论文部分内容阅读
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。该文将电晕等离子体净化污染物的基本原理和烟尘控制方法结合起来，研究就地净化焊接烟尘和有害气体。论文的主要研究内容及取得的结论如下：
(1)研究了焊接烟尘粒子在扩散过程中所受到的各种力及荷电过程，通过有限元方法对针板电场进行数值计算，研究了电极结构、空间电荷及烟尘颗粒对电场分布影响，研究发现：增加电极的数目，使电场的梯度更强，更有利于烟尘的就地沉积净化；空间电荷会使得针板间的电场强度增强：烟尘颗粒物的存在使电极间的电场严重畸变，增加了电场不均匀度，从而容易击穿。
(2)通过试验研究了电极直径、电极形状、电极环数、电极针数对电晕放电电流的影响，确定了电极的合理参数，其最佳放电效果为：0.3mm不锈钢丝的5针双环电极。
(3)通过PIV实验研究烟尘颗粒在电场下的运动情况，实验发现，随着电压的增加，烟尘颗粒在电场作用下上升速度下降，沉降效果增强。在-10kV时影响并不明显，电压达到-20kV以上时，沉降效果显著。但随着电压的继续升高到-35kV时，由于受到离子风的影响，会发生扬尘。针板间距越小，沉降效果也越明显，针板间距为4cm和6cm的效果都相对比较明显，在针板间距为8cm时，电场对烟尘颗粒的沉降效果大幅降低。
(4)通过净化效果实验，考察了在不同工作参数下对焊接烟尘和有害气体的净化效果。实验发现，5针的电极净化效率最好，双环电极的净化效率明显高于单环的，而且其净化效率都随着电压的升高而增加，随着针板间距的减小而提高；对于0.8mm焊丝和1.2mm焊丝，针板间距为4cm时，在电压为-30kV时其净化效率都达最大值，分别为96.9％和96.6％。经电晕等离子体净化后，臭氧的浓度有所增加，对于0.8mm焊丝和1.2mm焊丝，在针板间距为4cm电晕电压为-30kV时其臭氧浓度都达到最大，分别增加了70.9％和28.2％；氮氧化物和一氧化碳的浓度明显降低，在针板间距为4cm电晕电压为-30kV时氮氧化物净化效率分别达到最大为71.69％和76.03％，一氧化碳的净化效率达到最高，分别为71.2％和64.03％，其浓度都低于国家规定的最高容许浓度。
(5)对焊接烟尘和有害气体的净化机理进行了分析，并采用灰色关联分析对综合净化效果进行评价，计算发现在电晕放电电压为-30kV、针板间距为40mm时的试验是最优化组合方案，优化了工作参数。
(6)根据之前的分析和实验研究，研制了焊接烟尘和有害气体的等离子体就地净化装置，并进行了净化效果检测，该装置具有较好的综合净化效果。并对在该工作条件下净化前后的烟尘成分进行分析，表明该净化装置对焊接烟尘中的氧化铁和氧化锰去除率较高，氧化硅的净化效率较差，但其净化后的浓度都远低于国家劳动卫生部门制定的卫生标准的容许浓度。另外通过金相组织分析，发现焊缝在净化前后的金相组织没有任何改变，故该装置对焊接质量不会产生影响。
(7)通过PIV实验研究探讨了焊接烟尘颗粒在电场和磁场共同作用下的运动情况，验证了电场与磁场协同净化烟尘机理，表明在放电区引入磁场，有利于进一步提高净化效率，而且加平行磁场比加垂直磁场的净化效率有一定的提高。对焊接烟尘在不同电压和不同磁场强度下的净化效果进行了实验。随着磁场强度的增加，其协同电场净化焊接烟尘的效果也越好。特别是电压较低时，净化效率的增加较明显。电压为-10kV时增加最明显，在5110Gs时，相比与未加磁场时，净化效率由53.2％增加到73.8％。电压为.35kV时增加最小，在5110Gs时，相比与未加磁场时，净化效率由92.3％增加到96.8％。