Type de document

Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2019

Langue

Français

Résumé

Les régions de l’Estrie et de Montréal regroupent un nombre important d’établissements œuvrant dans le secteur de la fabrication de produits en granit contenant de la silice cristalline (SiO2). La poussière émise lors de la transformation de ce matériau peut contenir un pourcentage élevé de quartz et représenter ainsi un risque élevé pour la santé des travailleurs exposés. En effet, le polissage manuel à sec ou par voie humide des matériaux graniteux présente le pire scénario d’exposition des travailleurs à de la poussière lors de la transformation du granit. Cette poussière est projetée dans toutes les directions sous l’effet des mouvements d’air causés par la rotation de l’outil abrasif de polissage. La poussière de forte taille finit par se déposer sous l’action de la gravité. Par contre, les poussières fines et ultrafines sont entraînées dans le tourbillon créé par la rotation de l’outil et se retrouvent dans la zone respiratoire du travailleur. La force centrifuge entraîne la dispersion de cette poussière au-delà de la zone de polissage; elle se répand ainsi dans l’environnement de travail. Au fur et à mesure que la vitesse de rotation de l’outil augmente, les poussières fines et ultrafines se dispersent davantage allant même jusqu’à contaminer des espaces encore plus éloignés. Dans une telle situation, les travailleurs se trouvant à proximité de l’outil ne sont pas les seuls exposés. En outre, le sillage rotatif présente une complexité dans l’élaboration d’un système de réduction à la source. L’inefficacité de la mise en place d’une hotte d’aspiration à proximité du procédé de polissage a d’ailleurs déjà été démontrée.

La présente étude contribue à l’avancement des connaissances nécessaires pour déterminer des moyens d’élimination et de réduction à la source des poussières fines et ultrafines contenant de la silice cristalline et qui sont émises lors de la transformation du granit. L’élimination et la réduction à la source des émissions sont les moyens privilégiés pour assurer un environnement de travail sain et sécuritaire; l’utilisation des équipements de protection individuelle demeurant la dernière solution à adopter en milieu de travail.

Pour parvenir à des solutions efficaces, une étude a d’abord été réalisée en laboratoire, portant sur 1) la caractérisation, 2) le contrôle de la poussière de silice cristalline émise par les opérations de polissage à sec et humide. La caractérisation des poussières fines et ultrafines émises par le polissage était nécessaire puisque les solutions de contrôle des émissions dépendent de la granulométrie et de la concentration des polluants émis par le procédé de polissage. Les moyens de contrôle des émissions incluaient la modification de certains paramètres de travail (vitesse de rotation et vitesse d’avance du procédé de polissage, polissage à sec ou par voie humide, quantité d’eau).

Deux blocs de granit ont été choisis pour la présente recherche : un granit noir et un granit blanc. Le granit noir se caractérisait par sa très faible teneur en silice cristalline, contrairement au granit blanc dont la teneur était plus forte. Les opérations de polissage à sec et par voie humide du granit ont été effectuées avec une machine-outil dans un environnement contrôlé. En absence de moyens de contrôle et en isolant l’opération de polissage, l’émission, la dispersion et le taux de silice cristalline de la poussière émise par l’opération de polissage des matériaux graniteux ont été caractérisés selon des paramètres de procédé de polissage variables. Cette caractérisation a permis d’établir des relations entre les paramètres du procédé (vitesse, abrasif utilisé, taille du disque, nature du granit, opération à sec ou par voie humide, quantité d’eau) et les émissions de poussières fines et ultrafines, sans compromettre la qualité du produit final. Pour cette raison, l’état de fini de surface a aussi été évalué. Le granit noir émet plus de poussière que le granit blanc. Les particules ultrafines sont émises en plus grand nombre que celles fines. Le polissage de finition du granit génère essentiellement des particules ultrafines.

Par la suite, des simulations expérimentales et numériques ont permis d’analyser la dispersion de la poussière sous l’effet de la rotation d’un disque, reconstituant ainsi une opération de polissage sans déplacement de l’outil de polissage. En utilisant des particules générées à base d’une solution de sel (NaCl), ces simulations ont permis de comprendre l’effet de la rotation sur la répartition spatiale des aérosols autour du disque rotatif, selon la granulométrie des particules et la vitesse de rotation. L’analyse de la dispersion des particules ultrafines montre que les concentrations de ces particules sont très élevées dans toute la zone de mesure proche ou éloignée du disque rotatif.

À l’aide de ces simulations, trois concepts de réduction à la source ont été analysés pour déterminer leur degré d’adaptation aux opérations de polissage. Ces concepts étaient : 1) le soufflage-aspiration, 2) le carter d’aspiration, 3) les fentes d’aspiration intégrées au disque. Cette analyse paramétrique a permis de déterminer l’efficacité de ces trois concepts selon les paramètres de ventilation. Le comportement des particules a parallèlement été comparé à celui d’un gaz traceur. Le gaz traceur présente une technique intéressante de prédiction du comportement des poussières et de l’efficacité de la ventilation en espace de travail. Le carter d’aspiration et les fentes d’aspiration intégrées au disque permettent de retirer efficacement la poussière émise par le disque rotatif.

En somme, cette étude a permis de comprendre les mécanismes de génération et de dispersion des particules lors des opérations de polissage à sec et par voie humide des matériaux graniteux, afin de mieux contrôler le comportement des poussières fines et ultrafines, tant par le procédé industriel lui-même que par la ventilation de l’espace de travail.

Abstract

The Eastern Townships (Estrie) and Montréal areas of Québec have many industrial facilities manufacturing granite products that contain crystalline silica (SiO2). The dust released during processing can have a high quartz content and therefore pose a serious health risk for exposed workers. Manual polishing, especially dry, presents the worst exposure scenario. Air movement generated by the rotating grinder pushes the dust in all directions. Larger particles settle due to the effect of gravity; however, fine and ultrafine particles are entrained into the whirlwind created by the emery wheel and tend to remain in the worker’s respiratory zone. Centrifugal force then sends the dust beyond the worker’s immediate area and into the general work environment. The higher the rotational speed of the grinder, the greater the dispersion of fine and ultrafine particles, contaminating areas even farther away. Workers in the immediate area are no longer the only ones exposed. In addition, the rotational movement presents an additional complexity for the source reduction system. Studies have already shown the inefficacy of installing an exhaust duct near the grinding process.

This study contributes to the advancement of knowledge needed to determine the means for source elimination and reduction of the crystalline-silica-containing fine and ultrafine dust released during granite processing. Source elimination and reduction of emissions are the best ways to ensure a healthy, safe work environment; personal protection equipment is the solution of last resort.

To find solutions that really work, we first conducted a laboratory study on characterization and control of the crystalline silica dust released from wet or dry polishing operations. Characterization was needed, since emissions control solutions depend on the grain size and concentration of the pollutants. Control measures involved changing certain work parameters (rotation speed, advancement speed, choice of wet vs dry polishing, quantity of water).

Two granite blocks were chosen for this study: one black and one white. Black granite has a very low crystalline silica content compared to white granite. The dry and wet grinding operations were performed with a machine-tool in a controlled environment. Observing just the grinding operation and without any control measures, the dust emission, dispersion and crystalline silica content were characterized according to the process parameters (speed, abrasive used, disk size, type of granite, dry or wet, quantity of water) and fine or ultrafine dust emissions. Out of a concern to avoid compromising the quality of the final product, the surface finish was also evaluated. The results show that black granite releases more dust than white granite, and the particles are more ultrafine than fine. Granite polishing releases mainly ultrafine particles.

Through laboratory and digital simulations, dust dispersion under disk rotation was then analyzed by observing a grinding operation with no movement of the grinding tool. By using particles released from a salt solution (NaCl), these simulations enabled the researchers to understand the effect of rotation on the dispersion of aerosols around the wheel, according to grain size and rotation speed. Ultrafine particle dispersion analysis shows that these particles are highly concentrated in the entire measured area, regardless of distance from the grinder.

Based on these simulations, three at-source reduction concepts were analyzed to determine their suitability for polishing operations. The concepts were as follows: (1) ventilation, (2) crankcase ventilation, 3) ventilation built into the disk. This analysis made it possible to determine the efficacy of these three concepts according to the ventilation parameters. At the same time, the behaviour of the particles was compared to that of a trace gas. Trace gas is an interesting technique for predicting dust behaviour and ventilation efficiency in a work space. The suction crankcase and the suction slots built into the disk provide an effective means of removing polishing dust.

To conclude, this study has yielded greater understanding of the mechanisms underlying the releasing and dispersal of particles from the wet or dry grinding of granite. The aim is to control the behaviour of fine and ultrafine dust, both through industrial processes and through workspace ventilation.

ISBN

9782897970628

Mots-clés

Silice cristalline, Crystalline silica, Granit, Granite, Poussière respirable, Respirable dust, Limitation de l'exposition, Limitation of exposure, Produit de polissage, Polishing agent, Polisseuse, Polishing machine, Taille de la pierre, Stone dressing, Dosage dans l'air, Determination in air, Détermination de la répartition granulométrique, Size distribution determination, Évaluation de l'exposition, Exposure evaluation, Méthode de travail et sécurité, Safe working method, Détermination expérimentale, Experimental determination, Suppression des poussières à la source, Dust suppression at source, Aspiration localisée, Local exhaust, Recommandation, Directive, Description de procédé, Process description, Québec

Numéro de projet IRSST

2010-0058

Numéro de publication IRSST

R-1054

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