Загорание материалов при механической обработке

Процессы механической обработки поверхностей твердых материалов путем снятия стружки (процессы резания материалов) являются одними из основных в машиностроении. К таким процессам относятся: токарная обработка, строгание, фрезерование, сверловка, шлифование и т.д. Процесс резания материалов происходит и при различных нарушениях работы производственного оборудования. Так, при деформации кожуха элеватора острые кромки движущегося ковша срезают с него стружку вплоть до образования сквозных отверстий.

В процессе резания (совершения механической работы) происходит выделение тепла, количество которого зависит от вида процесса резания, режимов резания (скорости и глубины резания, продольной и поперечной подачи и пр.), механических и теплофизических свойств материала заготовки и инструмента, геометрии заточки инструмента и других факторов.

Например, при сверлении металлов наибольшее количество тепла переходит в обрабатываемую деталь, а при токарной обработке в стружку уходит 50–86 % общего количества тепла, в резец – 10–40 %, в
заготовку – 3–9 % и в окружающую среду – примерно 1 %. С увеличением скорости резания количество тепла, переходящего в стружку, увеличивается. Так, в процессе токарной обработки качественной стали резцом с наплавкой из твердого сплава при скорости резания 500 м/мин количество тепла, переходящего в стружку, достигает 99 % от общего количества тепла, выделяющегося при резании.

Температуру резания можно оценить по эмпирическим формулам:

- для литой стали (s_в = 40 кг/мм²)

t_р = 138 V ^0,4 S ^0,16 h^0,07 ; (6.25)

- для мартеновской стали (0,25–0,35 % углерода, s_в = 50–60 кг/мм²)

t_р = 129 V ^0,5 S ^0,33 h^0,14 ; (6.26)

- для мартеновской стали (0,4–0,5 % углерода, s_в = 70 кг/мм²)

t_р = 154 V ^0,48 S ^0,33 h^0,1 ; (6.27)

- для хромоникелевой стали (0,6–0,8 % Сr, 3,0–4,0 % Ni, s_в = 70–
75 кг/мм²)

t_р = 210 V ^0,44 S ^0,28 h^0,11; (6.28)

- для чугуна (твердость по Бринелю 190 ед.)

t_р = 120 V ^0,5 S ^0,22 h^0,04 . (6.29)

Здесь t_р – температура резания, °С; V – скорость резания, м/мин; S – подача, мм/об; h – глубина резания, мм; s_в – предел временной прочности.

При обработке пластмасс резанием из-за их низкой теплопроводности температура режущей кромки инструмента существенно повышается. Так, при резании блочного полиамида и полиамида с 15%-ным содержанием стекловолокна она достигает 350–400 °С. Поэтому при обработке большинства реактопластов наблюдается «прижог» материалов, а при обработке термопластов – расплавление и деформация материалов.

Для предотвращения перегрева материалов в процессах резания применяют следующие способы и технические решения или их комбинации.

1. Строго соблюдают режим обработки материалов резанием.

2. Используют инструмент, рекомендованный технологической документацией.

3. Заточку инструмента производят в соответствии с требованиями технологической документации.

4. Производят охлаждение зоны резания с помощью воды или специальных эмульсий.

5. Используют индустриальные масла, керосин, эмульсии для снижения трения при резании, протяжке, нарезании резьбы и т.д.

Нагрев газов при сжатии

Сжатие (компримирование) газов производят специальными машинами – компрессорами. Процесс сжатия газа в компрессоре в зависимости от условий теплообмена может быть изотермическим, адиабатным или политропным.

В процессах адиабатного или близких к нему режимах сжатия, реализуемых в современных компрессионных машинах, температура газа может подниматься с 20 °С примерно до 870–1040 °С (при начальном давлении 0,1 МПа и конечном давлении 15,0 МПа), что, в свою очередь, приводит к повышению температуры отдельных деталей, узлов и компрессора в целом. При высоких температурах может не только нарушаться процесс сжатия газов, ухудшаться смазка и происходить ускоренный износ деталей и узлов компрессора, но могут возникать аварийные ситуации, в особенности при отказе систем охлаждения (заклинивание поршней, поломка привода, термическое разложение (иногда со взрывом) сжимаемого горючего газа, самовоспламенение масла в картере компрессора и т. д.).

При эксплуатации воздушных компрессов повышенная температура сжатого воздуха способствует разложению смазки с образованием нагара не стенках цилиндров и клапанах, что приводит к снижению их герметичности при закрытии и дальнейшему резкому повышению температуры сжимаемого воздуха. Под влиянием вибраций, неизбежных при работе компрессора, нагар частично отстает от стенок и уносится в трубопровод, холодильник, воздушный аккумулятор, осаждается в них и формирует вместе с парами масел весьма прочные отложения. Скопление нагара в трубопроводах уменьшает их сечение, вызывая потерю энергии, повышение давления и температуру сжатого газа. Кроме того, нагаромасляные отложения способны самовозгораться при высоких температурах сжатого воздуха.

Максимальную температуру газа при сжатии в компрессоре и отсутствии охлаждения определяют по формуле

, (6.30)

где t_н и t_к – температура газа в компрессоре до сжатия (начальная) и после сжатия (конечная), соответственно, ^оС; р_н и р_к – соответственно, начальное и конечное давление газа, Па; n – показатель политропы (n »
» 0,9 k , где k – показатель адиабаты).

Для обеспечения пожарной безопасности при сжатии газов применяют следующие способы и технические решения или их комбинации.

1. Сжатие газов до высоких давлений производят в многоступенчатых компрессорах.

Исходя из условий безопасного режима эксплуатации компрессора, число ступеней сжатия газа определяют по формуле

, (6.31)

где [e] – допустимая степень сжатия газа, определяемая из выражения

, (6.32)

где – безопасная температура газа в конце сжатия, ^оС.

В качестве принимают минимальное значение из трех величин:

- допустимой температуры, исходя из условия термического разложения горючего газа;

- безопасной температуры сжимаемой горючей смеси, равной 0,8 t_св (здесь t_св – температура самовоспламенения газа, ^оС);

- допустимой температуры масла в картере компрессора, равной 0,8 t_{всп (з.т)}.

2. Устраивают эффективную систему охлаждения компрессора.

3. В многоступенчатых компрессорах применяют промежуточные холодильники для охлаждения газа после каждой ступени сжатия.

4. Своевременно очищают теплообменные поверхности в компрессорах и в промежуточных холодильниках от отложений.

5. Контролируют температуру хладоносителя и регулируют его расход с автоблокировкой привода компрессора при падении расхода хладоносителя ниже регламентированного уровня.

6. Контролируют температуру смазочного масла в картере компрессора.

7. Контролируют температуру сжатого газа с автоблокировкой привода компрессора при повышении ее значения выше .

8. Контролируют давление во всасывающей линии компрессора с автоблокировкой привода при его падении ниже регламентированного уровня.

9. Контролируют и регулируют давление газа в нагнетательной линии компрессора.

10. В компрессорах объемного действия применяют обратные клапаны, устанавливаемые после каждой ступени сжатия.

11. Контролируют давление масла в системе смазки компрессора с автоблокировкой привода при его падении ниже регламентированного уровня.

Контрольные вопросы

1. Укажите условия, необходимые для возникновения горения.

2. Укажите основные признаки классификации производственных источников зажигания и поясните их.

3. Что понимают под термином «вынужденное воспламенение»?

4. Почему горючие смеси легче воспламеняются, чем горючие жидкости и твердые горючие материалы?

5. При каких условиях источник тепла может стать источником вынужденного зажигания горючей среды?

6. Какие параметры служат для оценки опасности постоянно действующего источника тепла как источника зажигания?

7. Что понимают под термином «самовоспламенение»?

8. Что понимают под термином «самовозгорание»?

9. В каком нормативном документе приводятся способы предотвращения образования в горючей среде (или внесения в нее) источников зажигания, а также методики определения пожароопасных параметров источников тепла?

10. В каком нормативном документе приводятся методы экспериментального определения минимальной энергии зажигания и температурных условий теплового самовозгорания веществ и материалов?

11. При каких условиях энергетический (тепловой) источник не станет источником вынужденного зажигания горючей среды?

12. При каких условиях не происходит самовозгорание веществ и материалов, склонных к тепловому самовозгоранию?

13. При эксплуатации каких видов оборудования образуются искры – тлеющие частицы несгоревшего топлива или сажевых отложений?

14. Укажите способы обеспечения пожарной безопасности при проектировании и эксплуатации аппаратов огневого действия.

15. На какие типы подразделяются искроулавливатели и искрогасители?

16. Укажите достоинства и недостатки искроулавливателей и искрогасителей различного типа.

17. Укажите способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.

18. Укажите способы обеспечения пожарной безопасности при проектировании и эксплуатации факельных установок.

19. Укажите способы обеспечения пожарной безопасности при проведении огневых ремонтных работ.

20. Перечислите условия, которые способствуют самовозгоранию горючих веществ и материалов при их контакте с воздухом.

21. Перечислите виды тепловых импульсов, которые могут привести к самовозгоранию горючих веществ и материалов.

22. Перечислите способы предотвращения самовоспламенения и/или самовозгорания горючей среды.

23. Что такое фрикционные искры?

24. Почему происходит нагревание частичек металла, образующихся при соударении подвижных частей машин о неподвижные части?

25. Почему при соударении деталей из цветных металлов не образуются искры?

26. Укажите способы предотвращения образования искр удара и трения при попадании в оборудование вместе с перерабатываемыми веществами и материалами инородных примесей.

27. Укажите способы предотвращения образования в горючей среде источников зажигания при выполнении ремонтных работ.

28. Укажите причины перегрева подшипников скольжения сильно нагруженных и высокооборотистых валов и осей машин.

29. Какие применяются способы для предотвращения перегрева подшипников?

30. Какие применяются способы для предотвращения буксования лент и ремней?

31. Какие применяются способы для предотвращения наматывания волокнистых и соломистых материалов на валы и оси машин и механизмов?

32. Какие применяются способы для предотвращения перегрева материалов в процессах резания?

33. Укажите причины повышения температуры узлов и деталей компрессоров при сжатии газов.

34. Какие опасности могут возникнуть при сжатии газов в компрессорах?

35. Какие применяются способы для обеспечения пожарной безопасности при сжатии газов?

ЛИТЕРАТУРА

1. Пожарная безопасность технологических процессов: Рабочая программа. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.

2. ГОСТ 12.1.004–91 Пожарная безопасность. Общие требования.

3. ГОСТ Р 12.3.047–98 Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

4. ГОСТ 12.1.044–89 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

5. ППБ 01–03 Правила пожарной безопасности в Российской Федерации.

6. НПБ 254–99 Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний.

7. Алексеев М.В., Волков О.М., Шатров Н.Ф. Пожарная профилактика технологических процессов производств. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985.

8. Таубкин С.И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы.– М.: ВНИИПО МВД РФ, 1999.