Производство бария - курсовая работа готовая

ООО "Диплом777"

8:00–20:00 Ежедневно

Никольская, д. 10, оф. 118

Курсовая работа на тему Производство бария

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Мировые запасы бария

1.2 Добыча бариевой руды

1.3 Получение бария из руды

1.4 Применение бария в производстве

1.5 Воздействие бария и его соединений на организм

1.6 Рекомендации по безопасности и охране здоровья

2. Применение бария и кальция в качестве раскислителя при выплавке стали

3. Анализ соединений бария, образующихся при его применении в производстве стали

3.1 Контроль концентрации вредных соединений бария в воздухе рабочей зоны

3.2 Соединения бария, образующиеся при обработке стали на агрегате ковш-печь

Выводы

Список использованных источников

Введение

В настоящее время улучшение свойств изделий из стали является одной из актуальных задач металлургического производства. Одной из важных и эффективных мер для улучшения эксплуатационных свойств стали, является удаление примесей либо изменение состава и морфологии неметаллических включений и, соответственно, выбор подходящего раскислителя и модифицирующей добавки.

Влияние присадок щелочноземельных и других активных элементов на свойства стали изучается исследователями на протяжении более 40 лет. Практически во всех работах отмечается положительный эффект от присадок комплексных сплавов, содержащих в себе щелочноземельные и/или редкоземельные элементы. Такие сплавы широко используются как для раскисления металла, так и для модифицирования стали с получением более высоких прочностных и пластических свойств готового металла. Наибольшее распространение комплексные сплавы-модификаторы получили в литейном производстве. Модификаторы, в состав которых входит алюминий, кальций, барий и другие элементы, успешно используют не только при выплавке стали, но и при производстве цветных металлов и сплавов с особыми свойствами, например медь и алюминий.

Обработка барием с целью изменения состава и морфологии оксидных и сульфидных включений и повышения чистоты стали, является частным случаем микролегирования жидкой стали. Результаты исследований показывают положительный эффект. Обработка стали барийсодержащими сплавами может уменьшить количество используемого алюминия; продукты раскисления легко всплывают в шлак; свойства оставшихся в металле включений улучшаются, соответственно, улучшаются механические свойства

За последнее десятилетие значительно возросло применение щелочноземельных металлов, таких как кальций и барий. Соединения бария потенциально опасны для здоровья человека. Они могут вызывать острые и хронические поражения отдельных органов и систем, что должно приниматься во внимание при получении и применении бариевых соединений.

1. Литературный обзор

1.1 Мировые запасы бария

Барий – химический элемент 2-й группы периодической системы, атомный номер 56, относительная атомная масса 137,33. Расположен в шестом периоде между цезием и лантаном. Природный барий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 130 (0,101 %), 132 (0,097 %), 134 (2,42 %), 135 (6,59 %), 136 (7,81 %), 137 (11,32 %) и 138 (71,66 %). Барий в большинстве химических соединений проявляет максимальную степень окисления +2, но может иметь и нулевую. В природе барий встречается только в двухвалентном состоянии [1].

В земной коре содержится 0,05 % бария. Это довольно много – значительно больше, чем, например, свинца, олова, меди или ртути. В чистом виде в земле его нет: барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и, естественно, в минералах связан достаточно прочно [2]. Присутствует он как в изверженных, так и в метаморфических и осадочных породах, где входит в состав многих минералов, однако промышленное значение в настоящее время имеют только два из них: барит и в меньшей степени витерит.

Барит или “тяжелый шпат”, представляет собой природный сульфат бария (BaSO4), содержащий 65,7 % ВаО. В качестве наиболее часто встречающихся примесей отмечаются: изоморфные- Sr, Pb, Ra; механические – оксиды железа и марганца, сульфиды цветных металлов и железа, глинистое и органическое вещество. Количество и состав примесей обуславливают разнообразие окраски барита, которая бывает белой, от серой до черной, голубой, желтой, розовой, бурой, коричневой, красной; прозрачные бесцветные кристаллы крайне редки. Плотность химически чистого барита 4,48 г/см при 25 0С, у природных баритов 4,3-4,7 г/см. Твердость по Моосу 3-3,5. Барит наблюдается в виде зернистых образований или конкреций, изредка образует хорошо ограненные таблитчатые кристаллы ромбической сингонии; хрупок; обладает стеклянным блеском, на плоскостях спайности перламутровым; химически инертен, практически нерастворим в воде, плохо растворятся (даже при нагревании) в соляной кислоте, незначительно (10-12 %) в концентрированной серной кислоте [3].

Мировые минерально-сырьевые ресурсы барита оценивались в 1999 в 2 млрд. тонн, значительная часть их сосредоточена в Китае (около 1 млрд. тонн) и в Казахстане (0,5 млрд. тонн). Большие запасы барита есть и в США, Индии, Турции, Марокко и Мексике. Российские ресурсы барита оцениваются в 10 миллионов тонн, его добыча ведется на трех основных месторождениях, расположенных в Хакасии, Кемеровской и Челябинской областях. Общая годовая добыча барита в мире составляет около 7 миллионов тонн, Россия производит 5 тыс. тонн и импортирует 25 тыс. тонн барита в год [1].

Витерит – природный карбонат бария (ВаСО3), содержащий 77,7 % ВаО; формирует шаровидные, почковидные, зернистые образования; кристаллы бипирамидальной формы, встречаются двойники. По физическим свойствам близок к бариту, имеет ту же плотность и твердость; цвет белый, часто серый или желтоватый, может быть бесцветным. В отличие от барита легко растворяется даже в слабых кислотах. Значительные концентрации витерита крайне редки. Единственное крупное месторождение – Сеттлингстоун в Великобритании. Поэтому промышленностью в основном потребляется достаточно широко распространенный в природе барит [3].

1.2 Добыча бариевой руды

В настоящее время при общей мировой добыче барита свыше 7 млн т/год лидирующее положение занимают КНР (до 3,5 млн т), США (до 0,7 млн т), Индия (до 0,5 млн т) и Марокко (0,35 млн т), оставшаяся часть приходится в основном на Мексику, Иран, Таиланд, Болгарию, Германию, Испанию, Северную Корею и Турцию. В России максимум добычи составил 0,16 млн т (1996 г.), в Казахстане – 0,135 млн т (1994 г.), в Грузии – 0,012 млн т (1995 г.) [4].

1.3 Получение бария из руды

В настоящее время промышленностью разрабатываются месторождения барита, среди которых по условиям образования могут быть выделены гидротермальные, осадочные и месторождения выветривания. Каждый из этих типов включает месторождения, крайне разнообразные по форме и размерам залежей, взаимоотношениями с вмещающими породами, возрасту и составу руд. Промышленное значение в настоящее время имеют лишь гидротермальные месторождения.

Требования к сырью.

В зависимости от сферы потребления барита изменяются и требования к качеству исходного сырья. В настоящее время они регламентируются ГОСТ 4682-74 “Концентрат баритовый”, в котором выделяются два промышленных класса (А и Б) и шесть марок. Барит класса Б используется в нефти – и газодобывающей промышленности, в других отраслях промышленности применяется барит класса А. В обоих классах нормируется содержание сернокислого бария и водорастворимых солей, которые в зависимости от марки не должны выходить за пределы соответственно 90-95 и 0,25-0,45 %. Для класса А содержание некоторых примесей в зависимости от марки не должно превышать (в %): SiO2 1,5-4,5; Fe2O3 0,5-2,5; СаО 0,5-7; для класса Б нормируется также гранулометрический состав: содержание остатка на сите 0009К не должно превышать 4 %, содержание фракции 5 мкм составляет более 5-20 % [3].

По минеральным ассоциациям баритовые руды делятся на мономинеральные и комплексные. Комплексные подразделяются на барито-сульфидные (содержат сульфиды свинца, цинка, иногда меди и железного колчедана, реже Sn, Ni, Au, Ag), барито-кальцитовые (содержат до 75 % кальцита), железо-баритовые (содержат магнетит, гематит, а в верхних зонах гетит и гидрогетит) и барито-флюоритовые (кроме барита и флюорита, обычно содержат кварц и кальцит, а в виде небольших примесей иногда присутствуют сульфиды цинка, свинца, меди и ртути).

С практической точки зрения наибольший интерес представляют гидротермальные жильные мономинеральные, барито-сульфидные и барито-флюоритовые месторождения. Промышленное значение имеют также некоторые метасоматические пластовые месторождения и элювиальные россыпи. Осадочные месторождения, представляющие собой типичные химические осадки водных бассейнов, встречаются редко и существенной роли не играют.

Как правило, баритовые руды содержат другие полезные компоненты (флюорит, галенит, сфалерит, медь, золото в промышленных концентрациях), поэтому они используются комплексно [2].

Основное сырьё для получения бария — баритовый концентрат (80-95 % BaSO4), который, в свою очередь, получают флотацией барита. Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом:

(1)

(2)

Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH)2 или под действием CO2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO3, который затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 800 °C для Ba(OH)2 и свыше 1000 °C для BaCO3):

(3)

(4)

(5)

(6)

BaCO3 + C BaO + 2CO (7)

Металлический барий получают из оксида восстановлением алюминием [5]:

3BaO + 2Al 3Ba + Al2O3 (8)

Впервые этот процеcc осуществил русский физико – химик Н.Н.Бекетов [1]. Сейчас процесс восстановления алюминием проводят в вакууме при температурах от 1200 до 1250 °C, при этом образующийся барий испаряется и конденсируется на более холодных частях реактора.

Кроме того, барий можно получить электролизом расплавленной смеси хлоридов бария и кальция.

1.4 Применение бария в производстве

Применение металлического бария весьма ограничено из-за его высокой химической активности, соединения бария используются гораздо шире. В небольших количествах барий используется в металлургии для очистки расплавленных меди и свинца от примесей серы, кислорода и азота. Барий добавляют в типографские и антифрикционные сплавы, сплав бария с никелем используется для изготовления деталей радиоламп и электродов свечей зажигания в карбюраторных двигателях.

Вакуумные электронные приборы

Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.

Оксид бария, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов — кальция и стронция (CaO, SrO), используется в качестве активного слоя катодов косвенного накала.

Антикоррозионный материал

Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности последних к трубопроводам, и в металлургии.

Сегнето- и пьезоэлектрик

Титанат бария используется в качестве диэлектрика при изготовлении керамических конденсаторов, а также в качестве материала для пьезоэлектрических микрофонов и пьезокерамических излучателей.

Оптика

Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы).

Пиротехника

Пероксид бария используется для пиротехники и как окислитель. Нитрат бария и хлорат бария используется в пиротехнике для окрашивания пламени (зелёный огонь).

Атомно-водородная энергетика

Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом (цикл Ок-Ридж, США).

Высокотемпературная сверхпроводимость

Пероксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов применяется для синтеза сверхпроводящей керамики, работающей при температуре жидкого азота и выше.

Ядерная энергетика

Оксид бария применяется для варки специального сорта стекла — применяемого для покрытия урановых стержней. Один из широкораспространённых типов таких стекол имеет следующий состав: оксид фосфора — 61 %; ВаО — 32 %; оксид алюминия — 1,5 %; оксид натрия — 5,5 %. В стекловарении для атомной промышленности применяется также и фосфат бария.

Химические источники тока

Фторид бария используется в твердотельных фторионных аккумуляторных батареях в качестве компонента фторидного электролита.

Оксид бария используется в мощных медноокисных аккумуляторах в качестве компонента активной массы (оксид бария – оксид меди).

Сульфат бария применяется в качестве расширителя активной массы отрицательного электрода при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.

Применение в медицине

Сульфат бария, нерастворимый и нетоксичный, применяется в качестве рентгеноконтрастного вещества при медицинском обследовании желудочно-кишечного тракта. [5]

1.5 Воздействие бария и его соединений на организм

В отечественной и зарубежной литературе имеются многочисленные данные, указывающие на широкий спектр действия соединений бария на организм человека. В частности, воздействие бария неблагоприятно отражается на кроветворной, сердечнососудистой и нервной системах, нарушаются функции печени и желудочно-кишечного тракта, разрушается витамин C.

В условиях производства соединения бария поступают в организм в основном в виде аэрозолей дезинтеграции через органы дыхания и в меньшей степени через желудочно-кишечный тракт или поврежденную кожу.

Токсичность солей бария во многом зависит от степени их растворимости в воде и биосредах организма. Наиболее токсичными являются такие соединения, как хлористый, азотнокислый, углекислый, сернистый и гидроксид бария, а также оксид и перекись его. Не растворимый в воде, кислотах и щелочах сернокислый барий токсическими свойствами не обладает. Отравления соединениями бария по степени тяжести могут носить как острый, так и хронический характер.

Острое отравление возможно при поступлении через рот или в значительных концентрациях через органы дыхания хорошо растворимых бариевых соединений. При этом поражаются в первую очередь желудочно-кишечный тракт (боли в желудке, рвота, понос), сердечнососудистая нервная система (повышенное кровяное давление, брадикардия, головокружение, расстройство походки и зрения, судороги и параличи). В тяжелых случаях возможна смерть от паралича сердца.

Хроническое отравление возникает при длительном поступлении через органы дыхания малых количеств бариевых соединений в виде аэрозолей. В частности, многолетнее поступление в легкие ультрадисперсного углекислого бария вызывает общетоксическое действие на организм.

Результаты поликлинического обследования рабочих бариевого производства и данные экспериментальных исследований при хронической ингаляционной затравке животных пылью углекислого бария показали, что хроническая бариевая интоксикация характеризуется нарушением сосудистого тонуса по гипер- и гипотоническому типу, поражением миокарда с изменением функции сердечной проводимости и нарушением фосфорно-кальциевого обмена в организме. При этом страдает система кроветворения (снижение гемоглобина, лейкоцитоз, тромбопения) и нарушается белковообразовательная и дезинтоксикационная функция печени, а также угнетается активность ферментов.

Длительное поступление в легкие пыли нерастворимого сернокислого бария вызывает у рабочих профессиональный пневмокониоз баритов. Пыль углекислого бария также обладает выраженным фиброгенным действием. Для большинства соединений бария характерно наличие местного раздражающего действия на кожу и слизистые оболочки – последнее наиболее выражено у гидрата окиси бария.

В эксперименте на животных установлено, что барий обладает выраженной способностью к кумуляции и долго задерживается в организме. Кроме того, ион бария легко проникает через плацентарный барьер и в период лактации может выделяться с молоком матери.

Предельно допустимая концентрация содержания аэрозолей бариевых соединений в воздухе рабочей зоны установлена – для абсолютно не растворимых (сернокислый барий) на уровне 6 мг/м3, для растворимых в биологических средах организма (углекислый барий) на уровне 0,5 мг/м3.

Биологическая роль и токсичность.

Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит.

Все растворимые в воде соединения бария высокотоксичны. Вследствие хорошей растворимости в воде из солей бария опасен хлорид, а также нитрат, нитрит, хлорат и перхлорат. Хорошо растворимые в воде соли бария быстро резорбируются в кишечнике.

Симптомы острого отравления солями бария: слюнотечение, жжение во рту и пищеводе. Боли в желудке, колики, тошнота, рвота, понос, повышенное кровяное давление, твёрдый неправильный пульс, судороги, позже возможны и параличи, синюха лица и конечностей (конечности холодные), обильный холодный пот, мышечная слабость, в особенности конечностей, доходящая до того, что отравленный не может кивнуть головой. Расстройство походки, а также речи вследствие паралича мышц глотки и языка. Одышка, головокружение, шум в ушах, расстройство зрения.

В случае тяжёлого отравления смерть наступает внезапно или в течение одних суток. Тяжёлые отравления наступают при приёме внутрь 0,2 — 0,5 г солей бария, смертельная доза 0,8 — 0,9 г.

Для оказании первой помощи необходимо промыть желудок 1 %-ным раствором сульфата натрия или магния. Клизмы из 10 %-ных растворов тех же солей. Приём внутрь раствора тех же солей (20,0 ч. соли на 150,0 ч. воды) по столовой ложке каждые 5 мин. Рвотные средства для удаления из желудка образовавшегося нерастворимого сульфата бария. Внутривенно 10–20 мл 3 %-ного раствора сульфата натрия. Подкожно — камфора, кофеин, лобелин — по показаниям. Тепло на ноги. Внутрь слизистые супы и молоко [5].

1.6 Рекомендации по безопасности и охране здоровья

Подходящие приспособления для мытья и другие санитарные устройства должны быть обеспечены работникам, контактирующим с токсичными растворимыми соединениями бария, должны быть установлены жесткие правила индивидуальной гигиены. Курение, еда и питье на рабочем месте должны быть строго запрещены. Полы в рабочих помещениях должны быть плотными и регулярно мыться. Необходимо прилагать усилия для снижения концентрации баритовой пыли в воздухе до минимума. Вдобавок, особое внимание следует уделять наличию оксида кремния во взвешенной в воздухе пыли.

2. Применение бария и кальция в качестве раскислителя при выплавке стали

барий соединение сталь раскислитель

Рассматриваемая тема научно-исследовательской работы связана с применением бария, кальция и других щелочноземельных металлов (ЩЗМ) в качестве раскислителей и модификаторов неметаллических включений.

Анализ литературных данных о влиянии кальция и бария на свойства углеродистой и низколегированной стали выявил некоторые общие положения о механизмах модифицирования с использованием ЩЗМ.

Так, например, в ряде работ [6, 7] отмечается снижение загрязненности модифицированной стали неметаллическими включениями, напрямую связывая этот факт с наблюдаемым повышением ее жидкотекучести.

Кальций обладает прекрасным химическим свойством – весьма сильным сродством к кислороду, но в то же время при температурах сталеварения находится в газообразном состоянии. В результате, при одних и тех же температурах модифицированный металл содержит меньше равновесного кислорода, а более раннее и интенсивное образование включений повышает возможность их удаления в ковше и, особенно, в изложнице. Применение кальциевого сплава для окончательного раскисления обеспечивает контролируемые состав и форму неметаллических включений и получение стали с низким содержанием кислорода.

Барий является поверхностно-активным элементом. Присадки бария могут хотя бы на короткое время существенно понижать поверхностное натяжение стали и за счет этого разрушать скопления неметаллических включений [8, 9].

Эффективность действия ЩЗМ, как модификаторов, связывали в основном с очищением межзеренных границ. Это можно объяснить взаимодействием ЩЗМ с кислородом, серой и фосфором и снижением их остаточных концентраций. Такое явление имеет место, однако оно не является определяющим. Более существенным является изменение строения металлического расплава. Оно происходит не только при нагреве металла до критических температур [10], но и под действием других факторов, в частности, обработки кальцием [11], который в силу размерного несоответствия с атомами железа оказывает возмущающее действие на микростроение расплава и приводит его к более равновесному состоянию. Это сопровождается увеличением кинематической вязкости стали [10; 11], приводит к более благоприятным условиям кристаллизации и формированию микроструктуры стали, обладающей большей пластичностью.

Подобное влияние оказывает и барий. Но в отличие от кальция, он при температурах ниже 1637 оС не испаряется из жидкой стали, может частично окисляться и его иногда обнаруживают при микрорентгеноспектральном анализе включений [7]. Барий из-за большого радиус атома, значительно превышающего радиус атома железа, и почти в два раза меньшей плотности не способен удерживаться в жидком расплаве и быстро удаляется. Этому также способствует и различие в электронном строении атомов бария и железа. Проходя через жидкую сталь, атомы бария, как и кальция, оказывают сильное возмущающее действие на ее микростроение, которое приводит к формированию более равновесной структуры расплава, а в дальнейшем – к кристаллизации металла с повышенными пластическими свойствами. При введении после предварительного раскисления в жидкую сталь FeSiCaBa-сплава его частицы после расплавления вступают в активное взаимодействие с металлом. При этом железо и кремний растворяются в стали, а оставшиеся жидкие частицы нерастворимого СаВа-сплава взаимодействуют с элементами, к которым Са и Ва имеют высокое химическое сродство, в частности, с кислородом, серой, фосфором и углеродом.

Примерное время химического взаимодействия заглубленного в сталь кальция составляет всего 3-4 минуты [12].

В результате указанных процессов в стали на весьма короткое время, по существу равное времени пребывания в ней Са и Ва, образуется высокодисперсная самоорганизующаяся система из частиц Са и Ва, поведение которой и определяет характер протекания процессов модифицирования. Именно возникновение огромного множества микро- и наночастиц Ва и Са в металлическом расплаве при локальном характере введения модификаторов позволяет объяснить и понять возможность осуществления изменения микростроения и свойств всего объема жидкой стали, которые в дальнейшем скажутся на изменении свойств готовых изделий.

Атомы бария и кальция в металле и при выходе на границу металл – шлак соединяются с адсорбированными поверхностноактивными металлоидами (О, S и Р) и в виде соединений BaO, BaS, ВаЗР2, CaO, CaS и СаЗР2 переходят в шлак. В силу малых размеров они легко поглощаются шлаком, способствуя снижению содержания кислорода, серы и фосфора в стали.

Механизм модифицирования барием и другими ЩЗМ тесно связан с оптимальным составом и способом приготовления барийсодержащего модификатора. Известны способы модифицирования барием при условии подачи каждого из элементов отдельно, с тем или иным носителем. Отдельно алюминий металлический, отдельно силикокальций, силикобарий (алюмокальций, алюмобарий), ферроцерий либо силикоцерий. Имеются представления о том, что эти элементы должны быть предварительно сплавлены между собой с получением микрокристаллического сплава-модификатора.

3. Анализ соединений бария, образующихся при его применении в производстве стали

3.1 Контроль концентрации вредных соединений бария в воздухе рабочей зоны

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны подлежит контролю в соответствии с требованиями методических указаний “Контроль содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны”, утвержденных Минздравом СССР от 29.09.85 г. N 3936-85 и методических указаний “Измерение концентраций аэрозолей преимущественно фиброгенного действия”, утвержденных Минздравом СССР от 18.11.87 г. N 4436-87 [13-16].

Согласно постановлению от 30 апреля 2003 г. N 76 о введении в действие ГН 2.2.5.1313-03:

«На основании Федерального закона “О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения” от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ (Собрание законодательства Российской Федерации, 1999, N 14, ст. 1650) и Положения о государственном санитарно – эпидемиологическом нормировании, утвержденного Постановлением Правительства Российской Федерации от 24 июля 2000 г. N 554 (Собрание законодательства Российской Федерации, 2000, N 31, ст. 3295) постановляю:

«Ввести в действие с 15 июня 2003 года гигиенические нормативы “Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны ГН 2.2.5.1313-03”, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 27 апреля 2003 г. Г.Г. Онищенко» [15].

Наряду с величинами ПДК в таблице 1 указан класс опасности и преимущественное агрегатное состояние вещества в воздухе в условиях производства. По степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделены на четыре класса опасности:

I – вещества чрезвычайно опасные,

II – вещества высоко опасные,

III – вещества умеренно опасные,

IV – вещества мало опасные, в соответствии с классификацией ГОСТ 12.1.007-76.

“ССБТ”. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности”

Величины ПДК и классы опасности веществ утверждает и, при необходимости, пересматривает Минздрав России. Если в графе “Величина ПДК” приведены две величины, то это означает, что в числителе максимальная, а в знаменателе – среднесменная ПДК. В списке ПДК использовано обозначения – (а – аэрозоль)

При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ разнонаправленного действия (по заключению органов государственного санитарно – эпидемиологического надзора) ПДК остаются такими же, как и при изолированном действии.

При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений фактических концентраций каждого из них (К, К1 …Kn) в воздухе к их ПДК (ПДК, ПДК1 … ПДКn) не должна превышать единицы:

(9)

Таблица 1 – Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны [15, 16].

Наименование

вещества

Величина ПДК,

мг/м3

Преимущественное

агрегатное состояние в условиях производства

Класс

опасности

Формула

химического

соединения

Барит

6

а

IV

BaSO4

Бария

алюминат

0,1

а

II

Ba(AlO2)2

Бария

алюмосиликат

1/0,5*

а

II

Ba[Al2Si2O8]

Бария

гидроксид

0,3/0,1

а

II

Ba(OH)2

Бария карбонат

1,5/0,5

а

II

BaCO3

Бария нитрат

0,5

а

II

Ba(NO3)2

Бария

тетратитанат

1,5/0,5

а

II

BaTi4O9

Бария фосфат

двузамещенный

1,5/0,5

а

II

Ba3(PO4)2

Бария фторид

1/0,2

а

II

BaF2

Бария хлорид

1/0,3

а

II

BaCl2

Барий

0,1

а

II

Ba

Бария силикат

0,5

а

II

BaSiO3

Бария оксид

0,1**

а

II

BaO

Бария сульфид

0,1**

а

II

BaS

*Рабочей зоны/среднесуточная

**В документе ГН 2.2.5.1313-03 нет данных о соединениях оксид бария (BaO) и сульфид бария (BaS), поэтому примем ПДК этих веществ как у бария (Ba), равную 0,1 мг/м3, т. к. ПДК бария наименьшая.

3.2 Соединения бария, образующиеся при обработке стали на агрегате ковш-печь

В данной работе будут проанализированы соединения бария, образующиеся при обработке металла на 100 тонном агрегате ковш-печь (АКП).

Для раскисления и модифицирования стали используется кальций в виде силикокальция (SiCa) и барий в виде ферроcиликобария (FeSiBa), которые вводятся по очереди. В расчете рассматривается обработка стали ферроcиликобарием, поэтому система металл-шлак-газ приведена к моменту окончания обработки стали силикокальцием.

Ферроcиликобарий будут подавать в тот момент, когда в стали достигнуты требуемые содержания химических элементов, кроме кремния и кислорода, а так же в металле не достигнуты низкое содержание и необходимая форма неметаллических включений.

В качестве примера, выбрана сталь марки 09Г2С, в которую будет добавлятся барий в виде ферросиликобария – 35 (FeSiBa35).

Определены исходные данные о составе и количестве газовой фазы, шлака, металла и модифицирующей добавки для расчета в программе «TERRA»:

– Газовая фаза (воздух, при 20 0С и давлении 1 атм). Количество воздуха 5 м3/т стали или 6 кг/т стали. При этом его химический состав представлен в таблице 2:

Таблица 2 – Химический состав воздуха, %

N

O

79

21

– Шлак. При кратности 1 % масса шлака 1000 кг. Его химический состав представлен в таблице 3:

Таблица 3 – Химический состав шлака, %

CaO

Al2O3

SiO2

MgO

55

35

5

5

– Металл (сталь марки 09Г2С). Масса металла принята равной 100 тоннам. Химический состав представлен в таблице 4:

Таблица 4 – Химический состав металла, %

C

Si

Mn

S

P

Cr

Cu

Ni

O

Fe

0,12

0,65

1,5

0,04

0,035

0,3

0,3

0,3

0,01

96,745

– Модифицирующая добавка (ферросиликобарий, FeSiBa35). Количество ферросиликобария 0,5 кг/т стали. Его химический состав представлен в таблице 5:

Таблица 5 – Химический состав металла ферросиликобария (FeSiBa35), %

Si

Ba

Fe

60

35

5

Для ввода в программу «TERRA» все данные были приведены к одной единице измерения – к килограммам. Исходные данные по всем химическим элементам для ввода в программу «TERRA» представлен в таблице 6:

Таблица 6 – Количество химических элементов, кг

C

Si

Mn

S

P

Cr

Cu

120

680

1500

40

35

300

300

Ni

O

Fe

Al

Mg

Ba

N

300

504,52

96747,5

185,29

30

17,5

474

Для определения соединений бария и их количества данные о составе металла, шлака и газа введены в программу «TERRA» (рисунок 1):

Рисунок 1 – Исходный химический состав системы «металл – шлак – газ» введенный в программу «TERRA»

Так же в качестве исходных данных были приняты давление P= 0,1 МПа и температура от 1800 до 3300 К, с шагом 20 К.

В результате были получены соединения бария и их концентрации при различных температурах.

Были получены следующие соединения :

– барий (Ba);

– оксид бария (BaO);

– сульфид бария (BaS);

– силикат бария (BaSiO3);

– алюминат бария (BaAl2O4).

График показывающий зависимость концентрации этих веществ от температуры представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимость концентраций соединений бария от температуры

Далее было убрано вещество Ba2, так как концентрация Ba2 значительно ниже концентрации остальных полученных соединений бария.

В итоге были выбраны четыре температуры при которых наблюдалось значительное изменение концентрации какого-либо вещества.

Первая температура 2040 К. При этой температуре начинается снижение концентрации силиката бария (BaSiO3(с)) и повышение бария (Ba) за счет распада BaSiO3 на Ba и SiO2.

Вторая температура 2320 К. При этой температуре наблюдается самая высокая концентрация алюмината бария (BaAl2O4). Далее при повышении температуры концентрация BaAl2O4 резко снижается.

Третья температура 2460 К. При этой температуре наблюдаются наивысшие концентрации веществ: оксида бария (BaO) и сульфид бария (BaS).

Четвертая температура 2840 К. При этой температуре наблюдаются наивысшая концентрация бария (Ba).

Далее для выбранных температур рассчитаем количество веществ найденных соединений с учетом годовой производительности агрегата ковш-печь равной 1,2 млн. т/год. Примем равными нулю концентрации веществ, значения которых менее 0,001 %. Выбранные температуры и концентрации веществ представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Концентрации найденных веществ в зависимости от температуры, %

T, К

Ba

BaO

BaS

BaSiO3(c)

BaAl2O4(c)

2040

0

0

0

0,0269

0

2320

0,008

0,001

0,001

0

0,0143

2460

0,014

0,00275

0,00184

0

0

2840

0,017

0

0

0

0

Рассчитаем количества веществ для каждой из выбранных температур с учетом годовой производительности. Для этого умножим каждую концентрацию на годовую производительность 1,2 млн. т/год. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Количество веществ найденных соединений.

T, К

Количество вещества Bi, т

Ba

BaO

BaS

BaSiO3(c)

BaAl2O4(c)

2040

0

0

0

32232

0

2320

9600

1171,135

1084,352

0

17124

2460

16836

3300

2208

0

0

2840

20496

194,3364

0

0

0

Рассчитаем коэффициент агрессивности для каждого вещества Ai.

Формула нахождения агрессивности вещества:

(10)

Тогда приведенная масса выбросов Мпр за год для количеств веществ, соответствующих выбранным температурам рассчитывается по формуле (11):

(11)

T2=2320 К

355665 усл. т/год

T3=2460 К

усл. т/год

T4=2840 К

усл. т/год

Приведенная масса выбросов Мпр на тонну стали:

усл. т/т стали

усл. т/т стали

усл. т/т стали

Вывод. Соединения бария полученные при расчете в программе «TERRA» относятся ко II классу опасности, т. е. являются высоко опасными веществами. Эти вещества подлежат контролю, т. к. они входят в состав вредных веществ содержащихся в воздухе рабочей зоны.

Выводы

Основной задачей расчетов было определение вредных составляющих газовой фазы и их возможного влияния на организм человека. Анализ соединений, образующихся при взаимодействии между компонентами газовой, шлаковой и металлической фаз, показал возможное образование бария, а также оксидов и сульфидов бария.

Взаимодействие бария с воздухом сводится к образованию гидроксидов бария (при переменном составе присадок бария). При увеличение присадок бария без изменения состава и количества воздуха гидроксиды бария начинают разлагаться (при температуре 1300-1400°С) и образовывать оксид бария (BaO). При неизменном содержании бария и последующем увеличении присадок воздуха состав газовой фазы был представлен прежде всего гидрооксидом бария и оксидом бария.

Поэтому в процессе выплавки стали с применением барийсодержащих модификаторов необходимо блокировать подсосы воздуха при подаче ферросплава (обеспечить минимальную вытяжку).

При взаимодействии бария с компонентами шлаковой фазы (плавиковым шпатом и алюминиевым шлаком) возможно образование соединений хлорида и фторида бария, которые входят в состав вредных веществ содержащихся в воздухе рабочей зоны и подлежат контролю. Данные соединения выделяются в газовую фазу при температуре 1600-1650° С, при 1700° С отмечается образование соединений BaF2 и BaCl2. В связи с этим шлакообразующие целесообразнее подавать при низких температурах (меньше 1650° С) и обязательно в виде проволоки в глубину расплава.

Список использованных источников

1. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/965cf8d9-b573-fd22-b97b-9753e36f6ee1/1011837A.htm

2. http://protown.ru/information/hide/5546.html

3. http://mirznanii.com/a/327151/mirovaya-ekonomika-barit-tselestinovogo-syrya

4. http://geo.web.ru/db/msg.html?uri=glava_9.htm&mid=1172887

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9

6. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. 270 с.

7. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 2005. №12 с.45-50.

8. Рябчиков И. В. Ферросплавы с редкоземельными и щелочноземельными металлами. М.: Металлургия, 1983. 272 с.

9. Заславский А.Я., Гусева З.Ф., Комиссарова Т.А., Филимонов С.Г. Влияние бария на механические свойства стали, содержащей кальций // Металлы, 1986, № 3, с. 66-70.

10. Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В. и др. Жидкая сталь. М. Металлургия. 1984. 208с.

11. Гудов А.Г. Исследование особенностей структурных состояний расплавов железа с целью повышения эксплуатационных свойств тв?рдого металла. Автореферат дис. на соиск .ученой степени к.т. н. Екатеринбург. 2005. 24с.

12. Попель С.И., Дерябин А.А. и др. Изв.ВУЗов. Черная металлургия. 1969. №7. с 38-41.

13. ГОСТ 12.1.007-76. “ССБТ”. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности”.

14. Общесоюзные санитарно-гигиенические и санитарно-противоэпидемические правила и нормы “Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны” (утв. Главным Государственным санитарным врачом СССР 26 мая 1988 г. N 4617-88, с изменениями от 11 сентября 1991 г., 19 мая 1994 г.)

15. ГН 2.2.5.1313-03 Химические факторы производственной седы. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы. в редакции ГН 2.2.5.1827-03 дополнение № 1, ГН 2.2.5.2100-06 дополнение № 2, ГН 2.2.5.2241-07 дополнение № 3, ГН 2.2.5.2439-09 (дополнение № 4, ГН 2.2.5.2536-09 дополнение № 5) Зарегистрировано в Минюсте РФ 19 мая 2003 г.

16. Перечень основных действующих нормативных и методических документов по гигиене труда с письмом Главного государственного санитарного врачам РФ от 6 января 2004 г. N 2510/92-04-32 “О действующих нормативных и методических документах по гигиене труда” Методические рекомендации по гигиене труда и оздоровительные мероприятия при работе с соединениями бария 1192-74

Поделиться статьёй
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в vk
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Валерий Авдеев
Валерий Авдеев
Более 12 лет назад окончил КНИТУ факультет пищевых технологий, специальность «Технология продукции и организация общественного питания». По специальности работаю 10 лет, за это время написал 15 научных статей. Являюсь кандидатом наук. В свободное время подрабатываю в компании «Диплом777», занимаясь написанием курсовых и дипломных работ. Люблю помогать студентам и повышать их уровень осведомленности в своем предмете.

Ещё статьи