Технология литейного производства

Технология литейного производства

Экология литейного производства

с точки зрения модифицирования чугунов и сталей

С позиции экологии и охраны труда литейное производство является одним из самых опасных. Отходы литейного производства, выбросы в атмосферу пагубно влияют на экологическое равновесие. При производстве одной тонны отливок из стали и чугуна выделяется около 50 кг пыли, 250 кг оксидов углерода, 1,5-2 кг оксидов серы и азота и до 1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов). В водный бассейн поступает до 3 куб.м сточных вод и вывозится в отвалы до 6 т отработанных формовочных смесей

В то же время без литейного производства невозможно представить себе современную промышленность. Рентабельность любого проекта является обязательным условием экономики. Однако целью модернизации литейных производств в государственном масштабе должно быть, прежде всего, не извлечение выгоды, а максимально возможное снижение вредного влияния литейных производств на окружающую среду. Этим, в частности, занимается наука "Экология литейного производства".

Экология, в переводе с греческого, "наука о доме" или "наука о месте обитания". Экология литейного производства - наука о том, как следует литейному производству существовать в согласии с окружающей средой.

К сожалению, на сознательность рядового предпринимателя по ряду понятных причин пока рассчитывать не приходится, поэтому экологические аспекты производства выходят сегодня на первый план лишь благодаря ограничительным мерам. Например, вредные выбросы в атмосферу жёстко регламентируются Киотским протоколом. Поэтому за последние годы приоритеты в развитии технологических процессов литейного производства в сторону их совместимости с окружающей средой всё-таки меняются.

Модифицирование, как наиболее эффективный метод управления металлургическим качеством отливок, сокращает процент брака в литейном производстве, и в результате положительно сказывается на экологии литейного производства.

Экологические проблемы литейного производства и пути их развития.

Вопросы экологии в настоящее время выходят на первый план в развитии промышленности и общества.

Технологические процессы изготовления отливок характеризуются большим числом операций, при выполнении которых выделяются пыль, аэрозоли и газы. Пыль, основной составляющей которой в литейных цехах является кремнезём, образуется при приготовлении и регенерации формовочных и стержневых смесей, плавке литейных сплавов в различных плавильных агрегатах, выпуске жидкого металла из печи, внепечной обработке его и заливке в формы, на участке выбивки отливок, в процессе обрубки и очистки литья, при подготовке и транспортировке исходных сыпучих материалов.

В воздушной среде литейных цехов, кроме пыли, в больших количествах находятся оксиды углерода, углекислый и сернистый газы, азот и его окислы, водород, аэрозоли, насыщенные оксидами железа и марганца, пары углеводородов и др. Источниками загрязнений являются плавильные агрегаты, печи термической обработки, сушила для форм, стержней и ковшей и т.п.

Одним из критериев опасности является оценка уровня запахов. На атмосферный воздух приходится более 70% всех вредных воздействий литейного производства.

При производстве 1 т отливок из стали и чугуна выделяется около 50 кг пыли, 250 кг оксидов углерода, 1,5-2 кг оксидов серы и азота и до 1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов). В водный бассейн поступает до 3 куб.м сточных вод и вывозится в отвалы до 6 т отработанных формовочных смесей.

Интенсивные и опасные выделения образуются в процессе плавки металла. Выброс загрязняющих веществ, химический состав пыли и отходящих газов при этом различен и зависит от состава металлозавалки и степени ее загрязнения, а также от состояния футеровки печи, технологии плавки, выбора энергоносителей. Особо вредные выбросы при плавке сплавов цветных металлов (пары цинка, кадмия, свинца, бериллия, хлор и хлориды, водорастворимые фториды).

Применение органических связующих при изготовлении стержней и форм приводит к значительному выделению токсичных газов в процессе сушки и особенно при заливке металла. В зависимости от класса связующего в атмосферу цеха могут выделяться такие вредные вещества как аммиак, ацетон, акролеин, фенол, формальдегид, фурфурол и т. д. При изготовлении форм и стержней с тепловой сушкой и в нагреваемой оснастке загрязнение воздушной среды токсичными компонентами возможно на всех стадиях технологического процесса: при изготовлении смесей, отверждении стержней и форм и охлаждении стержней после извлечения из оснастки.

Рассмотрим токсичное воздействие на человека основных вредных выделений литейного производства:

Оксид углерода (класс опасности – IV) – вытесняет кислород из оксигемоглобина крови, что препятствует переносу кислорода из лёгких к тканям; вызывает удушье, оказывает токсическое действие на клетки, нарушая тканевое дыхание, и уменьшает потребление тканями кислорода.

Оксиды азота (класс опасности – II) – оказывают раздражающее действие на дыхательные пути и кровяные сосуды.

Формальдегид (класс опасности – II) – общеядовитое вещество, вызывающее раздражение кожи и слизистой оболочки.

Бензол (класс опасности – II) – оказывает наркотическое, отчасти судорожное действие на центральную нервную систему; хроническое отравление может привести к смерти.

Фенол (класс опасности – II) – сильный яд, оказывает общетоксическое действие, может всасываться в организм человека через кожные покровы.

Бензопирен С20Н12 (класс опасности – IV) – канцерогенное вещество, вызывающее генные мутации и раковые заболевания. Образуется при неполном сгорании топлива. Бензопирен обладает высокой химической стойкостью и хорошо растворяется в воде, из сточных вод распространяется на большие расстояния от источников загрязнений и накапливается в донных отложениях, планктоне, водорослях и водных организмах. /3/

Очевидно, в условиях литейного производства проявляется неблагоприятный кумулятивный эффект комплексного фактора, при котором вредное воздействие каждого отдельного ингредиента (пыли, газов, температуры, вибрации, шума) резко увеличивается.

Твёрдые отходы литейного производства содержат до 90% отработанных формовочных и стержневых смесей, включая брак форм и стержней; также они содержат просыпи и шлаки из отстойников пылеочистной аппаратуры и установок регенерации смесей; литейные шлаки; абразивную и галтовочную пыль; огнеупорные материалы и керамику.

Количество фенолов в отвальных смесях превышает содержание других токсичных веществ. Фенолы и формальдегиды образуются в процессе термодеструкции формовочных и стержневых смесей, в которых связующим являются синтетические смолы. Эти вещества хорошо растворимы в воде, что создает опасность попадания их в водоёмы при вымывании поверхностными (дождевыми) или грунтовыми водами.

Сточные воды поступают главным образом от установок гидравлической и электрогидравлической очистки отливок, гидрорегенерации отработанных смесей и мокрых пылеуловителей. Как правило, сточные воды линейного производства одновременно загрязнены не одним, а рядом вредных веществ. Также вредным фактором является нагрев воды, применяемой при плавке и заливке (водоохлаждаемые формы при кокильном литье, литье под давлением, непрерывное литье профильных заготовок, охлаждении катушек индукционных тигельных печей).

Попадание тёплой воды в открытые водоёмы вызывает снижение уровня кислорода в воде, что неблагоприятно влияет на флору и фауну, а также снижает самоочищающую способность водоёмов. Расчёт температуры сточных вод производится с учётом санитарных требований, чтобы летняя температура речной воды в результате спуска сточных вод не поднималась более чем на 30°С.

Разнообразие оценок экологической ситуации на различных переделах изготовления отливок не даёт возможности оценить экологическую ситуацию всего литейного цеха, а также техпроцессов, применяемых в нём.

Предлагается ввести единый показатель экологической оценки изготовления отливок – удельные газовыделения 1-го компонента к приведенным удельным газовыделениям в пересчёте на диоксид углерода (парниковый газ)

Газовыделения на различных переделах рассчитываются:

при плавке – умножением удельных газовыделений (в пересчёте на диоксид) на массу выплавляемого металла; при изготовлении форм и стержней – умножением удельных газовыделений (в пересчёте на диоксид) на массу стержня (формы).

За рубежом давно принято оценивать экологичность процессов заливки форм металлом и затвердевания отливки по бензолу. Было установлено, что условная токсичность на основе бензолового эквивалента, учитывающая выделения не только бензола, но и таких веществ как СОХ, NOХ, фенола и формальдегида у стержней, полученных по «Hot-box» – процессу на 40% выше, чем у стержней, полученных по «Cold-box-amin» – процессу.

Проблема предупреждения выделения вредностей, их локализации и обезвреживания, утилизации отходов является особенно острой. Для этих целей применяется комплекс природоохранных мероприятий, включающий использование:

для очистки от пыли – искрогасителей, мокрых пылеуловителей, электростатических пылеуловителей, скрубберов (вагранки), тканевых фильтров (вагранки, дуговые и индукционные печи), щебёночных коллекторов (дуговые и индукционные электропечи);

для дожигания ваграночных газов – рекуператоры, системы очистки газов, установки низкотемпературного окисления СО;

для уменьшения выделения вредностей формовочных и стержневых смесей – снижение расхода связующего, окисляющие, связующие и адсорбирующие добавки;

для обеззараживания отвалов – устройство полигонов, биологическая рекультивация, покрытие изоляционным слоем, закрепление грунтов и т. д.; для очистки сточных вод – механические, физико-химические и биологические методы очистки.

Из последних разработок обращают на себя внимание созданные белорусскими учеными абсорбционно-биохимические установки очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных цехах производительностью 5, 10, 20 и 30 тыс. куб.м./час /8/. Эти установки по совокупным показателям эффективности, экологичности, экономичности и надёжности в эксплуатации значительно превосходят существующие традиционные газоочистные установки.

Все эти мероприятия связаны со значительными затратами. Очевидно, следует, прежде всего, бороться не с последствиями поражения вредностями, а с причинами их возникновения. Это должно быть главным аргументом при выборе приоритетных направлений развития тех или иных технологий в литейном производстве. С этой точки зрения использование электроэнергии при плавке металла наиболее предпочтительно, так как при этом минимальны выбросы самих плавильных агрегатов

Вопрос о выборе процесса формовки базируется на анализе трёх факторов:

технологического – включает основные свойства смесей (прочность, текучесть, выбиваемость, вероятность образования дефектов);

экономического – включает стоимость смесей и стержней, брак стержней и отливок, возможность экономии металла за счёт повышения точности, снижения толщины стенок отливок, стоимости и стойкости оснастки и т. д.;

экологического – включает объём газовыделений в холодной стадии процесса и при заливке, охлаждении и выбивке, возможность и стоимость депонирования отходов, утилизации и т.д. По этим критериям несомненными преимуществами обладают смеси на связующих неорганического происхождения.

Завершая анализ вредных выбросов на рабочем месте, следует иметь в виду: долгое время считалось, что наиболее неблагополучно с экологией на плавильном участке, однако с развитием новых технологий изготовления стержней с применением синтетических смол различных классов эти проблемы затронули все переделы литерного производства.

Не менее важной проблемой являются выбросы в окружающую среду, которые регламентируются Киотским протоколом, вступившим в силу 16.02.2005 г. (Россия ратифицировала протокол в ноябре 2004 г.). Если нормативы РФ на предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе рабочей зоны более строгие, то требования ПДК в жилой зоне у нас мягче, чем за рубежом. В ближайшее время платы за выбросы в окружающую среду будут только возрастать, особенно после вступления России в ВТО.

Природоохранное законодательство в России развивается крайне медленно. Ещё в 1991 году был принят «Закон об охране окружающей природной среды», суть которого во введении платы за загрязнения и штрафов за превышение нормативов. Имелось в виду стимулирование природоохранных технологий и нормализация экологической обстановки. С предприятий предусматривалось брать плату за использование природных ресурсов или штраф за превышение экологических нормативов в размере, превышающем затраты на предотвращение вредных выбросов. Если предприятие внедряет экологически чистую технологию, то штраф с него не взимается, а плата за природные ресурсы существенно уменьшается. Плата за основные производственные фонды, используемые в природоохранной деятельности, не производятся.

Острота экологических санкций заключается в том, что штраф взимается из прибыли. Он является некоторой усреднённой величиной, сумма которой может быть, с учётом местных условий, либо увеличена (для экологически неблагоприятных регионов), либо уменьшена для регионов, где экологическая обстановка благоприятна. Предприятиям устанавливается срок внедрения природоохранных мероприятий, по истечении которого будут браться прогрессивные отчисления из фондов предприятия.

Проблема состоит в том, что реализация природоохранных мероприятий увеличивает стоимость продукции и снижает рентабельность производства.

Оглядываясь назад, следует отметить, что экологические санкции практически не применялись (например, штраф для Кировского завода в размере 177 млн. руб.) в годы перестройки. В настоящее время реализация этой идеи представляется вполне достижимой. В 2002 году принят Федеральный Закон «Об охране окружающей среды» и ряд других. За их соблюдением следят Министерство природных ресурсов и Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор).

Экологическое законодательство в России постепенно приближается к американским стандартам. Российские предприятия будут получать разрешения на вредные выбросы в атмосферу . Документ, регулирующий порядок их выдачи, ввёл в действие Ростехнадзор. Для его получения хозяйствующие субъекты должны направить в территориальные органы ведомства всего 3 бумаги: заявление на выдачу разрешения, утверждённые в установленном порядке нормативы ПДВ для каждого стационарного источника и установленные временно согласованные объемы выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух. Ответ организация должна получить в течение месяца.

До 2010 г. намечена разработка технических регламентов, в которых содержатся требования к предприятиям по охране окружающей среды (нормы безопасности продукции, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации). Законопроект «О плате за негативное воздействие на окружающую среду» вот уже 4 года ходит по инстанциям.

Применяемые на предприятиях экологические экспертизы являются анализом скорее документов, чем обстановки. Производимые замеры во времени и пространстве не могут дать объективной картины в постоянно меняющейся экологической обстановке. Необходим экологический мониторинг.

Представляет интерес разработка Международного центра риска здоровью человека в Санкт-Петербурге (директор К.Фридман). В результате изучения многих факторов, влияющих на здоровье человека, применения мониторинга (отслеживания состояния окружающей среды в точке, в пространстве и во времени, анализа заболеваний в зависимости от экологических факторов по районам) разработана система оценки риска здоровью человека от атмосферного воздуха, питьевой воды, производственных факторов. Риск рассчитывают конкретно, если есть данные о заболеваемости, проводится корреляционный анализ и оценка достоверности результатов. Критерием для установления норматива ПДК является граница между накоплением ингредиента в тканях и органах до физиологически изменений в пределах нормы (после нее – заболевание). Количественные критерии могут использоваться для отнесения территорий к зонам экологического бедствия. Конструктивность такого подхода в том, что показатель риска можно использовать для назначения цены на землю и недвижимость, дифференцированной по экологическим критериям.

Экологическое сознание определяет выбор вариантов технологий, строительства предприятий и использования природных ресурсов, экологическую культуру граждан. Одна из основных задач современного образования – становление экологического способа мышления, формирование экологического сознания.

Литература:

«Экология литейного производства» (под редакцией А. Н. Болдина, С. С.Жуковского, А. Н. Поддубного, А. И. Яковлева, В. Л. Крохотина), Брянск, БГТУ 2001 г.

А. И. Орехова «Экологические проблемы литейного производства» («Экология производства», № 1, 2005 г., приложение «Металлургия»).

А. Н. Болдин, А. Б. Полонников «О программном комплексе экологической оценки импортного литейного оборудования» (Литейное производство, № 12, 2005 г.).

А. Н. Болдин «Литейное производство с точки зрения экологии» (Литейное производство, № 3, 2005 г.).

Д. Я. Соляков, А. Н. Болдин «Газовыделение бензола при термодеструкции стержней, изготовленных по «Hot-box» и «Cold-box-amin»-процессам (Литейное производство, № 9, 2005 г.).

Экономика и жизнь, № 24, июнь 2006 г.

B. C. Кривицкий «Об экологических проблемах литейного производства» (Литейное производство, № 1, 1998 г.).

Опыт эксплуатации АБХУ очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных цехах стран СНГ(УП «Промышленные экологические системы», г. Минск, инф. Бюллетень № 4, апрель 2007 г., ЗАО «Металлург», Москва).

Экономика и жизнь, № 14, апрель 2007 г.