Защита от выплесков металла в сталелитейной промышленности. Характеристики традиционных и современных материалов спецодежды
21.10.2020 7:17:00
Для литейных производств характерны те же самые термические опасные факторы, что и при производстве чугуна и стали. Среди них растопка печей, паровой взрыв, работа с расплавленным металлом, окалиной и шлаком. Термические ожоги от расплавленного металла или шлака могут случиться на многих этапах металлургического производства – перед печью во время выпуска плавки; от спелей, всплесков или выбросов расплавов из ковшей или конвертеров во время его обработки, разливки или транспортировки; а также от контакта с горячим металлом при получении из него конечного продукта.
Защита от выплесков металла в сталелитейной промышленности.
Характеристики традиционных и современных материалов спецодежды
Для литейных производств характерны те же самые термические опасные факторы, что и при производстве чугуна и стали. Среди них растопка печей, паровой взрыв, работа с расплавленным металлом, окалиной и шлаком. Термические ожоги от расплавленного металла или шлака могут случиться на многих этапах металлургического производства ─ перед печью во время выпуска плавки; от спелей, всплесков или выбросов расплавов из ковшей или конвертеров во время его обработки, разливки или транспортировки; а также от контакта с горячим металлом при получении из него конечного продукта.
Из-за опасности, связанной с наличием горячего металла работники литейно-металлургических производств должны обеспечиваться средствами индивидуальной защиты от выплесков расплавленного металла, включающими в числе прочего защитную спецодежду, состоящую из куртки и брюк или комбинезона.
Что подразумевается под защитными свойствами одежды от расплавленного металла, какие существуют нормативные документы и уровни защиты, насколько эксплуатационные требования соответствуют реальным рискам? На эти и другие вопросы автор попытается ответить в настоящей статье на примере материалов традиционной и современной защитной спецодежды, используемой на литейно-металлургических производствах в России и за рубежом.
НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Почти четверть века костюмы литейщиков и плавильщиков изготавливаются из шинельного шерстяного сукна, предлагаемого советским стандартом ГОСТ 12.4.045-87 «Костюмы мужские для защиты от повышенных температур». По этому стандарту используемые ткани должны защищать от искр и брызг расплавленного металла, однако конкретных эксплуатационных требований (сколько и какого металла можно вылить на ткань) и методов испытаний в нем нет. В результате, защита работников долгое время зависела от добросовестности поставщиков тканей и производителей защитной одежды, ведь способа подтвердить реальные защитные свойства тканей от расплавленных металлов попросту не было. К сожалению такая ситуация часто приводила к тому, что от многих защитных костюмов на деле оставались одни только названия из старого доброго советского стандарта.
В 2014 году на помощь охране труда приходит Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 019/2011, в который наряду с обширными эксплуатационными требованиями к материалам защитной спецодежды от искр, брызг и выплесков расплавленного металла включено минимальное требование по стойкости тканей к выплеску расплавленного металла массой 60 г.
В том же году взамен устаревшего ГОСТ 12.4.045-87 вводится в действие новый национальный стандарт ГОСТ Р 12.4.297-2013 «Одежда специальная для защиты от повышенных температур теплового излучения, конвективной теплоты, выплесков расплавленного металла, контакта с нагретыми поверхностями, кратковременного воздействия пламени. Технические требования и методы испытаний», который, в частности, содержит минимальные требования по стойкости тканей к выплескам расплавленного железа (60 г).
На практике для подтверждения стойкости ткани к выплескам расплавленных металлов используется стандарт испытаний ГОСТ Р ИСО 9185-2007, идентичный международному стандарту iso 9185:1990. Это методика существует за рубежом уже более 20 лет, со времен британского национального стандарта испытаний BS 6357:1983.
Под «выдерживанием выплеска расплавленного металла» подразумевается минимальное количество расплавленного металла, которое можно вылить на испытуемую ткань, не повредив кожу, в качестве которой используется пленка-индикатор из ПВХ. В соответствии с ISO 9185:1990 (ГОСТ Р ИСО 9185-2007), расплавленное железо с температурой 1400°С ± 20°С, выливается на испытуемый образец ткани, закрепленный на раме под углом 75° к горизонтальной поверхности (рис.1). Три уровня защиты от расплавленного металла устанавливаются в новом стандарте ГОСТ ISO 11612-2014 (ISO 11612:2008 (табл.1)).
Рис. 1. Испытательная установка ISO 9185.
Источник: www.stfi.de
Таблица 1. Уровни защиты от расплавленного железа
по ГОСТ ISO 11612-2014
Эксплуатационный
уровень |
Расплавленное железо (г) |
|
Минимум |
Максимум |
|
Е1 |
60 |
< 120 |
|
Е2 |
120 |
< 200 |
|
ЕЗ |
200 |
|
Минимальный эксплуатационный уровень Е1 (60 г) может быть условно достаточным с точки зрения упомянутых выше нормативных документов, однако в большинстве случаев защитная одежда работников литейно-металлургических производств изготавливается из тканей или пакетов с уровнем защиты от расплавленного железа не ниже ЕЗ (200 г).
Далее попробуем разобраться, какие ткани традиционной и современной защитной одежды соответствуют этому эксплуатационному уровню и насколько он адекватен реальным выплескам металла.
ШЕРСТЯНОЕ СУКНО
Защитные костюмы из плотного шерстяного сукна применяются в мире уже более 50-ти лет. Чтобы предотвращать проникновение капель расплавленного металла в свою структуру, шерстяная ткань должна быть тяжелой и достаточно непроницаемой. В соответствии со спецификацией Британской Корпорации Стали плотность шерстяного сукна защитной спецодежды должна быть не менее 550 г/кв.м, а воздухопроницаемость не более 1,8 л/мин (британский стандарт) [2]. Фактически этим критериям удовлетворяет традиционное английское шерстяное сукно мельтон, плотностью 650-700 г/кв.м. Уровень защиты такой ткани от расплавленного железа составляет максимальные по стандарту 200 г (ЕЗ). Примечательно, что в новом национальном стандарте ГОСТ Р 12.4.297-2013 установлены требования к минимальной, а не к максимальной воздухопроницаемости шерстяной ткани, а сам показатель рассматривается только с точки зрения комфорта, а не защитных свойств. В защитных костюмах отечественных металлургов используется похожее шинельное сукно арт. 6425 по ГОСТ 27542, плотностью 760 г/кв.м с содержанием шерсти не менее 80%.
При небольших рисках может быть эффективной защитная одежда из облегченной шерстяной ткани с огнезащитной отделкой Zirpro® плотностью 450-500 г/кв.м, которая также хорошо отталкивает расплавленное железо и тоже соответствует уровню защиты ЕЗ.
В Великобритании куртка из шерстяного сукна плотностью 660 г/кв.м, сделанная по стандарту Британской Корпорации Стали (рис. 1), обойдется примерно в 90 фунтов (около 120 EUR) [7] и еще 85 фунтов (около 115 EUR) придется выложить за брюки к ней, и это без учета НДС. Итого, традиционный защитный костюм из шерсти заставит работодателя раскошелиться минимум на 235 EUR. Качественная и дорогая одежда формируют несколько другие подходы к ее эксплуатации, заметно отличающиеся от отношения, как к расходным материалам, выдаваемым каждый месяц.
АЛЮМИНИЗИРОВАННЫЕ ТКАНИ
Работники металлургических и разливочных цехов литейного производства обеспечиваются алюминизированной одеждой, в частности, защитными фартуками, крагами и сапогами [1]. Более дорогая алюминизированная одежда хорошо отталкивает расплавленные металлы. Алюминизированное покрытие действует как смазка для тяжелых горячих капель расплавленного железа, благодаря которым они быстро скатываются с поверхности. Кроме того такая одежда предлагает гораздо более высокий уровень защиты от теплового излучения.
Для сравнения, чтобы получить условный ожог 2-й степени от источника теплового излучения температурой 1070°С при плотности теплового потока 20 кВт/кв. м (ISO 6942) пользователю в традиционной шерстяной одежде понадобится примерно полминуты, в одежде из пропитанного хлопка (340 г/кв. м) ─ вдвое меньше, а в одежде из алюминизированной шерсти (780 г/кв.м) теоретически можно продержаться более двух с половиной минут. Костюмы типа В по ГОСТ 12.4.045-87 предназначались для работы при тепловом излучении от 2 до 5 кВт/кв. м.
В ЕС очень популярны плащи и костюмы из алюминизированных пара-арамидных тканей, плотностью 500 г/кв. м, алюминизированной шерсти плотностью 400 г/кв. м или алюминизированной смесовой ткани из пара-арамида и углеродных волокон, плотностью 540-680 г/кв. м. Часто алюминизированная одежда имеет подкладку из хлопка с огнеотталкивающей отделкой (рис. З). В США в качестве основы для аналогичной алюминизированной одежды используется два слоя ткани из полинозных волокон. Алюминизированная одежда из арамидов обойдется примерно вдвое дороже шерстяной.
Рис. 2. Куртка металлурга (Великобритания)
100% шерсть мельтон660 г/кв.м
Рис. З. Куртка металлурга (Франция)
100 % пара-арамид с подкладкой, 500 г/кв.м
Жесткость, непроницаемость и тяжелый вес материалов ограничивают постоянное использование шерстяной и алюминизированной одежды. С развитием технологий литья улучшается рабочая среда, снижается вероятность выбросов расплавленного металла и уменьшается тепловое излучение. Позитивное развитие снизило риск, и рабочие больше не мотивированы постоянно носить тяжелую шерстяную или алюминизированную защитную одежду. Там где это возможно, на смену приходят более комфортные многослойные системы защитной одежды, пригодные для ношения в течение всей рабочей смены.
МНОГОСЛОЙНЫЕ ПАКЕТЫ
Поиск комбинаций материалов для более комфортных систем защитной одежды от расплавленного металла начался еще в конце 80-х. Ткани из 100% хлопка, модифицированного фосфорорганическими замедлителями горения, плотностью до 400 г/кв.м, уже гораздо более комфортные, по сравнению с толстым шинельным сукном, но обеспечивают только минимальный эксплуатационный уровень Е1 (60 г). Для адекватной защиты от выплесков металла предлагалось использовать несколько слоев более легких тканей. Двухслойный пакет из хлопковых тканей с огнезащитной отделкой (верхняя ─ сатин 350 г/кв.м, нижняя ─ фланель 235 г/кв. м) может достигать уровня защиты ЕЗ (200 г) [3], а при увеличении плотности верхней ткани до 420 г/кв. м, можно достичь аналогичного уровня в комбинации с обычной не огнестойкой фланелью плотностью 230 г/кв. м (таблица 2). Как видно из таблицы, защитные свойства пакета значительно улучшаются, если он состоит только из огнезащитных материалов [3].
Таблица 2. Уровни защиты некоторых тканей и пакетов.
Нижняя ткань
Верхняя ткань
|
Без нижней ткани |
35%ХЛ/65%ПЭ трикотаж 135 г/кв.м |
100% ХЛ фланель 230 г/кв.м |
100% ХЛ фланель с пропиткой 235 г/кв.м
|
74%ХЛ/25%ПЭ Пробан,
твил 310 г/кв.м |
Е1 |
|
|
Е2 |
100% ХЛ, Пробан,
сатин 320 г/кв.м
|
Е1 |
|
|
Е2 |
100% ХЛ, Пироватекс,
сатин 350 г/кв.м
|
Е1 |
Е2 |
Е2 |
ЕЗ |
100% ХЛ, Пироватекс,
молескин 420 г/кв.м |
Е2 |
Е2 |
ЕЗ |
ЕЗ |
СОВРЕМЕННЫЕ МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТКАНИ
В отличие от рассмотренных выше пакетов материалов из пропитанного хлопка, современные ткани из негорючих волокон более легкие, но при этом способны обеспечить постоянный уровень защиты ЕЗ (200 г), без дополнительных нижних слоев. Такие ткани разрабатываются специально для профессиональной защитной спецодежды, с применением высокоэффективных невоспламеняемых волокон и часто имеют запатентованную конструкцию. Защитная одежда из таких материалов почти не отличается от обычной одежды по комфорту, но обладает высокими мульти-защитными свойствами и ее можно многократно стирать с использованием обычных и промышленных стиральных машин, не опасаясь за потерю защитных свойств или изменение размерных характеристик.
Одна из таких высокоэффективных тканей «KERMEL Weldstar Professional®» применяется в защитной одежде немецких металлургов. При максимальном уровне защиты ЕЗ она вдвое легче традиционного шерстяного сукна (380 г/кв.м против 760 г/кв.м) и на 25% легче большинства тканей из модифицированного фосфорорганическими соединениями хлопка. Капли расплавленного металла быстро скатываются с поверхности, благодаря составу и особой запатентованной конструкции пряжи и ткани. В местах контакта с каплями расплавленного металла не образуется сквозных дыр, благодаря «врожденным» негорючим свойствам волокон. Полностью негорючий состав с высоким кислородным индексом (КИ = 30-32%) предотвращает воспламенение одежды даже при сравнительно больших выплесках.
Ткань предлагает постоянную защиту от выбросов открытого пламени, что также актуально для металлургов, находящихся на втором (после работников нефтегазового комплекса) месте по несчастным случаям, связанным с пожарами и взрывами. Испытания костюма (куртка + брюки) на инструментальном манекене в открытом пламени показали нулевой процент термических ожогов при экспозиции в пламени в течение 3 секунд.
Стойкость к термическому воздействию электрической дуги, механическим воздействиям, жидким химикатам и антистатические свойства присущи ткани на уровне волокон. Плотное плетение ткани и теплостойкая флюорокарбоновая отделка защищают от пыли и других общепромышленных загрязнений, включая масла, нефтепродукты, холодные кислоты. Маслонефтестойкость обеспечивает негорючая флюорокарбоновая отделка. Стойкость одежды к загрязнению маслами очень актуальна при выполнении работ с кислородом (например при подаче кислорода в печь).
Важной тенденцией в разработке современной защитной одежды от повышенных температур является повышение требований к обеспечению тепло-физиологического комфорта пользователя. Тело человека использует два механизма терморегуляции. При повышении окружающей температуры сердце начинает сокращаться с большей частотой, чтобы ускорить ток крови, выполняющей роль теплоносителя, отводящего тепло от жизненно важных органов. В горячих цехах, и особенно при использовании средств защиты органов дыхания эффективность такого способа терморегуляции низкая. Единственное, что остается телу ─ это охлаждать себя испарением. Современные ткани имеют в своем составе специальные волокна, повышающие эффективность потоотделения. Вместе с избыточной влагой эти волокна отводят избыточное тепло, помогая пользователю избежать теплового перенапряжения. Это снижает нагрузку на сердечно-сосудистую систему.
Куртка из современной мульти-функциональной ткани KERMEL Weldstar Professional® обойдется в Германии около 180 EUR и брюки еще 150 EUR [8].
Рис. 4 Куртка KERMEL Weldstar Professional™
380 г/кв.м
ЭКСПЛУТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ И РЕАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ
Рассмотренные выше эксплуатационные уровни позволяют оценить защитные свойства тканей от расплавленного железа только в интервале от 60 г до 200 г. В реальных инцидентах выбросы металла могут быть гораздо больше, а некоторые ткани могут утратить свою защиту и даже воспламениться. При испытаниях с большим количеством расплавленного металла (330 ± 20 г) хлопковая нижняя ткань без огнезащитной отделки уже не увеличивает защиту пакета, как отмечено выше, а полностью выгорает под любым верхним слоем [4].
Испытания тканей и пакетов одним килограммом расплавленной стали при 1580°С показали, что шерстяная ткань с огнезащитной обработкой Zirpro®, плотностью 415 г/кв.м допускает подъем температуры под ней на 14,9°С, что может привести к термическим ожогам. Но уже при использовании дополнительного нижнего слоя из шерстяного трикотажа с огнезащитной обработкой Zirpro® (300 г/кв.м) мощность теплового потока через пакет снижается почти в 4 раза, а его защита эквивалентна популярной в США комбинации из двуслойной алюминизированной полинозной ткани (550 г/кв.м) и пропитанного хлопка (335 г/кв.м) [5].
Интенсивное тепловое излучение от расплавленной стали в интервале температур 1500-1600°С не везде позволяет заменить алюминизированную защитную одежду более комфортными материалами. Например, это касается операций, связанных с разливкой стали, где требуется длительный (3-7 минут) контакт с высоким тепловым излучением и более комфортные костюмы могут привести к болевым ощущениям у пользователя.
Часто причинами смертельных травм на литейно-металлургических производствах становятся термические ожоги расплавленным металлом вследствие отказов крана, переливах из транспортного ковша, трещинах в изложнице. В случае серьезных аварий, когда пользователь попадает под струю расплавленного металла – от одежды не стоит ждать адекватной защиты. Такие инциденты очень часто приводят к летальным ожогам. С другой стороны, одежда может эффективно защищать пользователя от термических ожогов при выплесках расплавов вследствие паровых взрывов (взрывы при контакте металла и шлака с водой).
ФАКТОРЫ И ПРОТИВОРЕЧИЯ ЗАЩИТЫ
В исследовании [6] было изучено влияние типа волокон и конструкции ткани на защитные свойства одежды от расплавленного железа и алюминия и предложены основные рекомендации для оптимальной защиты:
─ волокна не должны плавиться и должны иметь низкую теплопроводность;
─ с увеличением веса и плотности ткани защита увеличивается;
─ идеально поверхность ткани должна быть скользкой (гладкой).
На защиту от расплавленного металла больше всего влияют устойчивость волокон к налипанию этого металла, теплоизоляционные свойства ткани и ее воздухопроницаемость. Расплавленный металл нагрет до высокой температуры и излучает мощный тепловой поток. При налипании металла к ткани время его теплового воздействия на одежду увеличивается и появляется риск получения пользователем термических ожогов. Если капли расплавленного металла быстро скатываются с поверхности, то тепловое воздействие на одежду минимально и кожа пользователя не успевает нагреться до опасных температур.
Обеспечение минимального по времени контакта расплавленного металла с одеждой лежит в основе принципа защиты.
Хуже всего расплавленный металл налипает к натуральным волокнам (хлопок, шерсть), но высокие температуры расплава железа или стали (1400-1500°С) могут воспламенить одежду из таких материалов, как уже отмечалось выше. Повышенное содержание кислорода в окружающем воздухе может еще больше снизить их горючесть.
Лучше всего повышенным температурам противостоят негорючие синтетические волокна, но к ним прилипают капли расплавленного металла, сводя эффект защиты к минимуму. Еще в 1981 году Benisek [6] пришел к выводу, что негорючие свойства материала могут ввести в заблуждение относительно его защитных свойств от расплавленного металла. Асбест, арамиды и стекловолокно в чистом виде показывают наихудшие результаты по защите от выплесков из-за налипания металла к таким волокнам [3]. Современные костюмы состоят из смеси различных волокон, объединяя их полезные свойства и нивелируя недостатки. Такая синергия возможна лишь с использованием новейших достижений в текстильной промышленности, а не просто с нанесением толстых слоев различных покрытий на старые добрые ткани, предназначенные совсем для других целей.
Расплавленное железо (1400°С) практически не налипает к шерсти (обычной и с пропиткой). Несколько хуже отталкивающие свойства у хлопка с огнезащитной отделкой и натуральной кожи [2]. Пропитанный хлопок плохо защищает от шлака. В работе [2] был отмечен несчастный случай, приведший к 25% термическому ожогу 2-й степени в результате выброса жидкого шлака, налипшего к поверхности куртки, плотностью около 400 г/кв.м.
Отталкивающие металл свойства также улучшаются при использовании флуорокарбоновых МВО отделок ткани.
ОГНЕСТОЙКОСТЬ
В ГОСТ 12.4.045-87 не было четких эксплуатационных требований к негорючим свойствам материалов защитной одежды, зато теперь эти требования едва ли не самые жесткие из ныне существующих. Согласно ТР ТС 019/2011 материалы одежды специальной от брызг и выплесков расплавленного металла после не менее чем 5 циклов стирок (химчисток)-сушек с последующим выдерживанием их в пламени в течение 30 с не должны гореть,, тлеть и расплавляться при выносе их из пламени, остаточное горение и тление не допускается. Простейший способ проверить негорючие свойства ─ это опустить кромку ткани в пламя свечи или зажигалки на 30 секунд, а потом, убрав образец из пламени, фиксировать остаточное горение и тление, которого быть не должно. Традиционная качественная шерсть имеет высокие температуры загорания, низкую температуру пламени и малое тепловыделение, она не плавится и обладает самозатухающими свойствами при выносе из пламени. Однако этого может оказаться недостаточно для новых эксплуатационных требований.
Кислородный индекс КИ = 25 указывает на то, что шерсть не предрасположена к поддержанию устойчивого горения на воздухе, но огнезащитными такие свойства назвать нельзя, тем более в обогащенных кислородом средах (в противном случае огнезащитную одежду делали бы из шерсти и не изобретали новых волокон и тканей). Негорючесть, как и другие требования регламента, распространяются на все, без исключения материалы, из которых сделана защитная спецодежда.
Костюм с разными защитными свойствами спереди и сзади может не соответствовать ТР ТС 019/2011.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Безопасность и охрана труда в черной металлургии и сталелитейной промышленности: Международное бюро труда. Женева, 2005.
2. Proctor, T.D., Setting standards for the resistance of clothing to molten metal splashes. Performance of Protective Clothing: Second Symposium. ASTM STP 989.
3. Evaluation of the protective performance of fabrics and fabric combinations against molten iron. Helena Makinen and others. Performance of Protective Clothing: Sixth Volume, ASTM STP 1273, Jeffrey O. Stull and Arthur D. Schwope. ASTM, 1997.
4. Pajunen, P., Makinen, H., Protection against molten metal splashes with a new material combination. 1994.
5. Forsberg,. K., Evaluation of fourteen fabrics combinations, one glove, material and three face shield materials to molten steel impact. Performance of Protective Clothing: Second Symposium. ASTM STP 989. Philadelphia, 1988.
6. A. R. Horrocks, Rev. Prog. Colouration, 1986.
7. http://www.arco.co.uk/products/1826100.
8. http://www.gs-workfashion.de.
9. http://www.kermel.ru.
БЕСПЛАТНАЯ ПОДПИСКА НА ЕЖЕНЕДЕЛЬНЫЙ ОБЗОР
КЛИНСКОГО ИНСТИТУТА ОХРАНЫ И УСЛОВИЙ ТРУДА
Отборная и актуальная информация на электронную почту
Все публикации
