Msuri de prevenire a polurii mediului i securitii personalului la operaiile de producere i utilizare a mediilor gazoase (atmosferelor controlate)

Student: Calin Iulian

Master: Ingineria si Managementul Afacerilor in Industrie

An: I

Generaliti

In practica tratamentelor termice, mediile de nclzire gazoase au o pondere nsemnat. Folosirea fr pericol a mediilor gazoase este legat de respectarea aplicrii anumitor msuri, pentru a cror nelegere este necesar s se explice pericolele posibile la utilizarea gazelor.La gazele combustibile pericolul principal const n posibilitatea exploziei care exist pentru o anumit proporie de gaz combustibil i aer, ct i o anumit temperatur sau o surs de aprindere.Arderea gazelor depinde de limita de inflamabilitate a amestecului combustibil gaz-aer. Dac un amestec de gaz-aer inflamabil este ncalzit n ntregime sau parial la temperatura de aprindere, atunci arderea poate fi diferit n funcie de condiiile de curgere sau de spaiu.De exemplu, amestecul poate s fie ars sub control la gura arztorului, presupunnd c viteza de ieire este mai mare dect viteza de aprindere (n caz contrar, sunt provocate retururile de flacr). Dac acelai amestec umple un spaiu mai mare i se afla n repaus sau ntr-o micare redus, aprinderea provoac o ardere brusc, necontrolat, care este legat de creterea apreciabil a presiunii. Presiunea exploziei poate s ating valori de pn la 7 at. Toate msurile de siguran care se iau mpotriva pericolului de explozie sunt de a se nltura condiiile care pot provoca o explozie. Aceasta nseamn inlturarea formrii amestecului, eliminarea surselor de aprindere i arderea controlat la arztoare.Gazele combustibile sau gazele obinute n urma arderii conin elemente toxice care reprezint n anumite cazuri un adevrat pericol.Valorile maxime admisibile ale unor componente gazoase toxice sunt: CO (0,02... 0,03%), NH3 (0,02%), H2S (0,01%), CH4 (0,02%).Cel mai periculos este monoxidul de carbon, deoarece nu are miros si este foarte toxic. De aceea, este necesar echiparea posturilor de lucru cu ventilatoare corespunztoare, iar punctele de evacuare trebuie s fie dotate cu flacr de veghe care s produc arderea excesului de gaze combustibile.Din punctul de vedere al tehnicii securitii muncii, nclzirea cu curent electric prezint numeroase avantaje n comparaie cu ncalzirea cu combustibil. Dintre acestea se remarc: lipsa unor degajri dunatoare (fum, vapori), etanarea bun a cuptoarelor (pierderi de cldur mici), controlul, reglarea i automatizarea procesului de nclzire, exploatarea sigur a cuptoarelor i mbuntirea condiiilor de munc.Msurile privind securitatea personalului si protecia mediului vizeaz n ansamblu evitarea a dou situaii n care pot aprea pericole de explozie sau de intoxicare:

formarea n spaiul de lucru al cuptorului sau instalaiei de tratament termic a unui amestec explozibil de aer i atmosfer controlat (tabelul 1) ;

,,scpri" de atmosfer controlat n spaiul atelierului n care concentraiile gazelor explozibile sau toxice pot atinge valori la care pot aprea pericolul de explozie sau i de intoxicare.

In mod corespunztor acestor situaii periculoase, protecia mediului vizeaz dou grupe de msuri privind:

nlocuirea aerului sau a unei anumite atmosfere controlate din spaiul de lucru al cuptorului sau atmosferei controlate cu o alta corespunztoare unei noi etape a tratamentului termic sau evitrii pericolului de explozie ;

etanarea spaiilor de lucru ale cuptoarelor i instalaiilor de tratament termic n vederea izolrii acestora de aerul atmosferic sau de restul spaiului cuptorului i instalaiei n care se afl aer sau produsele de combustie pentru ncalzire.

Metode de inlocuirea aerului sau atmosferei controlate din spaiul de lucru

Inlocuirea unei faze gazoase cu alta are la baz att procese de amestecare ct i procese combinate de ardere i evacuare. In funcie de natura proceselor pe care se bazeaz precum si de anumite condiii specifice cum sunt de exemplu rapoartele greutilor specifice ale gazelor i temperatura spaiului de lucru, metodele de nlocuire se grupeaz n :

nlocuire prin ardere;

nlocuire prin spalare;

nlocuire prin evacuare si agitare.

Inlocuirea prin ardere are la baz procesul de ardere a componentelor combustibile (i periculoase) CO si H2 din atmosferele controlate, atunci cnd acestea sunt introduse n spatiile cuptoarelor umplute cu aer la temperaturi suficient de nalte pentru a se produce o aprindere imediat i o ardere continu, produsele de ardere (CO2 si H2O) fiind evacuate mpreun cu N2 din aer de ctre atmosfera controlat nears i care continu s fie introdus. Temperatura de 750C stabilit ca limit inferioar de la care poate fi permis introducerea atmosferei controlate n spaiul cuptorului, dei temperaturile de aprindere ale acestora sunt situate n intervalul 500650C, trebuie respectat cu strictee pentru a se preveni accidentele care pot apare ca urmare a erorilor de msurare a temperaturii i a neomogenizarii amestecului aer : atmosfer controlat.

In fig. 1 sunt prezentate curbele de variatie a proporiei volumice a oxigenului din aer i a atmosferei controlate n funcie de cantitatea de atmosfer controlat introdus [m3/m3 din volumul cuptorului].

Fig. 1. Curbele de variaie a proporiei volumice a oxigenului din aer, a azotului din aer i din arderea atmosferei controlate i a atmosferei controlate la nlocuirea prin ardere.Fig. 2. Curbele de variaie a proporiei volumice a oxigenului din aer, aerului atmosferei controlate la inlocuirea prin spalare .

Dup cum rezult din aceast figur, pe msur ce crete proporia de CO si H2 din atmosfera controlat, scade cantitatea [m3/m3 volum al cuptorului] la care oxigenul din spaiul cuptorului este consumat, ncepnd umplerea acestui spaiu cu atmosfera controlat. Datorit faptului c prin aplicarea acestui procedeu nu este necesar producerea i folosirea unei atmosfere controlate fr CO si H2 pentru splare, aceast metod prezint un important avantaj economic. Aplicarea ei nu este posibil n cuptoarele n al cror spaiu de lucru sunt i zone reci, cu temperatura mai joas de 750C.Inlocuirea prin splare (schema din fig. 2) are la baz diluarea continu a componentelor unui amestec gazos existent in spaiul cuptorului prin amestecarea continu cu altul format din componente care nu reacioneaza exoterm (cu ardere) cu componentele celui dinti.Inlocuirea prin evacuare si agitare.

Evacuarea trebuie fcut pn la un vid de 95%, corespunznd unei presiuni la pompare de 36 torr, pentru a se asigura o concentraie a O2 de maximum 1 %. Pentru recoaceri la alb (neoxidante) vidul realizat naintea introducerii atmosferei controlate trebuie s fie mai avansat dect 10-2 torr. Altfel, este necesar s se fac o splare sau s se repete vidarea. Caracterizarea tipurilor de cuptoare si utilaje de tratament termic in privinta securitii personalului i proteciei mediului la utilizarea atmosferelor controlate

Pe lng condiiile de a asigura parametrii termici, chimici si temporali ai operaiei procesului tehnologic, cuptoarele si instalaiile de tratament termic n atmosfere controlate mai trebuie s ndeplineasc, prin caracteristicile lor constructive i funcionale, nc o condiie care este esenial n alegerea lor i anume cea impus de securitatea personalului i protecia mediului.

Sunt prezentate principiile care stau la baza stabilirii instruciunilor tehnologice de lucru la cuptoarele de tratament termic n atmosfere controlate. Pornind de la premiza c problemele privind protecia mediului se abordeaz de la nceput n ansamblul problemelor privind calculul i proiectarea procesului tehnologic i utilajului specific, aceste principii sunt prezentate pe grupe de cuptoare, distincte att din punctul de vedere constructiv funcional si al destinaiei ct i din acela al securitii personalului i protectiei muncii.Grupa 1 cuprinde cuptoarele care constau dintr-un singur spaiu de lucru, care n timpul funcionrii se gaseste la o temperatur mai nalt de 750C. In aceasta grup intr cuptoarele continui tip tunel, cu vatra format din role, plase, benzi, plci etc. destinate executrii n atmosfera controlat numai a operaiei de nclzire, cu sau fr modificare a compoziiei chimice n straturile superficiale ale produselor, rcirea fcndu-se n aer sau n bazine cu ap, ulei sau topituri.

Inlocuirea aerului se face prin metoda arderii. Operatia de nlocuire trebuie nceput cnd temperatura cuptorului a atins 750C, cnd este posibil aprinderea i arderea continu a gazelor de protecie.

Aplicarea metodei de nlocuire a aerului prin splare cu un gaz inert, neexplozibil si netoxic, este indicat atunci cnd este necesar formarea ntr-un timp relativ scurt a atmosferei de tratament termic n cuptoare fr mufl, cu zidrie nou, n care caz formarea componentelor H2O si CO2 prin arderea oxigenului din aer de ctre CO sau H2 din amestecul gazos folosit pentru ardere ar putea fi dunatoare zidriei sau tuburilor radiante.

In timpul funcionrii nu sunt necesare msuri speciale pentru prevenirea exploziei deoarece temperatura fiind mai mare de 750C, chiar n cazul ntreruperii accidentale a alimentrii cu atmosfera controlat, s-ar produce arderea ntregii cantiti de componente CO si H2, atmosfera devenind oxidant pentru ncrctura metalic dar nu explozibil.

La terminarea operaiilor de nclzire sub atmosfera controlat coninnd CO si H2 n concentraii mai mari dect limita pericolului de explozie, ntreruperea alimentrii cu aceast atmosfer controlat nu creeaz pericolul de explozie, deci nu sunt necesare msuri speciale. In cazul cnd formarea unei atmosfere oxidante coninnd CO2 si H2O este duntoare zidriei sau tuburilor de radiaie este indicat nlocuirea atmosferei neoxidante si nedecarburante, care conine CO si H2, prin splare cu atmosfer inert pe baz de N2, dup care se poate face alimentarea cu alte atmosfere, corespunztoare unui alt tratament termic sau rcirea n condiii n care zidria i tuburile radiante i alte componente metalice din spaiul de lucru n-au fost influenate negativ. Atmosfera controlat din cuptor care scap n spaiul exterior prin uile de ncrcare sau descrcare arde n contact cu aerul atmosferic fr explozie, componentele formate n spaiul atelierului nefiind nici explozibile i nici toxice. La extremitile cuptorului este indicat s se instaleze flcri de control sau perdele de flcri.Grupa 2 cuprinde cuptoarele continui n care, sub atmosfer controlat, se execut operaii de nclzire n dou trepte de temperatur, dintre care una peste 750C si alta sub 750C. Introducerea ncrcturii se face direct n zona cu temperatura peste 750C iar din cea de a doua zon rcirea se face direct n aer. Metoda pentru nlocuirea aerului n vederea introducerii atmosferei controlate se stabilete n funcie de raportul dintre volumele celor dou zone i de tipul atmosferei controlate care se introduce n cuptor. Cu ct atmosfera controlat conine proporii mai mari de componente combustibile (n ordine descresctoare se situeaz atmosferele obinute prin disocierea amoniacului, atmosferele de tip endoterm i atmosferele de tip exoterm) raportul admisibil ntre volumul zonei reci i volumul zonei calde se micoreaz; de asemenea, dac cuptorul nu este echipat cu aparatur pentru analiza gazelor produse prin ardere este necesar s se aplice procedeul de nlocuire prin ardere cu cinci volume de atmosfer controlat fa de un volum al zonei respective, fa de trei volume ct ar fi teoretic necesar, cu condiia supravegherii prin controlul compoziiei chimice a gazelor c procesul de ardere este continuu i uniform; de asemenea, cu ct temperatura zonei calde este mai ridicat, raportul admisibil al volumelor celor dou zone se micoreaz. De exemplu, dac se introduce atmosfera obinut prin disocierea amoniacului ntr-un cuptor a crui zon cald este la temperatura de 750C, raportul dintre volumul zonei calde i al zonei reci nu trebuie sa depeasc cca 8% dac cuptorul nu este echipat cu aparatur pentru analiza compoziiei chimice a produselor reaciei i cca 14,5 % dac cuptorul este echipat cu astfel de aparatur. La o temperatur a zonei calde de 1000C valorile admisibile sunt cca 6,5 % i respectiv cca 12 %. In cazul cnd aerul trebuie nlocuit cu atmosfer de tip exoterm aceste valori sunt mai mari i anume cca 21 % si respectiv cca 34% la o temperatura a zonei calde de 750C si cca 17% si respectiv cca 28% la o temperatur a acestor zone de 1000C.

Componentele oxidante (CO2, H2O) pot ajunge la concentraii dunatoare dac nu sunt evacuate forat si sunt lsate sa prseasca spaiul cuptorului numai sub aciunea suprapresiunii din el.

Cuptoarele din aceasta grup sunt utilizate n mod obinuit pentru tratamente termice n atmosferele de tip exoterm (recoaceri izoterme, normalizri), astfel nct volumul zonei reci poate fi relativ mare, nefiind necesare instalaii de aspiraie pentru evacuarea forat a produselor reaciei. In atelierul de tratament termic n care exist generatoare de atmosfere controlate de tip exoterm, acestea pot fi folosite pentru producerea de atmosfer srac, potrivit pentru nlocuirea aerului de la cuptoarele de acest tip destinate a lucra sub atmosfere controlate de tip endoterm sau obinute prin disocierea amoniacului. In perioadele cnd cuptoarele care lucreaz cu atmosfer de tip exoterm se afl n faze de lucru, n care nu se consum astfel de atmosfer, ele pot fi trecute, prin schimbarea raportului aer : gaz combustibil, pe producere de gaz exoterm srac, care s fie depozitat si folosit pentru nlocuirea aerului din celelalte cuptoare.

In timpul exploatrii, cuptoarele din aceast grup trebuie prevzute cu ecrane de protejare a operatorilor mpotriva flcrilor care pot apare sub aciunea curentului generat de aezarea coaxial a usilor de ncrcare si descrcare. La ntreruperea alimentrii cu atmosfer controlat cu coninut de componente combustibile CO si H2 sub pragul de explozibilitate nu este necesar s se ia o alt msur n afar de asigurarea unei functionari normale a perdelelor de flacari.

In aceste condiii, in spaiul cuptorului au loc reacii ale caror produse nu sunt explozibile. In cuptoare de acest tip, cu zone reci de dimensiuni mari, cum sunt cele destinate tratamentului termic al evilor, benzilor, srmelor si profilelor laminate n atmosfere protectoare de tip exoterm, prin simpla ntrerupere a alimentrii n zona de rcire frontul flcrilor poate fi ntrerupt datorit gazelor produse din reacie i insuficienei oxigenului. Astfel, n zona de rcire se pot forma amestecuri gaz-aer care se aprind cu ntrziere de la sursa exterioar (perdeaua de flcari) formnd limbi de flacari care pun n pericol pe operator. De aceea, pentru cuptoarele de acest fel este mai indicat ca la ntreruperea ciclului de tratament termic s se fac nlocuirea atmosferei cu care s-a lucrat anterior prin splare cu atmosfer inert. Scprile de atmosfer controlat pot fi arse la intrarea sau la iesirea vetrei, instalndu-se o flacr de siguran. Dac ns atmosfera controlat n care s-a efectuat tratamentul termic contine CO n concentratii sub limita de inflamabilitate, acesta poate scpa nears putnd atinge n spaiul atelierului concentraii peste limita de pericol la intoxicare. De aceea, se impune absorbirea gazului nears i diluarea lui cu aer pn cnd componentele nocive sunt aduse la concentraii nepericuloase.

Grupa 3 cuprinde cuptoare discontinui sau continui, n care se efectueaz n atmosfer controlat att operatiile de ncalzire ct si cele de racire (lent n camere separate ale cuptorului sau rapid n bazine). In aceasta grup sunt cuprinse cuptoarele discontinui sau continui cu bazin integrat, cu destinatii multiple si cuptoarele continui, tip tunel sau carusel, pentru recoacere (clasica sau izoterma), carburare, carbonitrurare, prevazute sau nu cu bazine de racire n ulei sau ap. In vederea introducerii atmosferei controlate, o prim masur obligatorie este oprirea completa a alimentarii sau patrunderii accidentale a acesteia n spatiul cuptorului dupa oprirea functionarii (ncalzirii) acestuia si nainte de renclzire pn la 750C.

In timpul nclzirii si alimentarii cu atmosfer controlat usile exterioare ale antecamerelor trebuie sa fie complet deschise iar usile intermediare sa fie deschise la o deschidere de cca 100 mm. Alimentarea cu atmosfera controlata se face prin metoda nlocuirii (aerului) prin ardere si de aceea trebuie nceputa la temperaturi de minimum 750C. Gazele care rezult din reacia aerului din spaiul nclzit cu atmosfer controlat introdus la nceputul alimentarii ,,spal" zonele reci ale cuptorului si exercit o presiune n spaiul antecamerei. Uile antecamerei pot fi nchise complet iar uile intermediare ramn deschise atta timp ct ard perdelele de flacari. Perdelele de flacari trebuie aprinse n momentul nceperii alimentarii si reglate la o nalime mica iar nainte de nchiderea uilor exterioare nlimea trebuie sa fie maxim. Dup nchiderea usii antecamerei, la usa intermediar continu arderea astfel ca oxigenul din aerul nchis n antecamer este consumat. In continuare, spatiul acesteia este umplut cu atmosfera controlat nears. In timpul functionarii, n functie de succesiunea operatiilor, trebuie sa se aiba n vedere succesiunea obligatorie de mai sus pentru a evita patrunderea atmosferei controlate nearse n spaii reci i aer sau produse de combustie n spaiul de nclzire.

Grupa 4 cuprinde cuptoare tip camer cu vatr orizontal fix sau mobil, pe orizontal sau pe vertical (cu elevator) sau cu bolt (capac). La cuptoarele de acest tip pot fi aplicate n principiu oricare dintre cele trei metode de nlocuire a atmosferei. Trebuie inut seama de faptul c metoda prin evacuare si agitare implic o etanare perfect, greu sau imposibil de asigurat.