焊接車間電焊煙塵凈化技術研究
摘要：本文首先介紹了電焊煙塵的產生及污染特性、焊接車間現場焊接煙塵的污染檢測 數據，以及焊接煙塵的衛(wèi)生控制標準；然后介紹了焊接煙塵的三級過濾凈化技術和國內同類技術的研究成果；提出了應不斷完善現有焊接煙塵凈化技術的想法，以此 希望我國的焊接煙塵凈化工作能夠廣泛實施。
1.概述
焊接工藝在機械、建筑、鐵路、汽車、造船、航空等生產中占有極其重要的地位，目前世界上焊接 構件的重量幾乎占鋼材總產量的一半。電弧焊是目前應用最普通的一種焊接方法。在施焊時，焊條、焊件和藥皮在電弧高溫下，發(fā)生蒸發(fā)、凝結和氣化，產生大量的 煙塵和氣體，污染車間的作業(yè)環(huán)境，危及人們的身體健康。如手工電焊工人易患神經衰弱、頭痛、頭暈、疲倦無力、失眠、關節(jié)痛等疾病，咽喉痛的發(fā)病率也相當 高，少數電焊工人還患有肝臟腫大和塵肺病。在國際上，各國的勞動安全衛(wèi)生部門和環(huán)境保護部門都把焊接煙塵的污染問題，作為焊接作業(yè)的勞動安全和環(huán)境保護的 重要內容考慮，并且制定了嚴格的規(guī)定。還制造出多種規(guī)格的焊接煙塵凈化設備，從凈化機理來看，有過濾式、靜電式和吸附式等，其凈化總效率達到 99.97∽99.999%.我國對于焊接煙塵的治理,以前大都采用全面換氣的方式,設置排煙罩進行排煙;這種方式能將一部分煙塵排至室外,但排煙效果并 不明顯,在大部分工人操作地帶的煙塵濃度都遠遠超過允許值,特別是在一些封閉的和半開放的設備中進行作業(yè)時情況更為嚴重.另外,由于車間的排風量大,在北 方地區(qū),采暖季節(jié)必然會使大量的熱量排至室外,造成大量熱損失.還有所排出的煙塵沒有進行凈化處理,造成車間及廠區(qū)周圍的大氣污染.在進入21世紀的今 天,關心焊接煙塵的污染,越來越引起人們的重視.
2.焊接煙塵特性
2.1 焊接煙塵產生
焊接煙塵的產生過程，是在高溫電弧情況下，焊條端部及其母材相應被熔化,熔液表面劇烈噴射由藥皮及焊芯產生的高溫高壓蒸汽（蒸汽壓達 0.5-100mmHg）并向四周擴散,當蒸汽進入周圍的空氣中時,被冷卻并氧化,部分凝聚成固體微粒,這種由氣體和固體微粒組成的混合物,就是所謂的焊 件煙塵.藥皮和焊芯的塵化比例相等,約為0.2-3%,母材的塵化率在1%以下.
2.2焊接煙塵顆粒的形狀和粒度分布
焊接煙塵由0.1μm左右的球狀顆粒集聚而成,而且這些球狀顆粒物在空氣中浮游,常會集聚成 互相連鎖的樹枝壯微粒,一般非低氫型焊條較多, 氫型焊條好些,CO2氣體保護焊有比非氫型焊條更加明顯的鎖鏈狀.鈦鐵礦型焊條的煙塵粒度很細，一般小于1微米的塵粒占50%以上（重量百分比）。表1、 表2列出的是鈦鐵礦型焊條和低氫型焊條產生的粉塵粒度分布情況。
鈦鐵礦型焊條的焊接煙塵粒度分布 表1
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低氫型焊條的焊接煙塵粒度分布 表2
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2.3 焊接煙塵的物理化學成分
焊接煙塵是一種十分復雜的物質,已在煙塵中發(fā)現的元素多達20種以上,曾對幾種焊條煙塵進行 化學分析,其結果見表3所示. 焊接煙塵不僅化學元素種類繁多,就含量而言，氧化鐵一般占煙塵總量的35~56%，其次是氧化硅，其含量占10~20%，氧化錳占5~20%左右;對幾種 焊條煙塵的化學成分進行分析的結果見表4所示。
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國產幾種焊條煙塵化學元素分析表 表3
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幾種焊接煙塵的化學成分（%） 表4
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3.焊接作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標準及環(huán)境現狀
3.1焊接煙塵容許濃度
世界各國對控制焊接煙塵都十分重視,規(guī)定了焊接工作區(qū)煙塵的容許濃度及其檢測方法,如日本的《JISZ3930》,就是日本焊接協會焊條分會制訂的《電弧 焊焊條的總粉塵測試方法》.很多國家采用的煙塵允許濃度標準是TLV或MAK公布的數值,(TLV是美國ACGIH發(fā)布的,MAK是德國發(fā)布的).早在 1974年國際焊接學會第八分會就按焊條的種類提出了焊接煙塵的允許濃度,表5所示為幾個組織公布的焊件煙塵允許濃度.
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幾個國際組織公布的焊件煙塵允許濃度值 表5
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我國的[車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標準](GB16194-1996) 中規(guī)定：車間空氣中電焊煙塵最高容許濃度為6 mg/m3;另外在[工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準](TJ36-79) 中規(guī)定:氧化錳為0.2 mg/m3.一般粉塵為10 mg/m3.氟化物為1 mg/m3.
3.2焊接作業(yè)環(huán)境現狀
我國以前不少企業(yè)的焊接工藝，機械化程度不高，仍是手工電弧焊和半自動焊，工位移動工件不 動，使得煙塵產生點不斷變化，給車間設置排煙凈化裝置造成一定困難，加上過去重視程度不夠，所以許多焊接工藝操作沒有排煙凈化裝置，產生的煙塵全部散在室 內，造成車間煙霧彌漫，可見度低，有些工廠的吊車工人都無法操作。從某些工廠測定的資料來看，其電焊作業(yè)環(huán)境中有害物質遠遠超過了國家的衛(wèi)生標準，少者幾 倍，多者幾十倍、幾百倍。表6所示為幾組車間現場焊件煙塵測定的最高濃度。
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幾組車間現場焊件煙塵的最高濃度值表6
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從此可知,我國焊接作業(yè)區(qū)的有害氣體污染是比較嚴重的,焊接工人的健康受到很大的威脅,必須引起高度的重視,采取有力措施,使焊件煙塵得以凈化,同時滿足勞動保護和環(huán)境保護的要求.
但是，近年來，隨著焊接工藝和設備的改善，尤其是一些自動化程度很高的焊接機器人的采用，與此相配套的焊接煙塵的凈化設備也得到了長足的發(fā)展。
4.焊接煙塵的凈化技術研究與開發(fā)
4.1焊接煙塵的收集
為了達到改善焊接作業(yè)環(huán)境和防止大氣污染,就要把施焊過程中產生的煙塵收集起來,不讓其擴散到車間室內.目前收集焊接煙塵的方式有以下兩種:
(1)局部抽風:在固定焊接作業(yè)點的側面或頂部設排煙罩,利用風機的力量,就地把煙塵抽走,達到改善室內環(huán)境的目的,這種辦法風量省,效果好,節(jié)約能量.
(2)全面換氣:大多數的情況是工位移動,工件不動,煙塵產生點不斷變化,無法用局部排煙罩收集煙氣,這時為了使車間室內保持一定的清潔度,就需采用全面換氣的 辦法,車間換氣次數按有關規(guī)定進行.一般在車間一定的高度上,被認為是煙氣最密聚的區(qū)域內,設置全面換氣罩;也有的采用一邊吹一邊吸的方式,使車間上部一 定高度上形成一道氣幕,把上升的煙氣鎖住,并推趕至排煙罩,達到排除煙氣的目的.全面換氣與局部排風法相比,風量大,排煙效果差,能耗大,特別是在冬季采 暖的地區(qū),為了補充排風熱損失,需要消耗大量的能量,因此全面換氣應該按具體情況進行分析后合理采用.
4.2焊接煙塵凈化技術的開發(fā)
4.2.1焊接煙塵凈化技術原理
焊接煙塵的粒度很細,煙塵的粒徑為0.01-5μm;因此,用一般除塵方法來處理焊接煙塵效果很差.
4.2.2 焊接煙塵凈化設備情況介紹
近年來，由于國家對環(huán)境保護和勞動保護的重視，通過消化引進國外技術，促進了我國焊接煙塵治理技術的開發(fā)和發(fā)展，并取得了較好的成效，F就有關情況介紹如下：
（1）某單位研制了三級過濾式焊接煙塵凈化機組，濾材采用美國戈爾公司的絕對過濾材料，對焊件煙塵的凈化效果可以達到98%以上。
（2）某研究所曾對北汽引進的美國Berhala公司生產的真空式焊件煙塵凈化機組進行了測繪，該機組抽氣、過濾、手把三部分組成，真空泵進口840mmH2O。
（3）機械部設計總院同北京工程機械廠，引進瑞典、丹麥技術，研制出TWFF—210，SWFF—1000型兩種焊件煙塵凈化機組。
TWFF—210機組技術性能:風量為210m3/h，風壓為500 mmH2O;風機最大真空度:大于1650 mmH2O。軟管：φ50mm的4m，φ25mm的2m。粉塵凈化效率： 96.7%.一級過濾器:銅絲網.二級過濾器:中效濾料,面積為0.8m2, H=9.7mmH2O.三級過濾器:高中效濾料,面積為0.8 m2, H=9.7mmH2O. 四級氣體凈化器：活性吸附劑。噪聲：小于67dB（A聲級）。電機：12000rpm，0.9kw,220v.外形尺寸:440x440x870mm.重 量:46kg(包括過濾器).
SWFF-1000型機組技術性能:風量為1000m3/h.風壓:143 mmH2O.自衡管: d=150mm,最大回轉半徑3000mm.凈化效率: 98.7%.一級過濾器:銅絲網.二級過濾器:中效濾料,面積為2.5 m2, H=2.0mmH2O.三級過濾器:高中效濾料,面積為2.5 m2, H=9.3mmH2O.噪聲：小于65dB（A聲級）。電機：2300rpm，1.1kw,380v.外形尺寸:630x630x1500mm.重 量:170kg(包括過濾器).
(4)船舶工業(yè)總公司第九設計院研制了一種狹小艙室用焊接煙塵凈化器,由36v離心風機,208滌綸絨布濾袋,D40mm煙氣軟管和帶永久磁鐵的排氣罩等組成, 其主要技術規(guī)格如下:風量為340 m3/h.風壓為120 mmH2O.凈化效率:90~97%.濾袋過濾面積為0.8m2.電機功率為170w.電機轉速為7000rpm.噪聲小于83dB（A聲級）.外形尺 寸:240x230x240mm.重量:4.7kg(包括過濾器).
(5)機械部四院等研制了一種LH—600型焊接煙塵凈化機組其主要技術性能如下：風量:300~900 m3/h.風壓:100~60 mmH2O.凈化效率:99.9%.電機功率: 0.8kw.噪聲小于80dB（A聲級）.外形尺寸: LH1—600型為550x450x880mm;LH2—600型為550x450x1180mm. 重量:LH1—600型 85kg,LH2—600型81kg.
(6) 機械部四院還消化德國某公司的技術,研制了一種ELF型靜電凈化機組,可以除油霧、煙霧，對粒徑為0.01~100μm的微粒的凈化效率可達96%.其主 要技術性能如下:處理風量: 400~1200 m3/h.機組耗電量:0.55kw,其中電除塵120w.除塵器阻力:8~12 mmH2O.電離電壓: 13kv.集塵電壓: 6.5kv.外型尺寸: 750x500x510mm.重量: 78kg.
(7)國外焊件煙塵凈化設備情況簡介:
①用于狹窄的焊接場地，象船舶、化工機械、建筑機械等，能有效地排除填角焊縫產生的粉塵，自 動走行吸塵裝置。分面壁四周走行型和壁面懸架走行型兩種。國外有的裝置把罩子和走行裝置連接再一起，并固定在走行臺上，在走行臺上裝有光點管，光電管接收 到焊弧的光時，產生電流和微小電壓，再有增壓器升壓，該電壓輸給走行臺車電機和吸風扇電機，一邊抽吸粉塵一邊自動移動臺車。
②另外一種小型焊接煙塵凈化裝置的結構是：可伸縮、旋轉
起倒的罩子、捕集粉塵的袋子，連接罩子和集塵袋的軟管，過濾粉塵、飛濺火花的過濾器等。罩子的吸口是月牙形，可充分地吸入粉塵，由可很好地觀察焊縫。罩子輕而小，在吸氣口的中央，裝有隔板，氣流得到均勻分布。
③半自動焊接用吸塵器，它是和半自動電弧接接機組組合使用的小型吸塵器。在焊搶上裝有一個吸 塵咀，靠焊搶前端吸引粉塵，由高性能的過濾器過濾。吸塵效率達85%，除塵效率達95%以上；過濾器是盒式的，容易維修，吸塵咀小而輕，操作時不感疲勞。 吸塵的動力是自冷式電機，可連續(xù)運轉，最大真空度1700mmH2O，功率1kw。
④適合用于半自動、自動焊機的吸塵器，在焊槍的前端有吸入咀，整體小型輕量，便于移動，有一次、二次過濾分離結構，能捕集0.1~10μm的粉塵,功率3.7kw.
⑤捕集焊接油塵專用集塵裝置,如果焊接母材上沾有沖壓油,防銹油等,焊接時產生粉塵以外,還 產生油霧,其發(fā)生量根據焊條的粗細和母材上沾有油量的多少而不同,平均是100mg/m3.用一般的除塵器會產生網眼堵塞、吸塵風量降低，難于清洗，并易 造成火災。該裝置是把油塵和粉塵分開捕集，第一級用長纖維過濾捕油器，第二級用袋式除塵器捕集粉塵，真空度350 mmH2O，風量12m3/min，功率2.2kw。
（8） 關于焊接煙塵中有害氣體的凈化
目前對焊接煙塵中有害氣體的凈化主要采用物理和化學吸附的方法,所用吸附材料有：活性炭、活性炭纖維、以及其他固體吸附劑，
也有用液體吸收劑的，但是，吸附材料和過濾材料在焊接煙塵凈化機組中的組合方式，需按具體情況進行工程設計和凈化設備設計，使其處于最佳的結合狀態(tài)。
5.結語
近年來，國內都外重視改善焊接作業(yè)環(huán)境，尤其重視焊接煙塵的問題，焊接煙塵成分復雜，除了以 上所述之外，有些還需進一步研究。今后需進一步就焊接煙塵凈化設備的具體參數，進行試驗，同時結合目前焊接技術的發(fā)展,新工藝、新材料、如傳感器、機械 手、氣動、控制元件的采用，使所開發(fā)的焊接煙塵凈化裝置能夠較好的用在生產實際當中。由于焊接技術本身的發(fā)展,如惰性氣體保護焊的普遍推廣,含有各種合金 元素的高強度焊件材料和被焊材料的使用,在焊接過程中產生的煙塵成分更加復雜,有害元素、有害氣體的產生機會更多，這對焊件煙塵的凈化技術提出了更高的要求。
參考文獻：略
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