焊接及數控切割機煙塵處理系統制作

＊臧考濤

（晉能控股集團大同機電裝備有限公司 大同力泰機械有限公司 山西 037003）

焊接及金屬切割煙塵由金屬和非金屬物質在焊接過程中過熱蒸發產生的蒸汽經氧化和冷凝而成，其中包含著對人體有害的物質。若不進行有效的治理，這些有害物質會對工作人員的身體健康產生影響，如引起焊工錳中毒、矽肺病及癌癥等疾病。金屬煙塵會污染工作環境，影響設備正常運行，同時大量粉塵在空氣中聚集，極可能造成爆炸事故[1]。對于煤礦生產，礦井通風工作是安全生產工作中至關重要的構成環節[2]，煙塵處理系統也影響鉚焊車間的安全生產。

目前國內除塵設備在技術創新的加持下取得新發展，主要體現在三個方面：超低排放技術，如高壓供電電源、高效濾料、陶瓷濾管、催化過濾等。節能降耗技術，如頂部垂直進風除塵器、高通量覆膜濾料、低溫脫硝等。智能化技術，如智能清灰系統、智能監測系統、智能診斷系統等。結合車間現狀，制造除塵系統的難點在數控下料老式平臺無法與合適的除塵設備匹配，該老式平臺也不適合改造，需重新設計和制作新平臺，使其既能滿足強度要求，又能有效除塵。另外，如何實現節能高效的運作和降低后續使用成本，也需研究新的智能化技術并加以利用。

1.除塵方式的確定

車間火焰切割的切割對象和焊接對象以鋼板為主，產生的有害煙塵主要為Fe2O3粉塵、MnO粉塵及少量H2S、臭氧、氮氧化物和CO氣體，長期在該環境中作業且不注重防護，會引起塵肺病和其他呼吸道疾病。結合車間現狀及對市場上主流的除塵設備進行調研分析，針對兩臺龍門式火焰切割機的除塵設備宜采用干式雙吸式除塵機。

但目前使用的切割平臺不能形成有效風道，貿然上馬設備往往事倍功半，收效甚微，須先改造數控切割平臺，再引進配套設備，才能達到預期效果。針對8臺CO2氣保焊工位的除塵設備不適合采用該車間一區的整體通風除塵系統，一是投資及運行成本較高，二是該車間二區只進行制新作業，不進行修舊作業，8個工位最多有6個工位投入使用，且并非全年所有工作日投入使用。結合去年投入使用的焊機懸臂架，與其配套的除塵方式應采用吸氣臂捕捉式除塵器，使用哪臺焊機時打開與其配套的除塵器，將不使用的工位關閉。

2.數控切割平臺的設計與改造

舊的數控切割平臺方案只有支撐作用，沒有密閉風道，無法適應除塵原理需求，考慮到強度問題也無法進行二次改造。要取得良好的除塵效果，必須讓平臺在切割時形成負壓區，煙塵被吸入平臺風道，從兩側負壓區抽出再經主機過濾后達標排出。為達到設計風道要求，滿足最厚100mm的鋼板切割承重需求，設計了滿足以上兩個主要條件的平臺系統，整個工作區域由18組平臺組成，每組分上平臺、下平臺，上下平臺間的鋼板形成半閉柵格空間，負壓很好地傳導到所有切割區域，快速排出切割煙塵。

整體平臺除塵所需風量計算。由于切割機在切割時，切割頭只在兩節風道附近擺動，而吸風口在3節風道活動，所以有效吸塵面積為3節風道上的面積（風道長度為0.25m每節）。6m跨距的有效切割寬度為5m，吸塵面積為5m×0.75m=3.75m2?；鹧媲懈顧C除塵最佳流速為0.9m/s，兩臺共軌火焰切割除塵系統所需風量Q=3.75m2×3600s×0.9m/s×2=24300m3/h。兩臺切割機不同時使用時，在每個吸風口加裝手動風閥，對應該臺切割機工作情況做出相應的開啟與關閉動作。

3.二保焊接煙塵收集設計

（1）捕捉方式簡述。焊接煙塵捕捉通常有三種方式：吸氣臂捕捉，適合小件焊接，特定工位；收集罩捕捉，適合較大工件，不確定位置焊接時的煙塵捕捉，但易影響工件吊裝；整體通風，投資及運行成本較高。（2）吸氣臂捕捉方式。在阻尼桿和摩擦片作用下，吸氣臂能在臂長范圍內的空間懸停。利用2018年完成的焊機工位旋臂實施安裝，既保證了焊接排煙同步，又整體美觀、節約成本。根據現場焊接工件較大、位置不確定的情況，采用通用加長吸氣臂配合加大收集口方式，收集口尺寸設計為馬蹄形收集罩。（3）捕捉元件設計及除塵系統風量計算。選用分組捕集集中處理形式，考慮到員工操作及系統阻力等因素采用長為3m內關節式吸氣臂，吸氣臂160mm，收集口加裝手動調節風閥，末端加裝自動風閥，工作人員用按鈕即可控制其開與閉。每個吸氣臂流量為2000m3/h可達到理想收集效果，8個工位系統所需風量Q=8×2000m3/h=16000m3/h。

4.除塵主機風量及設備選型

兩個區域計劃采用管道連接，經除塵主機凈化處理后達標排放。該廢氣屬于大風量低粉塵濃度氣體，總系統風量Q=24300m3/h+16588m3/h+16000 m3/h=56888m3/h，宜采用濾筒式除塵器，處理風量不低于56000m3/h。設備電機采用變頻控制，在工作量減小時功率自動降低，節約運行成本，降低能耗。

5.濾筒凈化器工作原理

污濁的空氣從吸塵口進入過濾器，通過導流板時改變了原來的流動方向，向上進入過濾室，大大降低了氣流對濾芯的沖擊，同時提高了濾芯對粉塵顆粒的捕捉效果。經濾筒過濾的潔凈氣體再經消聲處理排入外界，過濾完成。粉塵顆粒在濾芯的自動反吹功能下，落入粉塵收集器進行收集。

6.自動反吹清灰系統

除塵系統必須具備良好可靠的反吹凈化能力，否則兩周就需更換濾芯，且對環境的二次污染相當大，不符合初衷。在系統中安裝壓差傳感器，濾筒的反吹通過由傳感器控制的脈沖氣流噴吹濾筒實現：凈化系統長時間運行，細微煙塵會不斷吸附在濾筒表面，大大降低濾筒的透氣性。壓差傳感器的兩個探測頭一個安裝在污濁氣體側、一個安裝在潔凈氣體側。當壓差超過某一設定值時，壓差傳感器輸出信號，脈沖控制儀啟動脈沖反吹閥，潔凈的壓縮空氣從閥口噴出，引射氣流對濾筒進行反吹，直到壓差低于設定值時停止反吹。濾筒表面吸附的粉塵在氣流作用下被清除，落在下部集塵斗中，見圖1。

圖1 過濾及反吹清灰

7.變頻控制系統

（1）控制系統功能。為減小電機的啟動電流，采用變頻控制啟動與星三角啟動方式控制風機；為有效保護電機的安全性，在控制回路中設有過載、反向、缺相保護功能。當高效過濾網壓差檢測開關動作時，控制系統進入自動反吹清灰階段，將按時序依次接通反吹電磁閥，對過濾網反吹清灰，如圖2所示。變頻控制系統可實現以下功能：手動控制（用于調試和維護），也可一鍵開機自動控制；系統運行工況實時監測與顯示；風機運行狀態監視；實時故障檢測、報警與記錄；設備及其主要部件運行時間記錄；濾筒堵塞清洗提示；設備維護更換提示。

圖2 PLC控制流程圖

（2）變頻控制節能原理。變頻調速后的節能效果，可參考風機的運行曲線圖，見圖3。

圖3 除塵風機運行曲線圖

當風量從Q1降至Q2時，調節風門會增加整體管網的阻力，導致管網特性曲線上移，整個系統運行工況從A點移至B點，軸功率P2與H2×Q2的面積成正比；采用調速控制法使風機轉速由n1降至n2，雖然其管網特性不改變，但風機特性曲線發生下移，系統運行工況由A點移至C點，軸功率P3與HB×Q2的面積成正比。理論上，所節約的軸功率Delt（P）與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

根據風機特性，得出風機軸功率與轉速的變化關系：

風量與轉速的變化關系：

圖4為軸功率、風量隨轉速的變化曲線圖，當風量降至90%，軸功率降為73%；當風量降至70%，軸功率降為34%；當風量降至一半，軸功率為12.5%。可知，變頻控制能有效節約系統的運行費用。

圖4 軸功率、風量隨轉速變化曲線

（3）變頻控制優點。變頻控制所應用的是微調模式，加速PLC控制單元中的能量是變頻控制器能量供給中的主要供給單元，可實現工頻電能到可調節電能的轉變[3]。PLC依據傳感器與開關信號的信息反饋，輸出模擬信號控制變頻器轉矩和轉速，同時將故障與運行狀態向上位機反饋，具有以下優點：實現電機的軟啟動，降低起動沖擊電流，延長設備使用壽命；電機轉速低于額定轉速，降低了環境噪聲污染；具有諸多自動保護功能，保障了穩壓及吸塵效果。

除塵器電控裝置為全自動控制系統，由集中控制器、流量、風流閥和變頻器共同完成系統的自控及保護；管道裝置上裝有熱電偶真空計，可預設真空度。當系統開機工作時，電機將由小功率到大功率運行，當運行達到預設的真空度，真空計將信號反饋給主控系統，主控系統將發出指令通過變頻器改變電機輸出功率?；虍斘鼩饪陲L量變化（打開或關閉），管網中真空度將發生變化，裝置上真空檢測單元也會將信號反饋給中央控制系統，使輸出真空度達到使用要求。

8.結束語

環保項目的經濟效益無法用數字體現，更多的是社會效益，可使員工身心健康獲得保障，車間現場環境得以改善。排出空氣經環境監測部門的監控完全符合山西省大氣排放標準。車間自行設計和制造的數控下料上下平臺與干式雙吸除塵器很好的結合，既滿足了生產需要的強度，又分隔出負壓區域，提高了煙塵的捕捉效果，可節省約50萬元的購買資金。設計和加裝的反吹系統，降低了除塵濾筒的清理難度和清理頻率，方便后續使用并延長了濾筒使用壽命，降低更換濾芯的成本。在節能方面，引入變頻系統的作用明顯，并實現了穩壓和吸塵的雙重效果。整套除塵系統成本低、結構簡單可靠、節能，充分結合車間環境、建筑結構、現有裝置設備，盡可能減少了管道對區域的影響，從整個方案的設計到局部系統和工裝的設計都取得了成功。