焊接煙塵污染及凈化過(guò)濾技術(shù)

一、概述

焊接是利用電能加熱，促使被焊接金屬局部達(dá)到液態(tài)或接近液態(tài)，而使之結(jié)合形成牢固的不可拆卸接頭的工藝方法，它是極為常見(jiàn)的機(jī)械工藝方法。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的污染種類多、危害大，能導(dǎo)致多種職業(yè)病(如焊工硅肺、錳中毒、電光性眼炎等)的發(fā)生，已成為一大環(huán)境公害。隨著國(guó)家對(duì)產(chǎn)業(yè)環(huán)境衛(wèi)生的要求越來(lái)越嚴(yán)，焊接煙塵的治理越來(lái)越被人們重視，其相應(yīng)的治理技術(shù)日趨完善，焊接污染慢慢得到相對(duì)有效的控制。本文是根據(jù)我國(guó)焊接車間具體情況，結(jié)合唐納森公司在焊接煙塵治理的經(jīng)驗(yàn)，從焊接污染的形成、特點(diǎn)及危害進(jìn)手，提出切實(shí)可行的防治對(duì)策。

二、焊接過(guò)程中的有害煙塵

焊接煙塵是由金屬及非金屬物質(zhì)在過(guò)熱條件下產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)氧化和冷凝而形成的。因此電焊煙塵的化學(xué)成分，取決于焊接材料(焊絲、焊條、焊劑等)和被焊接材料成分及其蒸發(fā)的難易。不同成分的焊接材料和被焊接材料，住施焊時(shí)將產(chǎn)生不同成分的焊接煙塵(見(jiàn)表1)。

焊接煙塵的特點(diǎn)有：

(1)焊接煙塵粒徑小  煙塵呈碎片狀，粒徑為0.38μm左右。

(2)焊接煙塵的粘性大隨著溫度和濕度的變化在空中飄浮。通常在焊接操縱過(guò)程中，焊接煙塵飄浮在闊別車問(wèn)地面高3～5m之間。

(3)焊接煙塵的溫度較高  通過(guò)空氣和排風(fēng)管道的稀釋為40～55℃。

(4)焊接過(guò)程的發(fā)塵最較大  一股來(lái)說(shuō)，1個(gè)焊工操縱一天所產(chǎn)生的煙塵量約60～150g。幾種焊接方法施焊時(shí)每分鐘的發(fā)塵量和熔化每千克焊接材料的發(fā)塵量(見(jiàn)表2)。

三、焊接煙塵的危害

焊接工人天天都要在環(huán)境惡劣的焊接場(chǎng)所工作，接觸焊接煙塵和粉塵，都有吸人有害煙霧的風(fēng)險(xiǎn)，可引起腦部和精神受損、皮膚炎癥、呼吸系統(tǒng)疾病、肝臟和腎臟病癥甚至癌癥等。以下是焊接工人在施焊過(guò)程中，產(chǎn)生的各種污染物對(duì)人體危害(見(jiàn)表3)。

在過(guò)往的十幾年里，各企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)熟悉到以上污染物的危害性，并改善工作環(huán)境的措施，以解決工人們面臨的工作環(huán)境健康的危害，財(cái)務(wù)和健康保險(xiǎn)等支出變得越來(lái)越大。但采取這些措施又可以節(jié)省本錢，增加工作者的生產(chǎn)力，減少工人生病的時(shí)間，控制保健本錢。這些措施還催生了新一代可降低風(fēng)險(xiǎn)并保障工作者健康的更安全的配有煙塵凈化設(shè)備安全培訓(xùn)和作業(yè)方法。

除了企業(yè)內(nèi)部的變化，社會(huì)外部氣力對(duì)促成企業(yè)煙塵凈化的投進(jìn)新格式也起到了一定的作用。如國(guó)家在新建項(xiàng)目必須對(duì)焊接污染源進(jìn)行治理，為此，國(guó)家對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境制訂了專門安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。如我國(guó)《產(chǎn)業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(TJ 36—1979)中的錳及其化合物(換算成MnO2)最高容許濃度為0.2mg/m3。是泛指高毒性錳塵。我國(guó)頒布的《車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16194—1996)規(guī)定車間空氣中最高容許濃度為6mg/m3。在企業(yè)上ISO1400標(biāo)準(zhǔn)就是涉及產(chǎn)業(yè)衛(wèi)生環(huán)境的新標(biāo)準(zhǔn)(綠色焊接的提出)。但是在焊接生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，其焊接工藝是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，尤其是焊接零件外形千變?nèi)f化，為了把作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)煙塵徹底解決，這對(duì)焊接工藝提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)操縱者的操縱習(xí)慣也提出了更高要求。

四、焊接煙塵的防護(hù)措施

針對(duì)焊接過(guò)程中有害煙塵的防護(hù)方法，目前最常用的方法是將有害煙塵隨車間軸流風(fēng)機(jī)自然排出(見(jiàn)表4)和采用凈化設(shè)備過(guò)濾排出。目前，在煙塵產(chǎn)生的位置最近的地方采取局部抽出過(guò)濾是最有效的方法。焊接煙塵過(guò)濾方式有旋風(fēng)分離、袋式、靜電式及濾筒式，其中最常用的主要有靜電式和濾筒式兩種(見(jiàn)表5)。

然而在選擇凈化系統(tǒng)過(guò)程中，由于工件不同而處理風(fēng)量不一樣，有些過(guò)濾設(shè)備在沒(méi)計(jì)時(shí)考慮到了焊接作業(yè)的特點(diǎn)，在吸風(fēng)罩做成不同的設(shè)計(jì)，省往操縱職員的麻煩，可進(jìn)步工效。目前在選擇過(guò)濾器時(shí)有三個(gè)誤區(qū)：

(1)只留意標(biāo)定的過(guò)濾效率，忽視實(shí)際過(guò)濾效果。由于焊接煙塵的顆粒非常小，通常在1μm以下，所以必須了解所選過(guò)濾排放標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法中使用的是什么樣的顆粒物?？茖W(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，0.3μm的顆粒物是各種一般普通過(guò)濾材料最不易過(guò)濾的粒徑，所以國(guó)外普遍用這種粒徑的顆粒物檢測(cè)過(guò)濾器和濾料的過(guò)濾效率，假如效率能達(dá)到95％，那么過(guò)濾無(wú)論大于還是小于0.3(0.5)μm的顆粒物，其效率必然在95％(99.999％)以上。由于我國(guó)目前在強(qiáng)制執(zhí)行的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中(LD29—1992)還沒(méi)有使用這種粒徑的顆粒物，所檢測(cè)的過(guò)濾器的標(biāo)定過(guò)濾效率并不能代表過(guò)濾焊接煙塵的實(shí)際過(guò)濾效率。

(2)只留意過(guò)濾效率高低，忽視過(guò)濾器的密封性。假如設(shè)備制造簡(jiǎn)陋，因而造成不密封，有害物質(zhì)(粉塵或氣體)會(huì)從泄漏處直接排放在工作現(xiàn)場(chǎng)及室外，這樣過(guò)濾效率再高的濾料也不會(huì)起作用。

(3)以為作業(yè)場(chǎng)所已經(jīng)設(shè)置了排風(fēng)裝置，把有害氣體和煙塵排放到室外就可以而不需要任何保護(hù)。由于焊接作業(yè)的特點(diǎn)，即使焊接煙塵可以被排風(fēng)設(shè)備排走，也僅僅只能避免有害物的擴(kuò)散，降低環(huán)境濃度。但在排放到室外后，會(huì)隨著空氣流進(jìn)進(jìn)室內(nèi)污染工作現(xiàn)場(chǎng)或造成大氣層污染，所以焊接所產(chǎn)生的煙塵及有毒氣體必須在排放之前進(jìn)行凈化處理。

五、唐納森的凈化思想和理念

唐納森公司是全球最大的過(guò)濾設(shè)備專業(yè)制造商之一，具有近百年的歷史。其過(guò)濾產(chǎn)品種類豐富，擁有過(guò)濾材料和設(shè)備的眾多專利，其煙塵過(guò)濾產(chǎn)品種齊全，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)焊接領(lǐng)域。唐納森能夠取得今天的成就，主要是其凈化產(chǎn)品的過(guò)濾原理、材料及設(shè)備結(jié)構(gòu)與眾不同。

1.唐納森Ultra-Web FR過(guò)濾材料及表面過(guò)濾技術(shù)

Ultra-Web FR過(guò)濾材料及表面過(guò)濾技術(shù)是技術(shù)上的重大突破，能在較低本錢下提供更清潔的空氣。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，是Ultra-Web FR濾材應(yīng)用在托里特Torit設(shè)備上具有高效的除塵性能。Ultra-Web FR濾材(見(jiàn)圖1)可在亞微米細(xì)?？赡軡B透濾材內(nèi)表面之前被阻擋在外，且由Ultra-Web FR表面收集的顆粒，很輕易在除塵器清灰過(guò)程中被帶出。

唐納森過(guò)濾器是一種自動(dòng)清灰的過(guò)濾器，它在收集業(yè)微米細(xì)粒時(shí)能保證連續(xù)的高過(guò)濾效率，而不會(huì)過(guò)早堵塞濾芯。這就要求革新的濾材在過(guò)濾中能迅速形成塵餅，在清灰循環(huán)時(shí)又易于清理。

由于塵粒進(jìn)人濾芯之前已被有滲透性的塵餅阻擋，因此該塵餅進(jìn)步了過(guò)濾效率。塵餅的形成會(huì)減少氣流，因此必須通過(guò)集塵清灰系統(tǒng)清理。

舊式濾材(棉布、聚酯、傳統(tǒng)的纖維素等)纖維間隙為12～60μm(見(jiàn)圖2a)，當(dāng)塵粒穿過(guò)這些空隙后，其過(guò)濾效率會(huì)降低，因進(jìn)進(jìn)濾材內(nèi)的塵粒阻塞了過(guò)濾元件。當(dāng)阻塞情況繼續(xù)惡化，而在清灰循環(huán)的過(guò)程中又未能有效將阻塞的粉塵吹清，結(jié)果過(guò)濾元件的風(fēng)阻便會(huì)穩(wěn)定上升，將除塵系統(tǒng)的氣流量降低。若一旦發(fā)現(xiàn)過(guò)濾元件的氣流流量降低到不足夠時(shí)，便要更換過(guò)濾元件。

而Ultra-Web FR解決了這個(gè)題目Ultra-Web FR濾材(見(jiàn)圖2b)有一層亞做米級(jí)直徑的纖維粘貼在基料上。其極微小的篩孔可阻擋大部分亞微米級(jí)顆粒在Ultra-Web FR濾材的表面上，該纖維間的間隙只有底層纖維的1/100。因此，幾乎所有的顆粒都被集在該濾材的表面，因而使?jié)B透底層的顆粒減少至最低限。表面負(fù)載(顆粒在Ultra-Web FR表面迅速積累)幫助形成了可滲透性的擋塵餅，因此可保持相當(dāng)高的過(guò)濾效率。在相同的操縱條件下，Ultra-Web FR濾材的初期過(guò)濾效率大于一般的濾材10倍。在除塵器的清灰循環(huán)中，表面負(fù)載可消除過(guò)早的濾芯堵塞，并促進(jìn)了掃除塵餅。

2.唐納森濾筒式過(guò)濾器及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

過(guò)濾器選用的濾材是唐納森公司于1983年發(fā)明的以濾簡(jiǎn)為過(guò)濾元件的濾材，它在一股濾材表面貼一層亞微米級(jí)粒徑的特殊纖微材料。其非常微小孔可阻擋大部分亞微米級(jí)顆粒在特殊濾材表面上，從而形成可滲透性的擋塵餅，由此可保持相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)濾效率。對(duì)于0.1～0.5μm粉塵顆粒，排放達(dá)99.999％，便于細(xì)小顆粒凈化。其過(guò)濾器利用煙塵下沉特性，機(jī)體沒(méi)汁為沉流式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，其內(nèi)部所有零部件嚴(yán)格按氣流運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)研究試驗(yàn)，使其沒(méi)備在保證處理風(fēng)量下，運(yùn)行阻力為最小。更換除塵濾筒時(shí)，只需在潔凈空氣室操縱，無(wú)需進(jìn)進(jìn)塵室，保障安全。一人維修概念，充分利用人力資源及減少維修本錢。每部除塵器之設(shè)計(jì)均可獨(dú)立操縱，當(dāng)其中一部需要維修時(shí)，不會(huì)影響其他機(jī)組操縱。

3.唐納森用在焊接煙塵過(guò)濾的產(chǎn)品

(1)EASY-TRUNK移動(dòng)式煙塵過(guò)濾器緊湊的結(jié)構(gòu)，濾筒、風(fēng)機(jī)和自動(dòng)清灰集于一體，配以萬(wàn)向固定吸氣手臂，在吸煙塵時(shí)，利于焊接工人在任意位置焊接，并方便地移動(dòng)至任何工作點(diǎn)。3只阻燃性的Ultra-Web濾筒完全保證潔凈空氣的回送，最適用于小批量及間接焊接工作的需要。

(2)DFO1-l/2-2/3-3移動(dòng)式過(guò)濾器  緊湊的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單而又公道的風(fēng)機(jī)、除塵和卸灰集于一身，方便地移動(dòng)至任何工作點(diǎn)。與EASY-TRUNK移動(dòng)式除塵器相比，其風(fēng)量和靜壓都高，并可根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行選擇，從而特別適用于單工位焊接和打磨工作的需要。

(3)DFO系列沉流式中心集中過(guò)濾器DFO沉流式過(guò)濾器由模塊組合，它主要用在多點(diǎn)焊接工位抽風(fēng)除塵和大型的焊接生產(chǎn)線，以及價(jià)值珍貴(相比普通焊機(jī)而言)的焊接機(jī)器人上所產(chǎn)生的煙塵和粉塵收集處理，采用公道的管道分布將不同煙塵點(diǎn)集中于DF式除塵器中予以集中除塵解決。

應(yīng)該夸大的是，唐納森任何一種煙塵過(guò)濾器，其心臟部件均帶有阻燃功能的Ultra-Web FR濾筒，是由唐納森公司集數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)開發(fā)而成的。該種濾筒對(duì)0．1～0.5μm的微粒過(guò)濾效率達(dá)到99.999％，完全適用于焊接煙塵小而細(xì)的特點(diǎn)，同時(shí)表面所涂的特殊材料使火星噴濺到表面升溫燃燒的時(shí)間延長(zhǎng)很多，故有阻燃之功能，且表面所涂的特殊材料可使煙塵形成塵餅，以吸附部分有毒氣體。

以上特點(diǎn)，是唐納森公司除塵器用于煙塵方面收集處理的上風(fēng)。

六、結(jié)語(yǔ)

焊接車間的煙塵污染源及種類多，應(yīng)從污染源、傳播途徑、個(gè)人防護(hù)等三個(gè)方面進(jìn)行綜合治理。煙塵的治理應(yīng)結(jié)合車間工藝布置、設(shè)備情況和焊接操縱工的焊接習(xí)慣等情況制定方案，不能脫離實(shí)際，影響正常的生產(chǎn)操縱。治理方案的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各種污染的治理方式，在保證處理效果的條件下，設(shè)汁采用高效凈化設(shè)備，從而達(dá)到減少場(chǎng)地占用、節(jié)約投資和節(jié)約能源的目的。為此，在凈化方案設(shè)計(jì)選型過(guò)程中應(yīng)考慮以下幾方面的因素：

(1)吸塵罩  按不同的工藝要求和煙塵種類及其特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用唐納森設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)管道  按煙特性及其流速進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用唐納森專有軟件計(jì)算出參數(shù)。

(3)過(guò)濾器  按煙塵特性及其流速設(shè)計(jì)出吸塵罩大小，定出風(fēng)量，選擇除塵器的濾材和處理風(fēng)量(系統(tǒng)的關(guān)鍵)。

(4)風(fēng)機(jī)  根據(jù)吸塵罩和管道除塵器的壓力損失和除塵器的處理風(fēng)量選擇風(fēng)機(jī)。

總之，除塵系統(tǒng)之問(wèn)的吸塵罩、管道、除塵器及風(fēng)機(jī)每一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，都將影響除塵效果。系統(tǒng)捕捉效果的好壞與粉塵特性和罩口及管路走向有關(guān)系，聽(tīng)系統(tǒng)運(yùn)行使用的好壞與濾材和除塵器結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。