамалары. Плазма тзетін газды рамына су енгізуге ммкіндік беретін металлдарды плазмалы кесуге арналан плазматронны конструкциясы делген. Мндай плазматрондармен рельстерді кесу технологиясы ауалы плазматронды Киев -7 нерксіптік ондырысымен салыстыранда жмыс аймаында шаны болуын 50-70% тмендетеді.

Плазматронны жмыс камерасыны ішкі абатында суды жіішке абыршаын алыдыын есептеу тсілі сынылан. Бл суды буа фазалы ауысуы арылы салындатылан абаттан жылу кетуді кмегімен плазматронды салындатуа ммкіндік береді, плазма аыныны энергетикалы параметрлерін жасартады, кесу орнында су абатын тзеді жне азот тотытарыны рамын 35-40 %, кміртек тотыын 20-30 % тмендетеді.

стап алуды тиімділігін (стандарт бойынша 0,3 мкм аэрозоль 98% жетеді) жоарылататын жне осыны арасында жмысшыларды денсаулыына кері сер ететін зиянды заттарды тмендететін электр сзгішті (фильтрді) жмыс аймаында, жіішке дисперстік блшектерді бірнеше рет зарядталуы мен разрядталуыны кмегімен, ауа аынында жіішке дисперстік блшектерді стауа арналан рылы делген.

ЗЖ (ылыми-зерттеу жмыстарын) дамытуды кепілдемелері мен орытындылары. Диссертациялы жмысты таырыбы 22.00.00 – азастанны темір жолдарында ресурстарды (орларды) орау технологиясын дамыту жне деу мселесі бойынша кешендік салалы бадарламасымен (программасымен) тыыз байланысан.

Су-ауалы салындатылатын, жмыс аймаында ша жне газ зияндылыын тмендету шін арналан бл плазматронны делген конструкциясын Луговое рельс днекерлеуші ксіпорнында (РДК) дамыту (олдану).

олдану облысы. Металлдарды плазмалы кесетін ондырылар олданылатын нерксіптік ксіпорында жне нерксіпті ртрлі салаларындаы ндірістік аладарда олданылады.

Жмысты экономикалы тиімділігі мен маыздылыына ндірістік панажайларда ауа кеістігін жасарту мселесін шешу барысында леуметтік мніні маыздылыы жатады.

SUMMARY Kazanina Irina Vladimirovna «DECREASE OF SUSPENDED MATERIALS CONCENTRATION AND GAS CONTAMINATION IN WORK AREA AT PLASMA RFIL CARVE» Faculty 05.26.01 – Labor protection Object of research is the industrial premises with fittings for plasma rail curve.

Overall goal of the study is an improvement of labor conditions of employees working on plasma rail curving due to development of equipment decreasing quantity of harmful emissions to the environment.

Work implementation method. The statements of fundamental and applied sciences, such as electrodynamics, aerodynamics, heating engineering, curving theory as well as math modeling and plasma physics were used in theoretical researches.

Experimental researches included methods of physic modeling with application of modern means and measurement methods from computer statistic data processing.

Study outcome.

Scientific significance of study outcome is outlined in the following:

1. Reduction method of harmful emissions during plasma curve of metals due to change of plasma constituent gas compositions, for instance, through water injection into it.

2. It is being proved that use of plasmatrons with air-and-water labor environment decreases its weight and gabarit characteristics therefore improving labor conditions of shearer, increases energetic characteristics of plasma flux and efficiency of cutting process due to decrease of energy carrier and equipment cost.

3. Developed construction of plasmatron and mechanism of air-and-water plasma-supporting environment into mixing chamber allowing to create thin water membrane on inside surface of mixing chamber, to increase effective utilization factor of thermal energy delivered to the plasma as well as to cool down constructive elements of plasmatron due to phase change of water into steam and therefore to decrease formation of deleterious matters in the mixing chamber of plasmatron.

4. Suggested calculation methodology of required amount of air-and-water temper in order to combine it to hydrogen-bearing plasma, decrease of deleterious matters formation, implementation of the effective cooling down of plasmatron construction and creation of water curtain around gouge area.

5. Proposed intensification mechanism of aerosol particle coagulation process due to their bipolar load and developed construction of electrofilter which improves capture of fined particles in the airflow, shaped during the process of plasma cutting.

Practical value of the thesis is concluded in the following:

- proposed approach of water introduction into plasma producing gas will allow to insert special additive agents in order to destroy acute toxic deleterious matters formed during cutting process;

- developed construction of plasmatron and the system of energy supply of railing plasma cutting machine decrease formation of deleterious matters, water flow for cooling down (to 12l/h instead of 460l/h), allows to exclude water pump in the system of energy supply and to use the plasmatrones even for open areas in winter conditions.

- developed construction of electrofilter captures fined particles, it efficiently cleans air flow in the breathing area of the shearer.

Main constructive, technological, technical and operational characteristics.

Developed construction of plasmatron for plasma metal cutting, allowing introduce water into the plasma producing gas composition. Railing cutting technology with application of the plasmatron decreases dust burden in the working area up to 50-70% in comparison with air plasmatron of industrial machine Kiev-7.

Proposed calculation method of thin water film on the inside surface of mixing chamber of plasmatron, which allows to create cooling down of plasmatron due to heat removing from cooling surface due to phase change of water into steam, increases energetic parameters of plasma flow, creates water curtain around cutting area and decreases content of nitrogen oxide on 35-40% and carbonic oxide on 20 30%.

Developed mechanism of fined particles capture in the airflow due to repetitive loading and unloading in the working area of electrofilter, which allows efficiency of capture (on standard aerosol with particle size up to 0,3 micrometer reaches 98%) and therefore decreases their harmful effect to the health of employees.

Recommendations or implementation outcomes of the research effort.

Dissertation thesis topic is connected with complex programme on 22.00.00 problem – Creation and implementation of resource saving technologies on rail ways of Kazakhstan.

Developed construction of plasmatron with application of air-and-water cooling down, decreasing dust and gas harmful effects in the working area was implemented in rail welding enterprise named Lugovoe.

Field of application. Industrial enterprise and facilities of different spheres of industry where machines of plasma cutting of metals are being used.

Economic efficiency and significance of the thesis is based on the fact that problems of improvement of air conditions of industrial facilities possess an important social meaning.

Prognosis proposals on development of the researched subject. Proposed construction of plasmotron and railing cutting technology with its application can be recommended for the implementation in all repair facilities of CJCS NC KTZH (National Company “Kazakhstan Rail Ways”).

Developed approach of deleterious substances formation decrease in plasma railing cutting process due to introduction of different chemical additive agents and plasma supporting gas content change can be recommended for further researches during development of equipment for plasma metal cutting.

Подписано в печать 21.03.2007г.

Печать ризографическая. Формат 60х84 1/ Бумага офсетная № 1 Объём 1,0 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № Копировально – множительное бюро Алматинского института энергетики и связи 050013, г. Алматы,ул. Байтурсынова,126.