Дисперсный состав сварочного аэрозоля
ГОСТ Р 54597-2011/ISO/TR 27628:2007
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЗДУХ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ
Ультрадисперсные аэрозоли, аэрозоли наночастиц и наноструктурированных частиц. Определение характеристик и оценка воздействия при вдыхании
Workplace atmospheres. Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols. Inhalation exposure characterization and assessment
Дата введения 2012-12-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой организацией "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АНО "НИЦ КД") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 457 "Качество воздуха"
4 Настоящий стандарт идентичен международному документу ISO/TR 27628:2007* "Воздух рабочей зоны. Ультрадисперсные аэрозоли, аэрозоли наночастиц и наноструктурированных частиц. Определение характеристик и оценка воздействия при вдыхании" (ISO/TR 27628:2007 "Workplace atmospheres - Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols - Inhalation exposure characterization and assessment", IDT)
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Август 2019 г.
Исторически сложилось, что воздействие аэрозолей характеризовали массовой концентрацией частиц, связанной с характерным фракционным составом, соответствующим различным областям осаждения в респираторной системе. Однако имеются доказательства того, что знание одной только массовой концентрации не обеспечивает выявления соответствующих рисков для здоровья, связанных с вдыханием некоторых аэрозолей. Многие токсикологические исследования свидетельствовали, что при выражении дозы веществ через массу некоторые ультрамелкие вдыхаемые нерастворимые частицы могут быть более токсичными, чем более крупные аналогичного состава [4]-[11]. Результаты эпидемиологических исследований аэрозолей в окружающей среде с начала 1990-х гг. показали, что частицы размером менее 2,5 мкм опаснее для здоровья населения, чем частицы размером менее 10 мкм, при выражении дозы по массе [12]-[22]. Хотя в настоящее время влияние вдыхания очень мелких частиц на здоровье работников промышленных предприятий изучено мало, есть основания полагать, что воздействие, связанное с вдыханием таких частиц (образующихся при высокотемпературных процессах, например обработке металла и сварке), будет больше, чем могла бы показать его оценка на основе массы [23], [24]. При совместном рассмотрении этот факт указывает на наличие риска для здоровья работников промышленных предприятий при вдыхании аэрозолей, степень которого зависит от размера частиц и не может быть соответствующим образом охарактеризована только с помощью массовой концентрации. В знак признания потенциальной важности размера частиц постепенно стал использоваться термин "ультрадисперсный аэрозоль", относящийся к аэрозолям, дисперсную фазу которых составляют частицы диаметром менее 100 нм. В настоящее время термин широко применяют к аэрозолям, в отношении которых есть подозрение на наличие потенциальных влияний на здоровье в зависимости от размера частиц. Поскольку в последние годы интенсивно ведутся работы по исследованию и разработкам в области нанотехнологий, особое внимание было обращено на потенциальное воздействие на здоровье искусственно получаемых частиц диаметром несколько нанометров или других структур нанометрового диапазона [25]-[28]. В этом контексте термины "искусственно полученные наночастицы" или "искусственно полученный наноаэрозоль" произвольно использовали для описания частиц и аэрозолей при создании наноструктурированных материалов. Однако общепринятый набор определений этих терминов в настоящее время находится на стадии обсуждения. Для ясности в настоящем стандарте термин "наночастица" используется для описания всех частиц аэрозолей диаметром не более 100 нм, представляющих потенциальную опасность для здоровья при вдыхании. Для обозначения более крупных частиц, относящихся тем не менее по своему размеру к нанодиапазону (таких как агломераты наночастиц и нановолокна) и которые также могут представлять потенциальную опасность для здоровья, используют термин "наноструктурированные частицы", а для аэрозолей, образованных этими частицами и наночастицами, используют термин "наноаэрозоль".
При весьма ограниченных данных по токсичности и ничтожно малых данных по воздействию в настоящее время не ясно, как должным образом следует контролировать и регламентировать воздействие наноаэрозолей. Существует основанное на результатах токсикологических исследований подтверждение того, что определяющим показателем воздействия частиц на организм при их вдыхании является площадь поверхности частиц, а не их линейные размеры [5], [8], [9], [29]. Однако существуют доказательства, что в некоторых случаях может быть важным число частиц в определенных диапазонах размеров [23]. Последние исследования перемещения частиц в организме подтвердили наличие зависимости от размера частиц вероятности перемещения осажденных частиц из дыхательных путей в другие органы [30], [31]. Имеющейся в настоящее время информации недостаточно для определения того, какие показатели частиц (число частиц определенного размера, площадь поверхности частиц и массовая концентрация) и, соответственно, какие методики получения этих показателей следует использовать при оценке воздействия наноаэрозолей на организм. Первым этапом получения необходимой информации является определение технических средств, с помощью которых воздействие может быть оценено на основе различных показателей. В ближайшей перспективе будут предоставлены средства для оценки воздействий там, где существует опасность неадекватности методов, основанных на определении массы частиц, особенно в создаваемых областях нанотехнологий, где воздействие искусственно созданных наночастиц может быть существенным. Это также обеспечит основу для развития более глубокого понимания связи между воздействием аэрозоля и его влиянием на здоровье с использованием ряда показателей воздействия и для разработки стандартов по определению характеристик.
В этом контексте настоящий стандарт устанавливает общепринятые термины и определения, а также руководство по измерению показателей, характеризующих воздействие наноаэрозолей на работников промышленных предприятий, использующих нанотехнологии. В стандарте приведена информация по техническим средствам, позволяющим получить более адекватную оценку воздействий наноаэрозолей, чем при использовании существующих методов и рабочих эталонов, и, таким образом, настоящий стандарт будет способствовать формированию основ для расширения знаний о том, как воздействие наноаэрозолей, связанное с характером работы, должно наиболее адекватно измеряться. Развитие и адаптация соответствующих подходов к измерениям является важным существенным шагом к разработке и внедрению будущих эталонов воздействия для наноаэрозолей.
1 Область применения
Настоящий стандарт разработан в связи с:
- увеличивающимся вниманием к возможным рискам для здоровья, возникающим при воздействии аэрозолей с частицами, размеры которых лежат в нанодиапазоне (собирательно называемых наноаэрозолями, включая получаемые в качестве побочных продуктов в различных производственных процессах так называемые ультратонкодисперсные аэрозоли),
- отсутствием современных методических руководств и стандартов, применимых для снижения рисков для здоровья, и
- необходимостью разработки обоснованных методик отбора проб как части оценки соответствующего воздействия и стандартов по мониторингу.
Основной целью разработки стандарта было предоставление пользователям необходимой исходной информации и руководства по отбору проб, чтобы специалисты и исследователи в области промышленной гигиены могли их использовать в целях эффективного описания и контроля воздействия наноаэрозолей в рабочей зоне до того, как будут разработаны и внедрены конкретные предельно допускаемые уровни воздействия и эталоны. Наноаэрозоли в производственной среде представляют класс дисперсных систем, состоящих преимущественно из частиц размером менее 100 нм в диаметре (в виде отдельных частиц или агломератов).
Настоящий стандарт содержит рекомендации по оценке воздействий наноаэрозолей, связанных с характером работы, и представляет современный уровень технического развития, имеющийся к моменту опубликования международного стандарта с особым акцентом на частицы диаметром в нанодиапазоне. Также приведена основная информация по механизмам образования и перемещения наноаэрозолей в производственных условиях и по производственным процессам, связанным с воздействием наноаэрозолей. Рассмотрены системы показателей воздействия, пригодные для наноаэрозолей, а также характерные методы оценки воздействия со ссылкой на эти системы показателей. Приведена конкретная информация по методам получения характеристик аэрозолей как целого, так и для отдельных частиц.
2 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
2.1 кумуляционный аэрозоль (accumulation aerosol): Аэрозоль, образующийся при росте частиц на стадии образования зародышей за счет коалесценции, коагуляции и/или конденсации.
Примечание - Моды распределений частиц аэрозолей по размерам обычно находятся в диапазоне от 50 нм до 1 мкм, но им не ограничены.
2.2 аэродинамический диаметр (aerodynamic diameter): Диаметр сферической частицы плотностью 1000 кг/м, имеющей скорость осаждения такую же, как и рассматриваемая частица.
Примечание - Аэродинамический диаметр, связанный с инерционными свойствами частиц аэрозоля, обычно используют для описания частиц размером более 100 нм (приблизительно).
2.3 аэрозоль (aerosol): Метастабильная взвесь твердых или жидких частиц в газе.
2.4 агломерат (аэрозолей) (agglomerate ): Группа частиц, удерживаемых вместе относительно слабыми силами, в том числе силами Ван-дер-Ваальса, электростатическими и силами поверхностного натяжения.
Примечание - Термин часто используют вместо термина "агрегат".
2.5 агрегат (аэрозолей) (aggregate ): Группа частиц, в которой различные компоненты удерживаются вместе относительно сильными силами, и вследствие этого нелегко дробятся на части.
Примечание - Термин часто используют вместо термина "агломерат".
2.6 коагуляция (coagulation): Образование более крупных частиц при столкновении мелких частиц и их последующем слиянии.
2.7 коалесценция (coalescence): Образование однородных частиц при соударении более мелких частиц и их последующем слиянии или смешении составляющих их веществ.
2.8 искусственно созданная наночастица (engineered nanoparticle): Наночастица, специально созданная с заданными характеристиками.
2.9 подвижность (аэрозолей) (mobility ): Способность частицы аэрозоля перемещаться под влиянием внешнего воздействия, такого как электростатическое, термическое поле или в результате диффузии.
2.10 диаметр подвижности (mobility diameter): Диаметр сферической частицы, имеющей такую же подвижность, как и рассматриваемая частица.
Примечание - Диаметр подвижности обычно используется для описания частиц размером менее приблизительно 500 нм и не зависит от плотности частицы.
2.11 наноаэрозоль (nanoaerosol): Аэрозоль, дисперсную фазу которого составляют наночастицы.
2.12 наночастица (nanoparticle): Частица номинальным диаметром (геометрическим, аэродинамическим, диаметром подвижности, диаметром проекции или любым другим) менее 100 нм.
2.13 наноструктурированная частица (nanostructured particle): Частица, включающая структурные элементы размером менее 100 нм, которые определяют ее физические, химические и/или биологические свойства.
Примечание - Максимальный размер наноструктурированной частицы может быть значительно больше 100 нм.
Пример - Агломерат наночастиц диаметром 500 нм следует рассматривать как наноструктурированную частицу.
2.14 конденсационный аэрозоль (nucleation aerosol): Аэрозоль, частицы которого образуются преимущественно в газовой фазе, например за счет такого процесса, как образование зародышей в перенасыщенном паре.
Примечание - Распределения частиц по размерам обычно относятся к диапазону от 1 до 50 нм, но им не ограничены.
2.15 частица (particle): Малая дискретная часть вещества определенного агрегатного состояния (твердого или жидкого).
Примечание - См. [32].
2.16 первичная частица (primary particle): Частица, не образованная за счет объединения более мелких частиц.
Примечание - Термин обычно относится к частицам, образовавшимся из зародышей в газовой фазе до того, как произошла коагуляция.
2.17 вторичная частица (secondary particle): Частица, образовавшаяся в результате химических реакций в газовой фазе (превращение газа в частицы).
2.18 площадь поверхности, активная (surface area, active): Площадь поверхности частицы, непосредственно участвующая во взаимодействиях с окружающими молекулами газа.
Примечание - Площадь активной поверхности пропорциональна квадрату диаметра частицы, если размер частиц меньше средней длины свободного пробега молекул газа, и пропорциональна диаметру частицы, если размер частиц намного больше средней длины свободного пробега молекул газа.
2.19 площадь поверхности, удельная (surface area, specific): Площадь поверхности, приходящаяся на единицу массы частицы или вещества.
2.20 ультрадисперсный аэрозоль (ultrafine aerosol): Аэрозоль, состоящий преимущественно из ультрамелких частиц.
Примечание - Термин часто используют для аэрозолей, образованных частицами, полученными в качестве побочных продуктов (случайные частицы) процессов таких, как сварка и горение.
2.21 ультрамелкая частица (ultrafine particle): Частица с номинальным диаметром (геометрическим, аэродинамическим, диаметром подвижности, площади проекции или любым другим) 100 нм или менее.
Примечание - Этот термин часто используют для частиц, образующихся в качестве побочных продуктов процессов (случайные частицы), таких как сварка и горение.
3 Обозначения и сокращения
AFM - атомная силовая микроскопия;
BET - метод определения площади поверхности Брунауэра - Эммета - Теллера [33];
СРС - конденсационный счетчик частиц;
DMA - дифференциальный анализатор подвижности;
EDX - энергодисперсионный рентгеноспектральный анализ;
EELS - спектроскопия энергетических потерь электронов;
ELPI - электрический импактор низкого давления;
ESEM - сканирующий электронный микроскоп для объектов окружающей среды;
FEG-SEM - сканирующий электронный микроскоп с автоэмиссионной пушкой;
GSD - геометрическое стандартное отклонение;
НЕРА - высокоэффективный фильтр очистки воздуха;
ICRP - Международная комиссия по радиологической защите;
MMAD - аэродинамический диаметр, соответствующий центральной медиане распределения частиц по размерам;
Сварочный аэрозоль
Отличительной особенностью условий труда сварщиков является наличие ряда характерных опасных и вредных производственных факторов, наибольшую угрозу из которых сварщиков представляет сварочный аэрозоль (СА).
В силу своих мельчайших размеров (иногда меньше 1 микрометра) сварочный аэрозоль вызывает различные заболевания, при длительном воздействии увеличивает риск возникновения сердечнососудистых и онкологических заболеваний, а также уменьшают продолжительность жизни.
Состав сварочного аэрозоля зависит от состава сварочных и свариваемых материалов. Это указывает на большое разнообразие твердых частиц аэрозоли как по составу, так и по морфологии. Медицинскими исследованиями установлено, что вредность сварочного аэрозоля зависит не только от ПДК вредных веществ в воздухе не месте проведения сварочных работ, но и от их морфологии, дисперсности, состава и структуры.
В данном реферате рассмотрены классификации СА по механизмам образования, по морфологии и дисперсности СА.
Сварочный аэрозоль
Аэрозо́ль — дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (дисперсионной среде), обычно в воздухе, мелких частиц (дисперсной фазы). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдых частиц, если они не выпадают в осадок, говорят о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсной аэрозоли).
Размеры частиц в аэрозолях изменяются от нескольких миллиметров до 10 −7 мм.
Сварочный аэрозоль (СА) -твердые и газообразные токсические вещества, выделяющиеся при сварке, образующие с воздушной средой аэрозоль и поступающие в зону дыхания сварщиков и резчиков. СА содержат различные металлы (железо, марганец, кремний, хром, никель, медь, титан, алюминий, вольфрам и др.), их окислы и др. соединения, а также фтористый водород, тетрафторид кремния, озон, окись углерода, окислы азота и др. Количество и состав образующихся СА зависят от химического состава сварочных материалов, свариваемых металлов, способов и режимов сварки, наплавки, резки и пайки металлов. ПДК в рабочей зоне (в т. ч. для аэрозолей) не должна превышать в сумме 10 мг/м 3 .
В основном СА состоит из железа и его оксидов, а также соединений марганца, хрома, никеля, фтора, кремния, азота и др., отличающихся высокой токсичностью. Для уменьшения вредного влияния СА важно учитывать не только элементный качественный и количественный состав аэрозоля, но и его особенности химической связи, а также тип кристаллической решётки соединений, входящих в состав СА. Однако для анализа сварочных аэрозолей на промышленных предприятиях используют в основном фотометрический метод анализа, который требует затраты большого количества времени на предварительную пробоподготовку. В ходе длительного анализа могут произойти изменения структуры аэрозоля (например, известно, что Сr6+ в аэрозолях, образующихся при сварке нержавеющих сталей, по истечении 30–40 мин после сварки восстанавливается до Сr3+, который имеет меньшую токсичность). Поэтому для изучения структуры аэрозоля необходимо использовать методы, которые позволяют исследовать аэрозоль в процессе сварки или сразу после нее. Изучению структуры сварочных аэрозолей в последнее время уделяют большое внимание, предлагая использовать спектроскопические, дифракционные, резонансные методы изучения сварочного аэрозоля.
Классификация СА по дисперсности
Сварочные аэрозоли по характеру образования относятся к аэрозолям конденсации и представляют собой дисперсную систему состоящую из двух составляющих: твердая составляющая сварочного аэрозоля (ТССА) и газовая составляющая сварочного аэрозоля (ГССА) (рис. 3).
Рисунок 3 Состав сварочных аэрозолей
ТССА – дисперсная фаза СА. Состоит из мельчайших твёрдых частиц перенасыщенных паров металлов и др. веществ, входящих в состав сварочных, присадочных, напыляемых материалов и основного металла, которые конденсируются за пределами зоны высокотемпературного нагрева.
Химически представляет собой сложную смесь металлов, простых и сложных оксидов металлов и шпинелей MnFe2O4, CaFe2O4, K2Cr2O7, Fe3O4и др., фторидов (NaF, KF, K3FeF6,, CaF2 и др.), силикатов (CaSiO3, Fe2[SiO4], Mn2[SiO4] и др.).
Частицы ТССА – полидисперсны, имеют размеры от тысячных долей мкм до 0,4 – 0,6 мкм и более, неоднородное морфологическое строение (многослойны, многоядерны).
Дисперсность частиц ТССА колеблется в пределах от тысячных долей до нескольких микрометров. Основное количество частиц имеет размер менее 1 мкм. Частицы ТССА могут принимать форму агломератов с размером 1…3 мкм, кластеров размером 1…2 мкм, сферическую форму (диаметром 5…10 мкм), а более мелкие частицы (размером от сотых до десятых долей микрон) склонны к образованию цепочек.
Большинство мелких частиц состоит из ядра и оболочки. Ядро обогащено соединениями железа и марганца, а оболочка содержит соединения кремния, калия и натрия (при наличии этих веществ в составе покрытых электродов). Толщина оболочки зависит от температуры, окислительного потенциала атмосферы дуги и увеличивается с повышением содержания указанных выше элементов в электроде. Неоднородность структуры ТССА характерна для аэрозолей конденсации сложного состава.
Интенсивность образования ТССА определяется скоростью плавления электродного материала и зависит от сварочного тока и напряжения на дуге, от состава сварочных материалов, основного металла и защитной среды, а также от пространственного положения шва и техники сварки.
Установлено, что при сварке покрытыми электродами в ТССА переходит 1…3 % массы электрода, а в случае сварки проволокой сплошного сечения в защитных газах – 0,5…2,0 % массы проволоки. Химический состав образующейся ТССА на 80…90 % обусловлен составом сварочных материалов. В составе ТССА, в зависимости от сварочных материалов и свариваемых металлов, возможно наличие оксидов металлов и их комплексных соединений различных классов.
ГССА – дисперсионная среда сварочного аэрозоля. ГССА представляет собой смесь газов, образующихся при термической диссоциации (распад молекул на несколько более простых частиц) газо-шлакообразующих компонентов этих материалов (СО, СО2, HF и др.) или же за счет фотохимического действия ультрафиолетового излучения дугового разряда (плазмы) на молекулы газов воздуха (NO, NO2, O3).
Газы ГССА способны адсорбироваться на поверхности твердых частиц, захватываться внутрь их скоплений. При этом локальные концентрации газов, адсорбированных на частицах ТССА, могут существенно превышать их концентрации непосредственно в ГССА.
Скорость витания частиц ГССА — не более 0,08 м/с, и распределение ее по высоте помещения в большинстве случаев равномерно.
При сварке в защитных газах состав ГССА определяется составом защитной смеси. В состав ГССА могут входить диоксид углерода, монооксид углерода, оксиды азота, озон и инертные газы, присутствующие в защитном газе.
При использовании сварочных материалов, содержащих фтористый кальций или другие фторсодержащие компоненты, в составе ГССА присутствуют фтористый водород и тетрафтористый кремний.
Фтористый водород появляется в газовой среде при температуре выше 2000 °С в результате взаимодействия фтористого кальция с водяным паром:
При наличии в составе шлакообразующей основы сварочных материалов диоксида титана в составе ГССА появляется газообразный тетрафтористый титан TiF4.
Методы анализа состава и структуры сварочного аэрозоля
К наиболее распространённым в промышленности видам сварки относятся ручная дуговая сварка штучными электродами, механизированная сварка и автоматическая сварка в защитных газах, а также под слоем флюса. При данных способах сварки выделяется значительное количество сварочного аэрозоля (СА), состав которого зависит от компонентов сварочных и свариваемых материалов, а также режима сварки.
Спектроскопические методы позволяют определять типы химических связей и молекулярный состав вещества. Для установления взаимосвязи между энергетическим положением линий электронного спектра и типом химической связи атомов используют метод электронной спектроскопии. Поскольку отдельные частицы аэрозоля могут быть неоднородны по составу, их необходимо исследовать послойно.
В НАЦ ТПУ нами были проведены анализы ТССА с помощью атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, что позволило определить качественный и количественный элементный состав. Установлено наличие следующих основных компонентов ТССА, полученных при сварке горношахтного оборудования: алюминий (1789,6 мг/кг), кальций (2914,3 мг/кг), хром (4511,3 мг/кг), железо (782758,6 мг/кг), марганец (14891,6 мг/кг), натрий (4350,2 мг/кг), кремний (4122,7 мг/кг)
Информацию о типах химической связи элементов можно приобрести также методом рентгеновской спектроскопии. Данный метод позволяет установить типы химической связи элементов аэрозоля в целом и таким образом дополнить информацию, получаемую при использовании других методов.
Применение метода ИК-спектроскопии показало, что Сr6+ находится в аэрозолях в виде растворимых соединений К2СrО4 и Na2CrO4. При изучении аэрозолей, образующихся при сварке горношахтного оборудования, в ИК-спектре обнаружены следующие полосы поглощения: 400–700 см-1, характерная для оксидов марганца и железа, и 900–1100 см-1, соответствующая силикатам типа Fe2SiO4 и Mn2SiО4. Расшифровка полученных нами на базе НАЦ ТПУ ИК-спектров недостаточно полна из-за отсутствия спектров необходимых эталонных соединений.
Дополняет метод ИК-спектроскопии метод спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР), в основе которого лежит явление смещения монохроматического рассеянного частицами лазерного излучения по частоте. Хотя использование метода СКР ограничено, вследствие небольшой интенсивности линий комбинационного рассеяния, а также трудностей, возникающих при ее регистрации на общем фоне рэлеевского рассеяния, метод представляется перспективным, что подтверждает положительный опыт использования его для дистанционного контроля атмосферных загрязнений воздуха.
В ходе исследований дисперсного состава ТССА методами ультрацентрифугирования и гравитационного осаждения было установлено, что примерно 85% частиц ТССА представляет собой агрегаты в виде цепочек и кластеров размером 0,1 - 1 мкм, образовавшиеся в результате коагуляции частиц нанометрового размера (0,005 - 0,05 мкм); подавляющая часть массы ТССА составляет частицы сферической формы размером 1 - 8 мкм, количество которых не превышает 8% от общего числа исследованных частиц.
Для элементного состава фракций ТССА была использована методика электронно-зондового рентгеноструктурного микроанализа (ЕРМА). Выявлено, что мелкодисперсная фракция ТССА обогащена легкокипящими элементами и содержит относительно небольшое количество железа высокой степени окисления; крупные же частицы содержат, главным образом, оксиды железа и токсичные легирующие добавки - марганец, хром, ванадий, входящие в состав электродов.
Дифракционные методы позволяют установить размещение атомов в кристаллах и молекулах. Метод рентгеновской дифрактометрии наиболее активно используется для изучения структуры сварочных аэрозолей. В аэрозолях, образующихся при сварке углеродистых низколегированных сталей, с помощью этого метода обнаружены соединения БезС^, MnFe204, NaF, CaF2, КСаБз. Необходимо отметить, что при интерпретации данных метода рентгеновской дифрактометрии необходимо учитывать размер частиц аэрозоля, так как возможности использования метода при исследовании кристаллов малых размеров ограничены вследствие размывания дифракционных пиков. Метод электронной дифрактометрии лишен этого недостатка, и с его помощью можно определить кристаллическую структуру очень мелкодисперсных фаз (менее 50 нм). Электронная дифрактометрия позволила установить, что частицы отличаются друг от друга по составу и структуре. Крупные частицы имеют структуру магнетита и шпинели (Fe, Mn)0-Fe203, а более мелкие состоят из кристаллов сложного силиката вида К-Na-Мn-Si-О. Таким образом, результаты электронной и рентгеновской дифрактометрии дополняют друг друга.
К резонансным методам относятся электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). В сварочных аэрозолях могут образовываться парамагнитные соединения марганца железа, свободные радикалы и др. парамагнетики. Изучение ЭПР-спектров можно проводить непосредственно в момент сварки или сразу после нее при отсасывании аэрозоля в рабочую часть спектрометра. В этом случае вероятность изменения структуры неустойчивых соединений уменьшается.
К методам изучения структуры сварочных аэрозолей можно также отнести масс-спектральный и термохимический. Однако при использовании последних в процессе исследования возможно разрушение образца и изменение его структуры, что крайне нежелательно. На базе НАЦ ТПУ были исследованы образцы сварочного аэрозоля при сварке горношахтного оборудования с помощью ТГА/ДСК/ДТА анализатора, который позволяет одновременно регистрировать изменение массы образца и процессы, сопровождающиеся выделением или поглощением тепла. Установлено, что образцы аэрозоля при повышении температуры от 50 до 1500°С претерпевают изменения, характеризующиеся потерей массы до 800°С и её дальнейшим ростом до первоначальной величины, образец при этом спекается. Механизм происходящих превращений требует подробного изучения.
Таким образом, можно утверждать, что для получения полной информации о структуре и составе сварочного аэрозоля необходимо комплексное использование различных методов анализа: электронной, атом-но-эмиссионной и ИК-спектроскопии - для изучения типов и энергии химической связи элементов, а также молекулярного состава аэрозолей, рентгеновской и электронной дифракции - для изучения типов кристаллических решеток, ЭПР- и КР-спектроскопии- для исследования соединений аэрозоля непосредственно в процессе сварки.
Дисперсный состав сварочного аэрозоля
Нужен полный текст и статус документов ГОСТ, СНИП, СП?
Попробуйте профессиональную справочную систему
«Техэксперт: Базовые нормативные документы» бесплатно
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к постановке исследований по обоснованию предельно допустимых концентраций сварочных аэрозолей
Методические указания разработаны:
Киевским НИИ гигиены труда и профзаболеваний МЗ УССР, исполнители - Л.Н.Горбань, В.А.Прилипко, Е.П.Kpacнюк.
Институтом электросварки им. Е.О.Патона АН УССР, исполнитель - А.П.Головатюк.
НИИ гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР, исполнители - В.И.Киреев, Е.И.Воронцова, Л.Т.Еловская, Н.И.Мосолов.
Московским НИИ гигиены им. Ф.Ф.Эрисмана МЗ РСФСР, исполнители - Р.В.Борисенкова, А.В.Ильницкая.
Ленинградским НИИ гигиены труда и профзаболеваний МЗ РСФСР, исполнитель - Л.С.Дубейковская.
ВНИИ охраны труда ВЦСПС (г.Ленинград), исполнитель - И.С.Алексеева.
ЦНИИ технологии судостроения (г.Ленинград), исполнители - Ю.С.Корюкаев, Ю.А.Евдокимов.
Заместитель Главного государственного санитарного врача СССР А.И.Заиченко 7 февраля 1983 года N 2663-83
ВВЕДЕНИЕ
Дуговые, плазменные, газопламенные способы сварки, наплавки и резки металлов являются наиболее распространенными технологическими процессами, используемыми в народном хозяйстве. Создание высоких локальных температур, позволяющих обеспечить расплавление металлов в месте формирования неразрывного соединения или же полости реза, обуславливает испарение и термическую диссоциацию химических элементов и соединений, участвующих в этих процессах, и переход их в высокодисперсное пыле-газовое состояние. Воздействие на работающих химических веществ в виде сварочных аэрозолей (СА) сложного состава является одним из ведущих профессиональных факторов, сопутствующих указанным способам сварки, наплавки и резки металлов.
Дисперсной фазой или же твердой составляющей сварочного аэрозоля (ТССА) являются мельчайшие частицы сконденсировавшихся за пределами зоны высокотемпературного нагрева паров металлов и других веществ, входящих в состав сварочных, присадочных материалов и основного металла, а дисперсионной средой - газовой составляющей СА (ГССА) - смеси газов, образующихся при термической диссоциации газо-шлакообразующих компонентов этих материалов или же за счет фотохимического действия ультрафиолетового излучения дугового разряда (плазменной струи) на молекулы газов воздуха.
Состав СА зависит от состава сварочных и присадочных материалов (электроды, проволоки, ленты, флюсы и др.), состава основного (свариваемого, наплавляемого либо разрезаемого) металла, режимов сварки, наплавки, резки, состава защитных газов и газовых смесей.
В ТССА, образующихся при наиболее распространенных способах дуговой сварки, наплавки и резки сталей, как правило, содержатся простые и сложные окислы железа, марганца, хрома, никеля, титана, кремния, фториды и другие вещества, в ГССА - окись углерода, окислы азота, озон, фтористый водород.
СА могут иметь близкий химический состав и соотношение компонентов ТССА и ГССА независимо от способа высокотемпературной обработки металлов и их сплавов. В связи с этим, термин "сварочные аэрозоли" распространяется на широкий круг высокодисперсных пыле-газовых смесей, выделение которых имеет место при различных способах сварки, наплавки и резки металлов.
Исследования удельных выделений вредных веществ, образующихся при указанных способах сварки, наплавки и резки металлов, показывает, что для СА характерно относительное постоянство качественного состава ТССА и ГССА в пределах больших групп материалов, подлежащих обработке.
По данным современных физико-химических исследований (рентгеноструктурный, спектральный анализ и др.) ТССА представляют собой комплексные соединения химических веществ, действие которых на организм отличается от их влияния при изолированном воздействии отдельных компонентов. Существенное влияние на характер и степень биологического действия СА могут оказать их газовые составляющие.
Читайте также: