（环境工程专业论文）脉冲电晕等离子体就地净化焊接烟尘装置的研制.pdf

苏大学硕士学位论文 摘要 现代工业生产过程中广泛应用电弧焊来焊接金属，在电焊作业过程中会产 生大量的焊接烟尘和有害气体等，严重影响了焊接工人的健康，它们已成为污 染环境的公害之一。等离子体技术作为二十一世纪环境科学中关键技术之一， 在治理污染、保护人民健康中起到了积极的作用。该文就是把电晕等离子体净 化污染物的基本原理与焊接烟尘和有害气体控制结合起来，从而达到就地净化 的目的。 在进行装置研制的过程中，首先根据对烟尘的净化效率的理论分析。确定 了影响焊接烟尘净化效率的主要因素是电晕电流，而电晕电极的形状、材料及 几何参数对电晕电流有很大影响，所以分别对采用不同材料、不同直径、不同 电极针数、不同针板间距的电极进行电晕放电伏安特性试验，在此基础上对电 极进行了优化设计。 在设计等离子体电源时，采用了具有零电压开通、零电压关断的谐振逆变 技术设计了一套逆变电路，将2 2 0 v 工频交流电变换成频率为2 0 k i - - i z 的高频交 流电，然后采用自行设计的高频变压器对其高频升压并进行脉动倍压整流，就 可得到产生等离子体所需的脉冲直流高压电。然后对该电源和电极进行了封装 和装配，完成了脉冲电晕等离予体就地净化焊接烟尘和有害气体装置的研制。 最后，在不同电晕放电电压和不同针板间距下，对该净化装置的烟尘和焊 接有害气体的净化效果进行了实验研究，然后在此基础上采用了灰色关联分析 方法对实验数据进行了参数优化。确定了在电晕放电电压为3 0 k v 、针板间距为 4 0 n m a 时，该净化装置具有最好的综合净化效果。在该工作条件下，焊接烟尘 的净化效率达到9 73 ，臭氧在净化后的浓度增加率为7 7 3 氮氧化物的净 化效率为9 4 5 ，一氧化碳的净化效率为6 8 1 ，净化后的焊接烟尘和有害气 体浓度都远低于国家劳动卫生部门规定的车间空气的容许浓度标准。同时通过 金相组织分析证明该装置在净化烟尘的同时不会对焊接质量产生影响。 与传统的通风除尘方法相比，该净化装置能耗低，结构简单，使用方便， 可节省吸尘罩、风管和风机等设备，减少了设备投资和占地，而且又无二次污 染，具有较好的推广价值。 江苏大学硕士学位论文 关键词：电晕等离子体焊接烟尘焊接有害气体电极高压脉冲直流电源 灰色关联分析 扛苏大学预士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n gi sw i d e l yu s e dt ow e l dm e t a li nt h em o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 。b u t w e l d i n go p e r a t i o n sg e n e r a t eag r e a tl o to fw e l d i n gs o o ta n dh a r m f i z lg a s e s ，w h i c h b a d l yh a r mw e l d i n gw o r k e r s h e a l t h , a n dh a v eb e e no n eo fs o c i a le f f e c t so f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n a 3o n eo fk e yt e c h n o l o g i e so fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ei n 2 1 t hc e n t u r y , p l a s m at e c h n o l o g yh a sm a d ei t sp o s i t i v er o l e si np o l l u t i o nc o n t r o la n d p r o t e c t i o no f p e o p l e sh e a l t h i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rc o m b i n e sb a s i cf u n d a m e n t a l s o f p o l l u t a n tp u r i f i c a t i o n si np l a s m at e c h n o l o g yw i t hc o n t r o l l i n go f w e l d i n gs o o ta n d h a m a f u l g a s e s ，a n ds op u r i f i e sw e l d i n gs o o ta n d h a r m f u l g a s e sr i g h to nt h es p o t i nt h ec o u r s eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h i sd e v i c e ，t h i sp a p e r p r o v e st h a tc o r o n a c u r r e n ti st h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ep u r i f y i n ge f f i c i e n c yo fw e l d i n gs o o t a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s i sf i r s t l y t h e nt h es h a p e ，m a t e r i a la n dg e o m e t r i c a l p a r a m e t e ro fc o r o n ae l e c t r o d ec a ni n f l u e n c ec o r o n ac u r r e n tl a r g e l y , s oe x p e r i m e n t s a b o u tg o r o n ad i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n d u c t e dw i t hd i f f e r e n t m a t e r i a l s ， d i a m e t e r , n u m b e ro fe l e c t r o d e ，a n ds p a c e so fn e e d l e - p l a t e t h e nt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no f e l e c t r o d ei sc o m m i t t e da c c o r d i n gt ot h e s ee x p e r i m e n t s r e s o n a n tc o n v e r t i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a na c h i e v et h ez e r o - v o l m g es w i t c h i n g a n dz e r o c u r r e n ts w i t c h i n gi su s e dt oc o n v e r t2 2 0 vp o w e r 行e q u e n c ya ct o2 0k h z l l i g h 丘e q u e n c ya cw h e nt h ep o w e ri sd e s i g n e d ，a n di t sv o l t a g ei si n c r e a s e db yh i g h 丘e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n dv o l t a g e - d o u b l e rr e c t i f i e rc i r c u i tf u r t h e r | t h e nt h ep u l s e d h i g hv o l t a g ep o w e rc a nb cg a i n e dw h i c hi su s e dt og e n e r a t ep l a s m a t h e nt h e d e v e l o p m e n to f p u d f y i n gd e v i c ef o rt h ew e l d i n gs o o ta n dh a r m f u lg a s e sw i t hp u l s e d c o r o n ap l a s m ao nt h es p o ti sf i n i s h e da f t e rt h ep o w e ra n de l e c t r o d ea r ep a c k a g e da n d a s s e m b l e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t sa b o u tt h ep u r i f y i n ge f f i c i e n c yo f w e l d i n gs o o ta n dh a n n f i l l g a s e sa r ec o n d u c t e di nd i f f e r e n tc o r o n av o l t a g ea n dd i f f e r e n ts p a c e so fn e e d l e p l a t e ， t h e ni ti sc o n f i r m e dt h a tt h i sd e v i c eh a st h em o s ts y n t h e t i c a lp u r i f y i n ge f f e c tw h e n i t sc o r o n av o l t a g ei s3 0 k va n di t ss p a c eo fn e e d l e - p l a t ei s4 0 m ma c c o r d i n gt ot h e o p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft h e s ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i t hg r e yi n c i d e n c ea n a l y s i s i n t h i sc o n d i t i o n ，t h ep u r i f y i n ge f f i c i e n c yo fw e l d i n gs o o tc a nb e9 7 3 a n dt h a to f n o xc a nb e9 4 5 ，a n dt h a to fc oc a nb e6 8 1 ，a n dt h ei n c r e a s eo fo a c o n c e n t r a t i o na f t e rp u r i f y i n gc a nb e7 7 3 t h ec o n c e n t r a t i o no fw e l d i n gs o o ta n d h a r m f u lg a s e si sf a rl o w e rt h a nt h el i m i tv a l u e ss p e c i f i e db yt h en a t i o n a ls t a n d a r d a t 江苏大学硕士学位论文 t h es a t u et i m e ，i ti sp r o v e dt h a tt h i sd e v i c ew i l ln o ti n f l u e n c et h eq u a l i t yo fw e l d i n g w h i l ep u r i f y i n gw e l d i n gs o o ta n dh a r m f u lg a s e s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d so fv e n t i l a t i o na n dd u s tc o n t r o l ，t h i s p u r i f y i n gd e v i c eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , s i m p l e s t r u c l l l r e ，c o n v e n i e n tt ou s e ，w i t h o u td u s tc o l l e c t i o nc o v e r , v e n t i d u c ta n df a n , l i t t l e e q u i p m e n ti n v e s t m e n ta n da r e a , e s p e c i a l l yw i t h o u ts e c o n d a r yp o l l u t i o n ，t h e r e f o r ei t o v e n sag o o dp o p u l a r i z a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：c o r o n ap l a s m a ，w e l d i n gs o o t ，h a r m f u lg a s e s ，e l e c t r o d e ， h i g h v o l t a g ep u l s ed cp o w e r ，g r e y i n c i d e n c ea n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名： 在 指导教师签名 砂吩年彭月咋日 也 0死，日和月 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 带孝筮 日期：2 0 0 4 年月目 江苏大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 现代工业生产过程中广泛应用电焊焊接金属用来制造各种金属结构和机 械零部件。焊接技术有着广阔的应用市场其应用领域遍及机械制造、航空航 天、造船业、核工业、石油，化工、能源、交通、建筑，电子工业、家用电器 等等i lj 。根据国外权威机构统计，目前，各种门类的工业制品中。半数以上都 需采用一种或多种焊接与连接技术才能制成吼全世界4 5 的铜材要经过焊接 技术才能变成工业产品，主要工业发达国家的焊接结构用钢均超过其本国钢产 量的5 0 v j ，而我国1 9 9 8 年这一比例仅为3 5 ，预计本世纪初将达到5 0 【4 】。焊 接已经成为现代工业生产中不可缺少的一部分。 现代工业中应用的焊接方法很多，目前以电弧焊应用最为广泛，焊接环境 方面问题也主要产生于电弧焊过程。这是由于电弧焊是利用电弧使焊接部分局 部加热的方法，将焊件的接合处加热到熔化状态，互相融合。使冷凝后彼此结 合在一起，所以在其焊接过程不但产生焊接弧光( 包括紫外线，红外线及过亮 可见光) 、高频电磁波、热辐射、噪声及放射线外，而且还会产生大量的焊接烟 尘和有害气体等。 1 1 1 焊接烟尘的产生 焊接烟尘是在电焊作业过程中。焊条与焊接件在高温下燃烧产生的一种烟 尘。电弧焊的发尘过程，实质上主要是一个过热一蒸发一氧化一冷凝的物理化 学过程”l 。在焊接过程中，电弧可瞬间使焊接部分加热到约四、五千摄氏度的 高温，焊条下端部和焊接工件在高温作用下产生部分蒸气和熔渣，在弧吹力的 作用下，这种高温蒸气从电弧区吹出后形成涡流，迅速被氧化与冷凝变为细小 的固态粒子，形成气溶胶状态弥散在电弧周凰，形成了焊接烟尘。 1 1 2 焊接烟尘的性质 江苏大学碗士研究生学位论文 焊接烟尘的性质主要是指其形态、粒子大小、化学成分和化学结构等，只 有先了解了这些才能认识到它们对人体的影响 1 1 2 1 焊接烟尘的物理性质 焊接过程中嘲，液态金属和非金属物质蒸发出的高温蒸气，被迅速氧化和 冷凝生成的烟尘粒子称为“一次粒子”。用电子显微镜观察，一次粒子的基本形 态呈球状，直径在0 o l 0 4 岬范围内，而以0 11 a m 左右的为最多。一次粒子 带有静电和磁性，在静电和磁性的作用下，悬浮在空气中的几十个或几百个一 次粒子迅速聚集在一起，形成二次粒子。焊接烟尘就主要是由二次粒子组成。 不同焊条产生的焊接烟尘的性质各不相同【6 】焊接烟尘分散度较大，粒径 主要在l b t m 左右，密度约7 9 e m 3 ，成份以氧化铁为主，焊条发烟量7 1 5 9 k g 左右，烟尘电阻率1 0 乙1 0 ”q n k 粉尘在电场中的驱进速度约0 1 o 1 5 m s 。低 氢型焊条烟尘呈碎片伏，粒径i p a n 左右。酸性焊条和二氧化碳保护焊、自动保 护焊烟尘均呈絮状，粒径比低氢型焊条的稍大一些。 1 1 22 焊接烟尘的化学成分 焊接烟尘是由金属及非金属物质在过热条件下产生的蒸气经氧化和冷凝而 形成的，因此焊接烟尘的化学成分，取决于焊接材料( 焊丝、焊条、焊剂及钎料) 和焊接工件成分及其蒸发的难易。不同成分的焊接材料和工件在焊接时将产 生不同成分的焊接烟尘，熔点和沸点低的成分一般蒸发量较大。在通常情况下， 焊接烟尘主要含有二氧化锰、氧化铁、氧化硅以及钙、钠、钛、铬、镍等的化 合物等【7 】。 1 1 23 焊接烟尘对人体的危害 焊接烟尘主要是通过呼吸道侵入人体的。悬浮于空气中的微小粒子，由于 形态和粒度的不同，将对人体产生不同的影响。直径大于5 岬的颗粒，一部分 被鼻粘膜和鼻毛阻住，一部分进入气管后，由于气体动力学作用( 沉降，冲撞 等) ，大都被留在气管的粘液层中，随粘液化成痰咯出。直径细小的颗粒，例如 直径l p a n 左右的粒子，可侵入呼吸道深部，在肺泡内沉积下来，而碎片状粒子 又比絮状粒子更易在肺泡内沉积p 1 。而焊接烟尘的粒径就在l i a n a 左右，所以对 2 扛苏大学硕士研究生学位论文 人体的危害比较严重。 不同的焊接烟尘含有不同种类和不同数量的有害物质，它们引发的病症也 不相同口】。烟尘的成分复杂主要有铁、硅、锰、铅、氧化锌及铜等，主要毒 物是锰，其它的烟尘虽然毒性不大，但其尘粒极细( s u m 以下) ，在空中停留时 间长，容易被人吸入肺中。吸进过多的焊接烟尘，将引起头痛、恶心、发烧、 气管炎、肺病和癌症等，而且烟尘微粒可以通过人体表皮接触感染引发皮肤病 因此在密闭容器、锅炉、管道内或作业面积狭小，门窗关闭的室内焊接时，烟 尘浓度往往高于国家卫生容许标准的几十倍，长期在这种环境下作业的人员如 没有采取保护措施则易患尘肺、锰中毒、金属热等焊工职业病。 1 1 3 焊接有害气体的产生和性质 在各种电弧焊焊接过程中，焊接区内都会产生或多或少的气体，其中一些 气体是对人体有害的，称为焊接有害气体主要有臭氧氮氧化物、一氧化碳 和少量的氟化物及氯化物等吼 1 1 3 1 臭氧( 0 3 ) 焊接区内的臭氧，是经高温光化学反应而产生的。电弧与等离子弧辐射出 的短波紫外线，特别是波长为1 8 5 0 2 1 0 0 x 1 0 。o m 的紫外线，使空气中的氧分 子分解成氧原子。这些氧原子或氧分子在高温下获得一定能量后，互相撞击即 可产生臭氟。因此在各种明弧焊和等离子焊过程中，都会或多或少地产生臭氧。 臭氧是极强的氧化剂，容易同各种物质起化学反应。臭氧被吸入人体后， 主要是刺激呼吸系统和神经系统，引起胸闷、头晕，咳嗽、全身无力和厌食等 症状，严重时可发生肺水肿与支气管炎。 1 1 3 2 氮氧化物 在焊接电弧高温作用下。空气中的单分子可被氧化而生成氮氧化物。氮氧 化物种类很多，主要有n 2 0 、n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 4 和n 2 0 5 等，但除n 0 2 外，其余均不稳定，遇光、遇热后都将转化为n 0 2 。 吸入高浓度氮氧化物后，可引起急性哮喘症或产生肺水肿、长期慢性作用， 可引起神经衰弱症候群及慢性呼吸道炎症。 3 缸苏太学硬士研究生学位论立 1 1 3 3 一氧化碳 焊接过程中产生的一氧化碳，主要来源于二氧化碳在电弧高温下的分解。 因此在二氧化碳气体保护焊过程中，将产生大量的一氧化碳气体，其它电弧焊 过程通常只产生微量的一氧化碳气体 一氧化碳是无色、无味的气体，比重是空气的1 5 倍，属窒息性气体。它 与血液中输送氧气的血红蛋白具有非常大的亲和性，所以一氧化碳经肺泡进入 血液后。便很快与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，使血红蛋白失去正常的携氧 功能，造成组织缺氧而引起中毒。 1 1 3 4 氟化物 在进行埋弧焊时，如采用舍氟化物的酸性焊剂。可产生微量的氟化氢气体。 氟化氢对人体有强烈的刺激作用，能迅速由呼吸道吸收而对全身产生毒副作用。 但由于旖焊过程中产生的量比较小，人们很少觉察到氟化氢的刺激臭味，因而 不足以对人体健康产生有害的作用，而应特别引起注意重视的是有机氟化物热 分解所引起的中毒问题。一些电焊钳采用了聚四氟乙烯等氟材料作为绝缘材料， 电焊钳过热将导致氟塑料分解，对氟塑料进行热切割和焊接时，也将导致氟塑 料分解。 1 1 35 氯化物 在实际工作中，往往采用一些氯化溶剂作脱脂剂，如用四氯化碳、三氯乙 烯、四氯丁稀等对容器或管道进行脱脂。如脱脂后清洗不干净，在残存少量氯 化溶剂时，就进行焊接，贝u 将产生有毒的光气，损伤人体健康。 综上所述，随着电焊作业的日益增加电焊工职业病越来越明显地危及人 体健康t 相当一部分电焊工人由于长期吸入焊接烟尘和有害气体。患有尘肺、 铁钙肺病或锰中毒等一些职业痈。自7 0 年代以来，这个问题更加引起人们的关 注，1 9 8 7 年我国正式将电焊工尘肺定为职业病【6 】。另外电焊工尘肺确诊后，目 前尚无特殊治疗方法，主要是尽早发现病人，并及时调离作业环境嗍。焊接烟 尘和有害气体己成为污染环境的公害之一，严重影响了焊接工人的健康，防治 焊接烟尘和有害气体的污染与危害与治理废气，废水等有害物质是同等重要的 因此研究焊接烟尘和有害气体的防治措施日益迫切。 扛苏大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 我国对焊接烟尘和有害气体的治理起步于7 0 年代，经过不断地探索实践， 对焊接烟尘和有害气体的危害、特性、及小型机组的研究都取得了很多成果 但是电焊车间烟尘治理、净化技术研究仍处于开发阶段。据考察目前有约8 0 工厂的电焊车间没有得到有效治理。自1 9 8 7 年国家将电焊工尘肺正式列入职业 病后，焊接烟尘和有害气体的治理，更加引起了有关部门的重视，焊接烟尘和 有害气体治理技术也不断地发展起来。国内外一些大专院校、科研单位、工矿 企业，不断进行研究、探索、实践，在排烟除尘、改进焊接工艺、研制低尘低 毒焊条等方面，都取得了一定的进展。下面是国内外焊接烟尘和有害气体治理 的各种措施。 1 2 1 通风除尘措施 通风除尘措施是目前国内外治理焊接烟尘和有害气体的主要手段，其通风 方式有局部通风和全面通风。 1 2 1 1 局部通风措施 局部通风措施是在焊接作业点设置吸风罩，不待烟尘扩散，就将其排走。 这种方式既节省风量，效果又好t 工人呼吸带不受污染，一般局部通风技术上 应优先采用。其效果的好坏关键在于设计合理的罩口形式，既不影响工人操 作，又不影响有效地捕集烟尘【。 1 2 1 2 全面通风 全面通风是借助于风机或自然风压，使空气在室内有组织的流动，从而降 低车间的烟尘浓度。其效果的好坏，关键在于合理地组织好气流。一般全面 通风方式使用风量较大，耗能多，特别在寒冷地区，通风传热问题比较突出， 目前把全面通风方式作为辅助措施的较多。 1 2 2 个体防护 5 江苏大学磺士研究生学位论文 个体通风头盔在我国早有使用，其结构是在头盔上设有细风管，通过风管 把清洁的空气送入头盔，使焊接工人可以吸到新鲜空气【”有的还把头盔和防 护服作成一体，这种防护方式，由于工人感到不方便，只是在罐体焊接时采用， 防尘口罩也是一种常见到个体防护用品，其滤料品种较多。 1 2 3 研制低尘低毒焊条 多年来，国内外很多单位作了大量工作，研制低尘低毒焊条“”，并取得了 一定的成绩，可以在一定程度上降低焊接烟尘。但是对电焊作业来说，焊接作 业是个小冶金过程，熔池处焊条与母材处于约5 0 0 0 c 左右高温，必然有金属蒸 汽产生，形成多种化合物，因此就目前的焊接作业，尽管采用低尘低毒焊条， 但是仍有烟尘污染。 1 2 4 改进焊接工艺 改进焊接工艺就是尽量使电焊过程自动化、机械化、密闭化，避免电焊烟 尘与人体的直接、长期、持续接触 1 9 】。 来替代手工焊以有效控制烟尘发生量、 以一定规模的半自动化，甚至自动化焊 减少烟尘危害还是可行的。 综上所述，目前国内外各种焊接烟尘和有害气体的净化都主要依靠通风除 尘措施来收集、净化，或者采用通风与使用低尘低毒焊条、改进工艺相结合的 综合净化措施，其装置有功耗较大，设备较复杂，使用不够方便而且有二次污 染等缺点。 1 3 等离子体技术及其在空气净化中的应用 在2 0 世纪8 0 年代初期，国内外开始了等离子体技术在污染物处理中应用 的研究，目前等离子体技术已经成为人们治理环埠污染的一门关键技术。本课 题拟设计一种轻便、易用、高效的等离子体就地净化装置来对焊接烟尘和有害 气体进行就地净化，从而改善焊接工人的工作环境，保护焊接工人的健康。下 面我们首先了解一下等离子体技术及其在空气净化中的应用。 缸苏大学硕士研究生学位论文 1 3 1 等离子体技术概论 人们从科学实验中认识到，在一定条件下，通过物质与外界不断交换能量， 物质的各态之间可以互相转化。外界供给能量可使固体转化为液体，如果外界 进一步供给能量，液体可转化为气体。如果再对气体供给足够的能量，只要使 每个粒子中电子的动能超过原子的电离能时，电子将会脱离原子的束缚而成为 自由电子，而原子则因失去电子而成为带正电的离子，这个过程称为电离。当 气体中足够多的原子被电离后，这种电离的气体己不足原来的气体了，而转化 成为新的物态一等离子体 具体来讲所谓等离子体，广义的说是指包含足够多的电荷数目近于相等的 正负带电粒子的物质聚集状态。从宏观平均意义上讲等离子体是由大量的自 由电子和离子组成，在整体上表现为近似电中性的电离气体。它与大家熟悉的 物质三态( 固态、液态和气态) 一样，是物质存在的又一种聚集态，所以，人们 又把等离子体称为物质第四态，或称为等离子态，其主要特征是： ( 1 ) 从微观上看，带电粒子有正负之分，且所有负粒子的电荷总量同所有 的正粒子的电荷总量相等，在宏观上呈电中性； ( 2 ) 带电粒子之间不存在净库仑力； ( 3 ) 它是一种优良导电流体； ( 4 ) 带电粒子之间无净磁力： ( 5 ) 电离气体具有定的热效应。 等离子体按热力学状态不同和中性气体温度的高低可分为两大类：热平衡 等离子体( 或高温等离子体) 与非热平衡等离子体( 或低温等离子体) 。低温等 离子体包括辉光放电、低压射频放电、电晕放电等产生的等离子体，日常用的 荧光灯、半导体工业中所用到的刻蚀技术等都属于此类。低温等离子体的特征 是它的能量密度较低，重粒子温度接近室温而电子温度却很高，电子与离子有 很高的反应活性。相对的，高温等离子体的能量密度很高，重粒子温度与电子 温度相近，通常为1 0 0 0 0 k 至2 0 0 0 0 k 的数量级，各种粒子的反应活性都很高。 高温等离子体的产生方法包括大气压下电极间的交流( a c ) 与直流( d c ) 放电、 常压电感耦合等离子体、常压微波放电等。 7 扛苏大学硕士研究生学位论文 1 3 2 等离子体的发生 等离子体的发生方式包括自然产生等离子体和人工产生等离子体，其中人 工产生等离子体的方式包括：气体放电、射线辐射、光电离、激光辐射电离、 热电离，激波冲击等。其中气体放电是应用最为广泛的发生方式。气体放电按 其放电形式的不同又可分为电晕放电、辉光放电、火花放电、弧光放电和介质 阻挡放电等，其中在产生等离子体方面使用最为广泛的是电晕放电和介质阻挡 放电。 1 3 2 1 电晕放电 在电极两端加上较高但未达到击穿的电压时，如果电极表面附近的电场( 局 部电场) 很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象叫i 。 一般在高压电极曲率半径很小( 如针状、线状电极) 时，其附近电场强度特别高， 容易发生电晕放电。 电晕放电的电流密度取决于加在电极之间的电压大小、电极形状、极间距 离、气体的性质和密度。放电的极性决定于具有小曲率半径的电极的极性，如 果曲率半径小的电极带着正电位，则发生的电晕成为正电晕，反之则称为负电 晕。 。 1 3 2 2 介质阻挡放电 介质阻挡放电( d b d ) 产生于两个电极之间，是有绝缘介质插入放电空间的 一种气体放电，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿 而产生放电即产生了介质阻挡放电。在介质阻挡放电中至少一个电极上面要 覆盖有一层电介质，它兼有辉光放电的大空问均匀放电和电晕放电的高气压运 行的特点，其主要特征是口2 】：整个放电由许多空间和时间上随机发布的微放电 构成这些微放电的持续时间很短，一般在1 0 n s 量级。介质阻挡放电可以在 ( o 1 1 0 ) x 1 0 5 p a 的气压下进行，其放电的交流电源的频率范围为5 0 h z i m h z 。 1 3 3 等离子体技术空气净化原理 随着等离子体技术的日益发展，其技术也日益成熟，应用的领域也越来越 8 虹苏大学硕士研究生学位论文 多。近年来等离子体技术在环境污染物处理方面的应用研究引起了人们的极大 关注，现在等离子体技术已经广泛应用在废水、废气和固废的处理中，被认为 是环境污染物处理领域中最有广适性、最有发展前途的技术之一嘲。 现在人们已开始将等离子体技术应用于空气挣化，主要净化空气中的总悬 浮颗粒( t s p ) 、一氧化碳、二氧化硫、氦氧化物、碳氢化合物等，其主要净化 机理有如下两种。 1 3 3 1 预荷电集尘 其基本原理是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体其中包 含的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非 弹性碰撞，从而附着在这些粒子上，使之成为荷电粒子，在电场的作用下向集 尘极运动进而被集尘极所收集，从而可以有效地清除空气中的颗粒污染物御1 其处理过程分三个阶段： 1 ) e4 - ( 污染物分子) - + 一 2 ) m 一+ s p ( 固体颗粒) _ ( s p m ) 3 ) ( s e a t ) 一_ 删( 沉积在集尘极上) 预荷电除尘是一个物理过程，在这个过程中。对悬浮在空气中直径小于 l o o t n n 的总悬浮颗粒( t s p ) 和直径小于1 0 t i m 的可吸入颗粒( p m i o ) 有较高 的清除效率。 焊接烟尘就是由以气态和气溶胶态的悬浮颗粒和飘尘组成本课题就是利 用电晕等离子体技术使这些悬浮颗粒和飘尘荷电，并在电场的作用下吸附到集 尘极即被焊接工件上，从而将其就地净化。 1 3 3 2 催化净化 利用前后沿陡峭的脉冲高电压，形成高频脉冲电晕放电，可在一定空间产 生非平衡态低温等离子体，可以用来净化空气中的有害气体。其催化净化机理 包括两个方面： 1 ) 在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬时高能量，打开某些有害 气体分子的化学键使其分解成单原子或无害分子。 9 江苏大学碰士研究生学位论文 2 ) 等离子体中包含了大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性 的自由基，这些活性粒子的平均能量约为5 2 0 e v ，近高于一般气体分子的键 能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键生成单原子 分子或无害分子同时产生的大量o h 、h 0 2 、o 等自由基和氧化性极强的臭 氧跟有害气体分子发生化学反应生成无害产物。 催化净化可以清除空气中绝大部分碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和其 他一些有害气体分子。而焊接时产生的有害气体主要有臭氧、氮氧化物和一氧 化碳，本课题就是利用等离子体的这种催化净化机理来净化焊接时产生的有害 气体。 1 4 本课题的主要研究内容和意义 本课题就是将等离子体技术应用在焊接烟尘和有害气体的净化上，拟设计 一套焊接烟尘和有害气体的脉冲电晕等离子体就地净化装置，它的总体结构是 在不改变焊枪原式样的情况下在焊枪上加一个较小的等离子体发生环，把焊 接时冈, j i n 蒸发、燃烧浮扬起的焊接烟尘在具有十分活泼的原子团的高浓度离子 雾里充分饱和荷电，在静电场定向作用下，将焊接烟尘就地抑制在工件本体上， 同时还使有害气体被分解消除，实现就地净化。 具体来说本课题的主要研究内容包括如下各部分： 1 ) 首先在理论分析的基础上确定影响焊接烟尘和有害气体净化效率的主 要因素，然后对各因素进行试验性研究，在此基础上进行参数选择优 化； 2 ) 根据该参数设计二u 套轻便、易用的焊接烟尘和有害气体的脉冲电晕等 离子体就地净化装置： 3 ) 最后对我们所研制的装置进行不同条件下的净化效果实验，并通过对 试验结果的评价分析进行参数优化，确定该装置的最佳工作条件。 采用脉冲电晕等离子体技术就地净化焊接烟尘和有害气体，相对传统的通 风除尘、个体防护、采用低尘低毒焊条、改进焊接工艺等方式，该净化装置体 积小重量轻，能耗低设备简单，使用方便，易于维修和更换，而且又无二 o 瓿苏夫掌壤土搬爨生拳拯论室 次汾染。艨用该粹净化装鬣，w 改蒋广穴电坶工 静劳渤条件，胄翠滁了嗽埠誓 入韵烟艇中海疾莆，有效解决了焊接烟尘的滞染，具有较大的实用价值。 ，5 参考文簌 i 】张文患， 射暖，魁鞭。我爨烽攘章| 瓣生产瑷敬藏展望。大遴铁道学院报1 9 9 8 ( 1 ) 淄张支镶。鞠姊肄凌材料懿发震动态及翘快犀产药蕊辫丝发j 鬟的建议。辅瓣开 发冬应稻。2 0 0 饿1 ) t 3 】马风辉黼内外药精埠黧发展概况第八次垒阔焊接套议论文集( 第1 册) 机 械誊韭出版被1 9 9 7 ( 9 ) f 4 】吴林，芏麟书+ 我鼹焊接行她的现状与发展趋势。籍八次金鞭垮接套议论文 熊( 搽l 嘏) ，机械羔业出l ；蘸牡。1 9 9 7 ( 9 ) 嬲中晷搬槭美程举会焊接学会纂硼专鼗娄舞套编著，烨接超生鸟蜜全。l 索； 枫械工业出版聿，1 9 8 7 溉张秀骖。我蓬瘫簿烟垒治理摭术。铁道劳璐安全鼙雯与环谦1 9 9 5 ( 3 ) 蠲斑志澄。焊接冁戴危害的防护北京，人涎卫生出版社，1 9 8 1 ( 8 ) f 8 j 攀峰电烽烟袋的危害蔑防治互啦安垒与骑垒2 0 0 3 ) 【9 】鲁小怒电焊工垒肺于畿道职业驻奄与病伤2 0 0 2 ( 1 ) l 羽任效载，熏荣样。焊接烟尘的危糍殿璐治措施矿山祝槭，2 0 0 0 1 ：6 ) 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，净化 扛苏大掌碗士研究生学位论文 后烟尘粒子浓度为c ，则净化效率的定义为： ，7 ：c , - c ( 2 2 2 ) o i 假定；( 1 ) 烟尘颗粒进入净化空间即被荷电：( 2 ) 因素流和扩散使得在与气 流方向垂直的截面上污烟尘颗粒浓度分布均匀：( 3 ) 烟尘颗粒随粒径大小分布呈 正态分布；( 4 ) 净化空间气流分布均匀且不影响污染粒子的电迁移速度。由于烟 尘颗粒在电晕放电中的荷电方式主要是场致荷电，因此外电场对粒子的荷电过 程影响不大。如果假定每一个荷电污染粒子在集尘极时都被有效收集，那净化 效率直接可咀用烟尘粒子的荷电效率来表示。烟尘颗粒的荷电效率反映的不是 每个烟尘颗粒在净化空间内的荷电量多少，而是所有烟尘颗粒中能够有多少污 染粒子被荷电。设电晕空间的总离子浓度m ，半径为口。的污染粒子的浓度为 p ，离子的扩散速度为u 。根据气体分子碰撞理论，离子在d t 时间内与一污 染粒子碰撞并附着在该粒子上的几率n 。】； 一d n = “m 。2 n , d t ( 2 2 3 ) 尼 当t = 0 时，h = n o ，对式2 2 3 积分得： n = oe x p ( 一“。m r ) ( 2 2 4 ) 在f = 0 时总离子数为，t 时刻总离子数 ，这减少的离子数就是被污染 粒子所吸附掉的离子数，半径为口。的污染粒子的荷电效率为： 巩= ! 兰= l - e x p ( 一“，2 m ，) ( 2 2 5 ) n 0 式中u 一离子的扩散速度，t 一污染粒子在净化空间停留时间。 式2 2 5 表明：随污染粒子的半径增大，净化效率是呈指数规律增加。 22 4 影响净化效率的主要因素及分析设计 决定净化效率的首要因素是放电参数，为了从理论上反映出挣化效率与电 晕电流的关系，将式2 2 5 通过电晕电流表示出来。 假设放电迁移区的电子密度虬，离子密度为m ，则电晕电流就是在单位 2 0 扛苏大学硬士研究生学位论文 时问内到达单位面积阳极板上的电荷， ，= 蕊d q = p u n j - b e b m ( 2 2 6 ) 结合式2 2 5 得： 口= 1 - e x p ( 1 一e v n , ) x 口。2 t e ( 2 2 7 ) 式中的，一嘞- ，实际上是离子所形成的电流。如果i = p 屹m ，则表明电 晕电流全是电子所形成的，没有离子电流，即空间不存在离子，也就是不存在 烟尘颗粒的荷电，理论上净化效率为0 。 通过式2 2 7 我们可以看出，焊接烟尘的净化效率与电晕电流和烟尘颗粒的 粒径有直接的关系，粒径越大净化效率越高，电晕电流越大，净化效率越高。 由于烟尘颗粒的粒径是一定的，我们要想提高挣化效率其途径只有提高电 晕电流。 我们知道在其它条件一定时，随着电晕放电电压的提高，其电晕电流也逐 渐增大，当电压达到其击穿电压时，电极击穿而停止工作。目前广泛使用的电 极间距为l o l s c m 的静电除尘器，典型的电晕电压的峰值为4 0 6 0 k v o t 】，而 我们在进行焊接烟尘的就地净化时，由于净化装置是加在焊枪进行工作的，考 虑到焊枪的长度其针板问距应小于1 0 c m ，所以我们初步选定电晕电压的峰值为 4 0 k v 。 o 图23 电极的形状 当电极的电晕放电电压一定的时候，我们耍想获得较大的电晕电流，需要 对电晕放电的电极进行优化设计。电晕放电法产生等离子体的电极结构有很多 样，除了可以是传统的简单板状电极、圆筒圆柱状电极以外。也可以是新颖的 丝状电极、网状电极、弹簧电极、空心电极等【1 2 1 。在本课题中，由于焊接时焊 接烟尘的扩散是如图2 2 所示的一个喇叭口形，而且该电极是附加在焊枪上进 2 旺苏大学颈士研究生学位论文 行工作的，我们将电极设计成如图2 3 所示的形状，这样可以对焊点产生的烟 尘净化较为均匀。图中的针状部分即为放电电极 电 量 电 漉 图2 4 正负电晕极在空气中的电晕电流一电压髓线 电极的电晕放电既可以为正极性也可以为负极性，它们的引发电压或电晕 电流的差别很小。在极不均匀电场中，虽然放电定从曲率半径较小的那个电 极表面( e p 电场强度最大的地方) 开始，而与该电极的极性的正负无关，仅后来 的放电发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的