Химия в профессии сварщика

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ленинградской области

«Бегуницкий агротехнологический техникум»

Специальность: «Сварщик ручной дуговой сварки плавящимся покрытым электродом»; «Сварщик частично механизированной сварки плавлением»

д. Бегуницы

2024 г

Оглавление

Введение..........................................................................3

1. Основная часть.............................................................4

1.1 Металлургические процессы при сварке........................................................................................4-5

1.1.1 Влияние кислорода на металл сварного шва.............................................................................................5-7

1.1.2 Влияние серы и фосфора на металл сварного шва.............................................................................................7-8

1.1.3 Влияние водорода, азота и углерода на металл сварного шва............................................................................…………8-9

1.1.4 Легирование металла шва......................................10

1.2 Ацетилен на службе у сварочного производства...........................................................................10-13

1.3 Влияние химических элементов на здоровье сварщика....................................................................................13-17

Заключение.........................................................................18

Приложение .......................................................................19-21

Используемая литература..................................................22

Введение

Каждый человек когда-нибудь встает перед выбором профессии. Заканчивая обучение в 9 классе, перед таким выбором оказались и мы. Люди выбирают разные профессии, а я же остановила свой выбор на профессии «Сварщик».

Современный мир полностью держится на металле. Из металла сделаны станки и машины, корабли и самолеты. Без металла нельзя построить ни одного крупного здания. Металл применяется повсеместно: в быту, в промышленности, в строительстве, в жилищно-коммунальном хозяйстве. Поэтому специалист, соединяющий металлические детали в сложные конструкции при помощи сварки, будет нужен всегда.

И самое интересное то, что эту работу качественно невозможно выполнить без знания химии. Казалось бы, какая может быть связь между химией и сваркой? Оказывается, самая непосредственная. При сварке в расплавленном металле происходят химические реакции, при сварке металлов применяются различные газы и, наконец, знание химии необходимо для того, чтобы сохранить здоровье сварщика на долгие годы.

В своей работе я попыталась показать необходимость изучения химии для овладения профессией «Сварщик».

1. Основная часть

Металл варить - нелёгкая работа:

На высоте, на море, под землёй…

Под силу тем, чья гордая порода

С умом холодным, крепкою бронёй.

Аргона плазма режет, плавит… Жарко!

Рождая искры в огненном жерле,

Накалом сталь соединяет сварка -

Дуги струя в вольфрамовой игле.

Хватило б сил и пламенного сердца

Её напор умело обуздать.

Огонь в руках: держать и не обжечься! -

Тут ловкость мастера, привычка, стать!

Сберечь глаза от ультрафиолета -

Тех самых «зайчиков» и, не спеша:

Ровнее шов, немножечко секрета...

Под маской сварщик - тонкая душа.

1.1 Металлургические процессы при сварке

Под воздействием тепла сварочной дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окруженная относительно холодным металлом иногда большой толщины и покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла.

Образование сварочной ванны.(Приложение 1)

Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет физико-химические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает диссоциацию молекул кислорода и водорода в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва. В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода. Атомарный водород активно насыщает металл шва.

Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла. Химические реакции не успевают полностью завершиться.

Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Под действием тепла происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые также приводят к ослаблению сварного шва.

1.1.1 Влияние кислорода на металл сварного шва

Кислород поступает в зону сварки из воздуха, из электродных покрытий и из расплавленного металла, покрытого даже незначительной ржавчиной. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая.

Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии кислород образует с железом три оксида: FeO, Fe2O3, Fe3O4.

2Fe + O₂= 2FeO

4Fe + 3O₂ = 2Fe2O3

Fe + O = FeO

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

Fe + CO₂ = FeO + CO

Fe + H₂O = FeO + H2

Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид FeO, так как он растворяется в железе. Растворимость оксида FeO в стали зависит от содержания углерода в стали и температуры металла. С увеличением содержания углерода в стали, растворимость оксида снижается. При высокой температуре стали растворимость оксида выше, чем при низкой температуре. При высоких скоростях охлаждения часть оксида остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

При температуре 2300 градусов растворимость составляет 8,5 %, при температуре 1520 градусов она снижается до 0,83 %, что составляет 0,18 % чистого кислорода в стали.

Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом, растворенным в сварочной ванне. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния.

Раскисление - это освобождение металла сварочной ванны от кислорода. 

В процессе сварки происходит осаждающее раскисление при котором удаление кислорода из расплавленного металла капли или сварочной ванны осуществляется реакциями с другими элементами, более активно взаимодействующими с кислородом, чем с железом. Удаление кислорода происходит путем восстановления железа из его оксида.

FeO + Mn = MnO + Fe

FeO + C = CO + Fe

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe

При этом оксиды марганца и кремния переходят в шлак, а угарный газ уходит в атмосферу. Процесс идет беспрерывно: окисление железа идет в передней части сварочной ванны, где температура самая высокая, а восстановление железа из его оксида - в задней части ванны, где температура более низкая.

Наряду с осаждающим раскислением происходит процесс диффузионного раскисления путем реакции между оксидом железа и другими оксидами:

FeO + SiO₂ = FeO*SiO₂

1.1.2 Влияние серы и фосфора на металл сварного шва

Сера - самая вредная примесь. Содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Сера образует в металле сульфид железа, который имеет более низкую температуру плавления, чем сталь и плохо растворяется в ней. При кристаллизации частицы сульфида железа располагаются между кристаллитами металла шва и способствуют образованию горячих трещин.

Фосфор - вредная примесь, ухудшает свариваемость стали, так как образует хрупкий фосфид железа.

P— фосфор

Fe3P — формула фосфида железа.

Рафинирование - удаление из металла шва вредных примесей серы и фосфора.

S + P — фосфор и сера.

Удаление серы и фосфора осуществляется путем связывания серы и фосфора в химические соединения, не растворимые в стали и удаляемые в шлак.

FeS + Mn = MnS + Fe

2Fe₃P + 5FeO = P₂O₅ + 9Fe

FeS + CaO = FeO + CaS

3CaO + P₂O₅= Ca₃P₂O₈

Необходимо контролировать состав применяемых для сварки материалов и не допускать содержания в них серы и фосфора выше нормы.

1.1.3 Влияние водорода, углерода и азота на металл сварного шва

Водород растворяется в расплавленном при сварке металле. Он попадает в металл из воздуха, содержащего пары водорода, из влаги покрытия электрода, из ржавчины, находящейся на поверхности металла изделия и электрода.

При высокой температуре влага превращается в пар и диссоциирует:

2H₂O = 2H₂ + O₂

2H₂O = 2OH + H₂

Водород содержится также в электродном покрытии (крахмал, целлюлоза и т.д.), а также в основном металле. Он растворим в металле даже при комнатной температуре, однако с повышением температуры его растворимость растет.

Во время сварки при наличии значительного количества водорода в покрытии электрода увеличивается разбрызгивание, так как с понижением температуры растворенный в сварочной ванне водород бурно выделяется из металла, вызывая его кипение и разбрызгивание. С началом кристаллизации сварочной ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется из металла, образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в атмосферу.

Большая скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода и часть его остается в шве в виде пор. Водород диффундирует также в микроскопические полости внутри металла. В результате образуются внутренние поры, в которых накапливается водород, создавая большое давление, что приводит к образованию микроскопических трещин. При изломе такого металла в нем обнаруживаются «рыбьи глаза» в виде светлых пятен небольшого диаметра с маленькой порой посередине.

Для удаления водорода иногда прибегают к выдерживанию конструкции при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250-300 градусов ускоряет процесс выделения водорода. Следует избегать попадания влаги в шов, тщательно очищать поверхность металла от ржавчины и влаги, применять электроды с хорошо прокаленным покрытием.

Азот попадает в зону сварки из воздуха. Он растворяется в большинстве конструкционных материалов и снижает пластичность металла, повышает твердость шва, является причиной старения металла, снижает механические свойства металла шва.

N₂ — Азот

Молекулярный кислород, азот и водород переходят в атомарное состояние по формулам: О₂ = 2О, N₂ = 2N, H₂ = 2Н

На степень насыщения металла шва азотом оказывает влияние режим сварки и скорость охлаждения. С увеличением силы тока и длины дуги содержание азота в металле шва увеличивается. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразного азота. Углерод образует с кислородом газообразный оксид, который в стали не растворим и выделяется из него в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения CO не успевает выделиться из металла, образуя в нем газовые поры.

FeO + C = Fe + CO

Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

1.1.4 Легирование металла

Легированием называется процесс введения в сплав элементов, придающих ему требуемые свойства. Путем легирования металл шва пополняют элементами, содержание которых уменьшилось по сравнению с нормой вследствие выгорания их при сварке.

Для придания металлу шва особых свойств его можно легировать дополнительно элементами, не содержащимися в основном металле (никелем (Ni), титаном (Ti), алюминием (Al ), медью (Cu), вольфрамом (W), ванадием (V) и др.).

Легирующие элементы вводят или в состав электродной проволоки, или в покрытие электродов, или во флюс.

Вводимые элементы при сварке выгорают и поэтому не полностью переходят в металл шва. Большему выгоранию подвергаются элементы, вводимые в покрытие и флюс, и меньшему - в сварочную проволоку.

Чем лучше раскислен наплавленный металл, тем большее количество легирующих элементов им усваивается. Степень усвоения вводимых элементов также зависит от тонкости помола частей покрытия; рода, полярности и величины тока; длины дуги и др.

С понижением сродства элемента к кислороду степень его усвоения металлом при легировании уменьшается.

Сварной шов необходимо защищать от воздействия вредных веществ с помощью правильного подбора сварочных материалов.

Металлические швы ( Приложение 2 )

1.2 Ацетилен на службе у сварочного производства

Одним из самых распространенных способов сварки плавлением является газовая сварка, которая производится с образованием газового пламени в каналах сварочной горелки.

Образование газосварочного пламени невозможно без горючих газов, таких как ацетилен (основной газ для газовой сварки) и газов-заменителей ацетилена (пропана, бутана, пропан-бутановой смеси, керосина, бензина и других). Все их рассматривать нет смысла, поэтому остановимся на основном газе для газовой сварки - ацетилене. Этот газ является основным .

Формула ацетилена, который используется для образования газосварочного пламени — C2H2.

C3H8 — химическая формула пропана.

Химическая формула бутана — C4H10.

Это бесцветный газ с резким специфичным чесночным запахом. Длительное вдыхание его вызывает тошноту, головокружение и отравление. Легче воздуха.

При использовании ацетилена необходимо учитывать его взрывоопасные свойства. Температура самовоспламенения ацетилена колеблется в пределах 240-630 градусов и зависит от давления и присутствия в нем различных примесей. Повышение давления существенно снижает температуру самовоспламенения ацетилена. Присутствие в ацетилене других веществ понижает температуру самовоспламенения.

При взрыве ацетилена происходит резкое повышение давления и температуры, что может вызвать большие разрушения и тяжелые несчастные случаи. Наиболее взрывоопасны смеси ацетилена с кислородом, содержащие 7-13 % ацетилена. Взрыв ацетилено-кислородной и ацетилено-воздушной смеси может произойти от сильного нагрева и искры. Присутствие оксида меди CuO снижает температуру самовоспламенения ацетилена. При определенных условиях ацетилен реагирует с медью, образуя взрывоопасные соединения, поэтому категорически запрещается при изготовлении ацетиленового оборудования применять сплавы, содержащие более 70 % меди. Взрываемость ацетилена понижается при растворении его в жидкостях. Особенно хорошо он растворяется в ацетоне. В 1 объеме ацетона при 20 градусах и нормальном атмосферном давлении можно растворить до 20 объемов ацетилена. Растворимость ацетилена в ацетоне увеличивается с увеличением давления и понижением температуры.

Технический ацетилен получают двумя способами: из карбида кальция и из природного газа, нефти, угля.

Реакция синтеза ацетилена из карбида кальция — СаС ₂ + 2Н ₂ O = С ₂ Н ₂ + Са (ОН) ₂

Карбид кальция - это химическое соединение кальция с углеродом. Это твердое вещество темно-серого или коричневого цветов. Имеет резкий чесночный запах и жадно впитывает воду.

CaC2 — формула карбида кальция.

Карбид кальция (Приложение 3)

Его получают в электродуговых печах при температуре 1900-2300 градусов сплавлением кокса с негашеной известью.

CaO + 3C = CaC₂ + CO

сварка азот химический водород

Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает. Затвердевший карбид дробят и сортируют на куски: 2*8; 8*15; 15*25; 25*80 мм.

Технический карбид содержит 75 % химически чистого карбида кальция, остальное - примеси.

Карбид активно взаимодействует с водой и интенсивно поглощает влагу из воздуха, выделяя при этом ацетилен.

Так как карбид поглощает атмосферную влагу, его упаковывают в специальные барабаны из кровельного железа вместимостью 100 и 130 кг. На складах и рабочих местах его хранят в специальных бидонах, снабженных герметичными крышками.

Вскрывать барабаны с карбидом необходимо специальным латунным ножом или латунным зубилом и молотком с соблюдением мер безопасности, исключающих возможность образования искр. При раскупоривании барабана за счет влаги воздуха может образоваться взрывоопасная смесь, что при наличии искры может привести к взрыву.

Карбид, взаимодействуя с водой, быстро разлагается с образованием газообразного ацетилена и гашеной извести:

CaO₂ + H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂ + 127,3 Дж/моль

Реакция протекает бурно с выделением большого количества теплоты. На один килограмм карбида необходимо от 5 до 20 кг воды. Скорость разложения карбида зависит от температуры и чистоты воды, грануляции и чистоты карбида кальция. Чем меньше куски, тем выше скорость разложения. Например, карбид размером 8*15 мм разлагается за 6,5 мин, а размером 25*80 мм за 13 минут.

Карбидная пыль (частицы меньше 2 мм) при взаимодействии с водой разлагаются почти мгновенно, поэтому ее нельзя применять в обычных ацетиленовых генераторах, рассчитанных для работы на кусковом карбиде, так как это может привести к взрыву.

Из карбида кальция в зависимости от его чистоты и грануляции можно получить от 235 до 285 дм3 ацетилена.

Для получения ацетилена путем разложения его водой используют ацетиленовые генераторы.

1.3 Влияние химических элементов на здоровье сварщика

В процессе изучения профессионального модуля мы познакомились с понятием «профессиональные заболевания» - это группа заболеваний, возникающих исключительно или преимущественно в результате воздействия на организм неблагоприятных условий труда профессиональных вредностей.

Выделяют следующие профессиональные заболевания, вызываемые воздействием:

• промышленной пыли;

• химических производственных факторов;

• физических производственных факторов;

• биологических производственных факторов.

Есть ряд заболеваний, которые характерны именно для профессии сварщиков, они возникают из-за постоянного присутствия сварочного аэрозоля, излучения, большого искрения, брызг металла, шлака, определенного положения тела сварщика во время работы. Наиболее частыми профессиональными заболеваниями сварщиков являются:

• пылевой бронхит;

• пневмокониоз;

• бронхиальная астма;

• профессиональная экзема;

• нейротоксикоз (интоксикация марганцем).

Прежде всего у сварщиков могут пострадать легкие, это связано как с химическими, так и с физическими воздействиями на рабочего во время сварочного процесса. Возникает и развивается патология дыхательных путей и легких.

Для того чтобы понять природу этой патологии, достаточно понять суть побочных процессов во время сварки. Например, одним из таких является образование высокодисперсного аэрозоля, в составе которого находятся токсичные газы, диоксид кремния, пыль различных металлов, в том числе и железа. Концентрация аэрозоля вокруг самого сварщика бывает довольно высокой, практически ему приходится дышать не просто воздухом, а смесью разных газов, наполненных мельчайшими частичками химических соединений.

Состав аэрозоля меняется в зависимости от вида и режима сварки, а также от специфических условий той отрасли промышленности, где применяется этот вид работ. Так что в некоторых случаях в этом аэрозоле можно выделить и оксиды хрома и марганца, азота и углерода, нередки соединения меди, никеля, ванадия, цинка, могут содержаться фторид водорода, озон, а также большое количество менее характерных соединений и элементов. Все они в равной степени вредоносные, особенно если попадают в организм через дыхательные пути.

Таким образом, неудивительно, что у сварщиков со временем развивается пневмокониоз. Разный состав сварочного аэрозоля может провоцировать разные виды пневмокониоза. Так, диоксид кремния совместно с оксидами железа вызывает развитие сидеросиликоза. Чем больше содержание диоксида кремния в аэрозоле, тем быстрее развиваются различные типы силикоза.

При некоторых видах сварки используются электроды с фтористо-кальциевым покрытием. В этих случаях при сварке идет интенсивное образование токсичных фторидов водорода, которые очень негативно воздействуют на дыхательные пути. Нередки респираторные заболевания, настигающие сварщика именно из-за большого количества в воздухе, которым приходится дышать сварщику, токсичных фторидов водорода. Если же в составе аэрозоля преобладает наличие марганца и его соединений, что чаще всего случается при использовании сварщиками в работе марганецсодержащих электродов, то форма пневмокониоза представляет собой ярко выраженный манганокониоз.

Если от воздействия аэрозоля происходит конденсация цинка, никеля, меди и некоторых других металлов, возможно развитие так называемой литейной лихорадки. Фтористые и водородные соединения могут вызывать острые и затяжные поражения верхних дыхательных путей, которые развиваются вплоть до отека легких.

Пневмокониоз является далеко не единственным профессиональным заболеванием у газорезчиков и сварщиков - не менее часто возникают различные типы бронхитов, бронхиальная астма. Особенно этому содействуют высокие концентрации никеля, хрома.

Еще один тип профессиональных заболеваний сварщиков связан с хронической интоксикацией марганцем. Профессиональный нейротоксикоз, вызванный марганцем, - одна из тяжелых форм. В определенных количествах марганец - металл - имеется в организме и способствует определенным жизненным процессам, например, оказывает положительное влияние на выработку антител. Отсутствие необходимой доли марганца вызывает заболевания, так же как и его переизбыток. При сварке очень часто используются электроды, в которые входит марганец. Во время сварочного процесса марганец выделяется и наполняет собой сварочный аэрозоль. Проникая в организм через легкие, марганец оседает в паренхиматозных органах, костях, головном мозге, а затем выделяется при различных секрециях организма. Однако повышение концентрации марганца чревато серьезными изменениями в организме. Он нарушает многие типы обменов в организме, угнетает выделение адреналина, действует на подкорковые узлы, на гипоталамус, нарушает баланс веществ, затрудняет выработку ферментов, что влечет за собой ослабление мышечного тонуса, развитие вегетативных расстройств, нарушение координации движений.

Печень, железы внутренней секреции, кровенаполнение мозга - все это страдает от переизбытка марганца, а также может развиться бронхиальная астма, открыться уязвимость для разного вида аллергии, начаться экзема.

Современная вентиляционная система в сварочном цехе.(Приложение 4)

При современном уровне развития производства сделать это достаточно просто. Необходимо соблюдать требования техники безопасности, а именно: выполнять сварку только при наличии качественной вентиляции, пользоваться средствами индивидуальной защиты, соблюдать режим труда и отдыха.

Маска сварщика с автоматическим светофильтром, блоком фильтрации и принудительной подачи воздуха.(Приложение 5)

Заключение

В своей работе я постаралась показать значение химии в профессии «Сварщик» К сожалению, трудно осветить все моменты, связанные с присутствием химии в нашей будущей профессии.

Тем не менее, из изложенного выше материала ясно, что сварщик не может состояться как специалист без знания химии.

Химия помогает будущему специалисту понять, какие процессы происходят в сварочной дуге, при расплавлении и кристаллизации металла сварочной ванны, при сварке в защитных газах и многие другие процессы.

Приложение

1.Образование сварочной ванны.

2.Металлические швы .

3.Карбид кальция

4.Современная вентиляционная система в сварочном цехе.

5.Маска сварщика с автоматическим светофильтром, блоком фильтрации и принудительной подачи воздуха

Использованная литература:

1.​ Занковец, П.В. Анализ состояния качества и конкурентоспособности сварочной продукции. Стратегические и тактические методы и средства обеспечения качества сварных изделий / П.В. Занковец // Сварка и родственные технологии. Проблемы и пути обеспечения качества: сб. докладов IV Межд. симпозиума. – Минск, 30.03.2005. – С. 8 – 13.

2.​ Занковец, П.В., Здор, Г.Н., Шелег, В.К. Количественные показатели дефектности и оценка качества сварных соединений / П.В. Занковец и др. // Весцi НАН Беларусi. Сер. фiз.- тэхн. навук. – 2004. – № 2. – С. 118 – 122.

3.​ Занковец, П.В., Шелег, В.К., Денисов, Л.С., Бербасова, Н.Ю., Павлюк С.К. Совершенствование технологических процессов и оптимизация качества сборочно-сварочных работ / П.В. Занковец и др. – Мн., 2004. – 343с.

4.​ Занковец, П.В. Оптимизация качества и конкурентоспособности сварочной продукции на основе математического моделирования причинно-следственных связей образования дефектов сварных соединений / П.В. Занковец // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: сб. трудов 4-й Межд. конф. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2009г. – С. 17 – 22.

5.​ Занковец, П.В. Использование математического моделирования для исследования влияния сварочных материалов на качество сварных соединений трубопроводов / П.В. Занковец // Трубопроводный транспорт (теория и практика). – Москва. – 2010. – № 4. – С. 24 – 27.

6. Вознесенская, И.М. Основы теории ручной дуговой сварки /Учебное пособие/. – Москва. - Академкнига/Учебник, – 2005.- 160с.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/590043-himija-v-professii-svarschika