工业气体在机械制造工业的应用

2018-10-10 admin 132

工业气体除了在冶金工业、化学工业普遍应用外,在反应国家工业化程度的机械制造业也有着非常广泛的应用。

机械制造业:指从事各种动力机械、起重运输机械、农业机械、冶金矿山机械、化工机械、纺织机械、机床、工具、仪器、仪表及其他机械设备等生产的行业。机械制造业为整个国民经济提供技术装备,其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一,是国家重要的支柱产业。

氧气

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金属的切割和焊接

机械工业应用氧气进行金属焊接、切割能大大提高工效,氢—氧焰、氧—乙炔焰在机械工厂中对板材、容器的切割、焊接。氧—丙烷焰切割可提高切割面的光洁度。代替了部分零件的铸、锻、铣、创。氧气它本身作为助燃剂与乙炔、丙烷等可燃气体配合使用,达到焊割金属的作用,各行各业中,特别是机械企业里用途很广,作为切割之用也很方便,是首选的一种切割方法。

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氮气

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1、 金属热处理

氮是一种中性气体。在非活化状态下,氮可用作保护加热,防止钢铁的氧化、脱碳,因而广泛地用于光亮淬火、光亮退火、光亮回火等热处理工艺中。在真空热处理时,氮气常作为冷却介质使用;充氮加压油淬时,氮气既可保护真空炉的电热元件,又可通过调节氮气压力,提高钢件的淬硬性。在一定电压和低真空状态下,氮会电离,可进行离子渗氮和离子氮碳共渗,在渗碳、渗氮时,常用氮气进行炉内吹洗、排气,炉门的气帘密封,渗碳后的防氧化冷却;在停气断电时,将氮气送入炉内,可防止炉气爆炸,保证安全操作。氮基气氛处理具有节省能源、气源丰富、安全经济、适应性广等优点。已能稳定地用于退火、淬火、渗碳、渗氮等多种热处理工序。为制造出高质量的欧元硬币,制造工艺中所用的钢合金硬币冲模必须经过特别的热处理。

 

2、金属的低温处理

液氮能使残余的奥氏体组织,迅速转变为坚硬、致密而稳定的马氏体组织,能提高金属零件与刀具耐用度0.5~1.5度。广泛应用于轧辊、火车车轮、切削刀具等方面。此外,模具、凸轮、齿轮等零件采用低温处理,寿命会得到提高,还可以用于不锈钢、硬质合金、有色金属甚至是塑料玻璃等材料。

 

3、切割

高纯氮气和高纯氦气、高纯二氧化碳一起用作激光切割机的激光气体。

 

4、焊接加工

用作铝制品、铝型材加工、铝箔轧制等的保护气体,用作回流焊和波峰焊配套的保护气体,套焊接质量。

5、钴炉化学清洗

钴炉在采用氢氟酸清洗和氨洗结果排除废液时,用充入氮气式顶排可以得到较好漂洗耳恭听效果,为防止钴炉内腔产生二次锈蚀。

6、轮胎工业

1) 提高轮胎行驶的稳定性和舒适性

氮气几乎为惰性的双原子气体,化学性质极不活泼,气体分子比氧分子大,不易热涨冷缩,变形幅度小,其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约30~40%, 能保持稳定胎压,提高轮胎行驶的稳定性,保证驾驶的舒适性;氮气的音频传导性低,相当于普通空气的1/5,使用氮气能有效减少轮胎的噪音,提高行驶的宁静度。

2) 防止爆胎和缺气碾行

爆胎是公路交通事故中的头号杀手,据统计,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的,其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时,轮胎温度会因与地面磨擦而升高,尤其在高速行驶及紧急刹车时,胎内气体温度会急速上升,胎压骤增,所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化,疲劳强度下降,胎面磨损剧烈,又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比,高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油,其热膨胀系数低,热传导性低,升温慢,降低了轮胎聚热的速度,不可然也不助燃等特性,所以可大大地减少爆胎的几率。

3) 延长轮胎使用寿命

使用氮气后,胎压稳定体积变化小,大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了轮胎的使用寿命;橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致,老化后其强度及弹性下降,且会有龟裂现象,这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气 中的氧气、硫、油、水和其它杂质,有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象,不会腐蚀金属轮辋,延长了轮胎的使用寿命,也极大程度减少轮辋生锈的状况。

4) 减少油耗,保护环保

轮胎胎压的不足与受热后滚动阴力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不油不含水,热传导性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的提高,以及变形小抓地力提高等,降低了滚动阻力,从而达到减少油耗的目的。飞机的轮胎是用氮气充气的,因为氮气是惰性气体,在轮胎内的渗透率低,可保持胎压稳定,减少爆胎几率,使轮胎寿命延长,并减少轮胎在凹凸路面的震动,使车辆行驶平稳,它还有音量传导率低的功能,从而大大降低了轮胎与地面摩擦时产生的噪音等等。特别是高热气候时期,在高速路上,氮气轮胎可以尽现其长处。

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氩气

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利用氩的惰性,在电孤焊时用氩作保护气体,可防止被空气氧化、氮化、钛、钼及合金和不锈钢等。

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二氧化碳

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1、气态二氧化碳

1) 焊接

二氧化碳气体保护焊,可以广泛用于多种材料的焊接,其保护效果不如其他稀有气体(如氩),但价格相对便宜许多。

 

2) 机器铸造

CO2是添加剂,利于机器制造。

2、固态二氧化碳(干冰)

1) 模具等清洗

在轮胎模具、橡胶模具、聚氨酯模、聚乙烯模、PET模具、泡沫模具、注塑模具、合金压铸模、铸造用热芯盒、冷芯盒中,干冰可清除余树脂、失效脱膜层、炭化膜剂、油污、打通排气孔,清洗后模具光亮如新。

2) 汽车清洗

清洗门皮、蓬顶、车厢、车底油污等无水渍,不会引致水污染;汽车化油器清洗及汽车表面除漆等;清除引擎积碳。如处理积碳,用化学药剂处理时间长,最少要用48小时以上,且药剂对人体有害。干冰清洗可以在10分钟以内彻底解决积碳问题,即节省了时间又降低了成本,除垢率达到100%。

 

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氢气

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1、生产电真空材料和器件

 

在电真空材料和器件如钨和钼的生产过程中,用氢气还原氧化物粉末,再加工制成线材和带材,若其中所用的氢气的纯度越高,水含量越低,还原温度越低,所得钨、钼粉末就越细。对氢闸管、离子管、激光管等各种充气电子管的填充气体纯度要求更高,显像管制造中所使用的氢气纯度大于99.99%。

 

2、 制造非晶硅太阳电池

在制造非晶硅太阳电池中,也用到纯度很高的氢气。

 

3、光导纤维的应用和开发

光导纤维的应用和开发是新技术革命的重要标志之一,石英玻璃纤维是光导纤维的主要类型,在制造过程中,需要采用氢氧焰加热,经数十次沉积,对氢气纯度和洁净度都有很高要求。

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4、 焊接

用氢气和氧气可进行焊接。氢气在氧气中燃烧的温度可达3100K,氢通过电弧的火焰时分解成原子氢,生成的原子氢飞向熔接表面,金属依靠吸收原子氢的热被进一步加热、熔化,使金属焊接表面的温度高达3800-4300K。这种原子氢可用于最难熔的金属、高碳钢、耐腐蚀材料、有色金属等的熔融和焊接。用原子氢进行焊接的优点在于,氢原子束能防止焊接部位被氧化,使焊接的地方不产生氧化皮。

 

5、 低温

由于氢是除氦以外具有极低沸点的气体,液态氢在真空中蒸发可获得14-15K的低温,因而,在需要获得超低温的科学研究中,常用氢作制冷剂。

 

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乙炔

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切割焊接

 

乙炔燃烧时能产生高温,氧炔焰的温度可以达到3200℃左右,用于切割和焊接金属。

 

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氦气

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1、 焊接

 

利用氦气不活泼的化学性质,氦气常用于镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气。当一些金属在加热或熔化时,为了阻止其和大气中的氧和氮反应, 必须用惰性气氛保护。金属焊接加工中消耗了大量的氦。在惰性气体保护的钨电弧焊(TIG)中,不熔化的钨电、灼热的金属填充物和焊接区域要用连续氦或氦-氩混合进行保护。保护焊接所用的气体混合物,可以用氦和氩按不同比例配制。根据焊接工艺、焊丝和被焊的母材的不同,混合气的组成可以不同。通常,氦-氩混合气中氦的含量为15%-70%,有时还可加入约0.015%的氦。

 

2、切割

氦和氦与其他气体的混合物在等离子体电弧装置中作为工作介质,可生产50000K以上的等离子体射流,用来切割金属和喷镀耐熔的合金及陶瓷。

3、低温处理

由于氦的化学惰性,它在除极低温度外的所有温度下都接近理想气体行为,且单位质量的热容量高,黏度低和热导率高等特性,所以气氦通常被用做封闭循环低温制冷机的工作介质。液态氦可以产生供固体物理学研究所需的极低温。

 

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氙气

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焊接

用氙灯光线经凹镜聚光后,温度可达到2500e,不仅可容易地焊接钢材,还可焊接钛、钼这类难熔金属。

 

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氖气

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低温工程

 

由于氖具有化学惰性,且蒸发潜热大(按同体积液体计,液氖制冷能为液氢的2。7倍),因此,在25-40K内,经常用氖代替氢作为实验的安全冷却剂。为了能够把大空间快速抽成真空状态,经常使用液氦低温泵,若真空要求不高,也可以采用液氖低温泵。用氖做介质制成的封闭循环式微型制冷机,可被用于导弹的红外检测器。

因为在现实情况中,安全和卫生方面的遇到的气体很多都是有机无机气体的混合物。只是由于各种原因,目前对于有毒有害气体的认识还更多地集中于可燃气体、可以引起急性中毒的气体(硫化氢、氰氢酸等)、以及某些常见的有毒气体(一氧化碳)、氧气等检测仪上,因此,本文将首先着重介绍这类检测仪,并综合目前的情况对各类有毒有害(无机/有机)气体检测仪的应用提出建议。

 

有毒有害气体检测仪的分类和原理: 气体检测仪的关键部件是气体传感器。

 

气体传感器从原理上可以分为三大类:

 

A) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。

 

B) 利用物理性质的气体传感器:如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。

 

C) 利用电化学性质的气体传感器:如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。

 

根据危害,我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。

 

由于它们性质和危害不同,其检测手段也有所不同。

 

可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体,它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体:如一氧化碳等。 可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件,那就是:一定浓度的可燃气体,一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源,这就是爆炸三要素(如上左图所示的爆炸三角形),缺一不可,也就是说,缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。 当可燃气体(蒸汽、粉尘)和氧气混合并达到一定浓度时,遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限,简称爆炸极限,一般用%表示。实际上,这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。

 

当可燃气体浓度低于LEL(最低爆炸限度)时(可燃气体浓度不足)和其浓度高于UEL(最高爆炸限度)时(氧气不足)都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同(参见第八期的介绍),这一点在标定仪器时要十分注意。为安全起见,一般我们应当在可燃气体浓度在LEL的10%和20%时发出警报,这里,10%LEL称。作警告警报,而20%LEL称作危险警报。这也就是我们将可燃气体检测仪又称作LEL检测仪的原因。

 

需要说明的是,LEL检测仪上显示的100%不是可燃气体的浓度达到气体体积的100%,而是达到了LEL的100%,即相当于可燃气体的最低爆炸下限,如果是甲烷,100%LEL=4%体积浓度(VOL).在工作中,以LEL方式测量这些气体的检测仪是我们常见的催化燃烧式检测仪。它的原理是一个双路电桥(一般称作惠斯通电桥)检测单元。在这其中的一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质,不论何种易燃气体,只要它能够被电极引燃,铂金丝电桥的电阻就会由于温度变化发生改变,这种电阻变化同可燃气体的浓度成一定比例,通过仪器的电路系统和微处理机可以计算出可燃气体的浓度。 直接测量可燃气体的体积浓度的热导式VOL检测器也可以在市场上得到,同时,也已经有了LEL/VOL合二为一的检测器。VOL可燃检测器特别适合于在缺氧(氧气不足)的环境中测量可燃气体的体积(VOL)浓度。

 

有毒气体既可以存在于生产原料中,如大多数的有机化学物质(VOC),也可能存在于生产过程的各个环节的副产品中,如氨、一氧化碳、硫化氢等等。它们是对工作人员造成危害最大的危险因素。这种危害不仅包括立即的伤害,如身体不适、发病、死亡等等,而且包括对于人体长期的危害,如致残、癌变等等。对于这些有毒有害气体的检测是我们发展中国家应当开始引起充分重视的问题。

 

表常见有毒有害气体的TWA(8小时统计权重平均值)、STEL(15分钟短期暴露水平)、IDLH(立即致死量)(ppm)和MAC(车间最大允许浓度)mg/m3。

 

有毒气体 TWA STEL IDLH MAC

    氨气 (NH3) 25 35 500 30

    一氧化碳(CO) 25 — 1500 30

    氯气 (Cl2) 0.5 1 30 1

    氰化氢 (HCN) 10 4.7 50 0.3

    硫化氢(H2S) 10 15 300 10

    一氧化氮 (NO) 25 — 100 –

    二氧化硫(SO2) 2 5 100 15

    VOC* 50 100 — –

 

随气体种类不同,其TWA、STEL、IDLH、MAC等值会有一定的不同 目前,对于特定的有毒气体的检测,我们使用最多的是专用气体传感器。它可以包括上面。所列的所有气体传感器,也包括前两章所介绍的光离子化检测仪。其中,检测无机气体最为普遍、技术相对成熟、综合指标最好的方法是定电位电解式方法,也就是我们常说的电化学传感器。

 

    电化学传感器的构成是:将两个反应电极–工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中(如上图如示),然后在反应电极之间加上足够的电压,使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应,再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流,然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。

 

目前,可以检测到特定气体的电化学传感器包括:一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。 检测VOC检测 器可以使用前章介绍的光离子化检测器。氧气也是在工业环境中,尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧),此时很容易发生爆炸的危险;而氧气含量低于19.5%为氧气不足(缺氧),此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。

 

目前在选择有毒有害气体检测仪时的问题: 在我国,由于历史和认识上的原因,我们在选用各类检测仪时存在的问题还比较多,具体体现在:

 

1) 对可燃气体的检测重于对有毒气体的检测。

 

2) 对可能引起急性中毒气体的检测重于对可能引起慢性中毒的气体的检测。

 

由于众多可燃气体泄漏所引起的爆炸事故的血的教训,使人们对于可燃气体检测十分重视,可以讲,任何一个石化、化工厂,绝大多数的危险气体检测仪都是LEL检测仪。但仅配备LEL检测仪对于真正保护工人的安全和健康还是远远不够的。 不可否认的是,大多数的挥发性危险气体都是可燃气体,但是,催化燃烧式的可燃气体检测仪(LEL)并不是对所有的可燃气体检测都是最佳选择。它是专门为检测甲烷设计的,而对其它物质的检测性能比较差。所以,它们可以检测出的除甲烷以外的可燃气体的下限浓度要远远高于它们的允许浓度。

 

比如:对于苯、氨气等危险有毒气体,单纯使用可燃气体检测仪就是一个十分危险的做法。比如,苯的爆炸下限是1.2%,它在LEL检测仪上的校正系数是2.51,也就是说,苯在一个用甲烷标定的LEL检测仪上的显示的浓度只是其实际浓度的40%!!这样,用LEL可以检测到的苯的最低警报浓度是10%LEL=10%*1.2%*2.51=3.0*10-3,这个浓度同苯的允许浓度5*10-6相比要高近600倍!!。同样,氨在LEL检测仪上得到的警报浓度1.5*10-2也要比其允许浓度2.5*10-5高大约600倍。因此根据所检测气体的不同,选择特定有毒气体检测仪要比单纯选择LEL检测仪更加安全可靠得多。

 

另外,目前我们对于可以引起急性中毒的气体,比如硫化氢、氰氢酸等的检测较为重视,但对于可以引起慢性中毒的气体,比如芳香烃、醇类等的检测重视不够,其实后者对于工人健康和安全的危害丝毫不逊于可以引起急性中毒的气体!它们可能引起癌变和其它的隐形病症,影响工人的寿命和健康。这种现象的出现,除了认识上的原因以外,以前市场上缺乏合适的、可以检测较低浓度的有机气体检测仪也是一个重要的原因。 随着科学技术水平的发展和人们健康认识的提高,人们已经不满足于仅仅”高高兴兴上班来,平平安安回家去”,而是追求着更高的生活质量和生活条件。人们不仅关心着今日的工作,更关心着明天—-退休以后的生活。

 

因此在工业卫生和工业安全工作中要不断地引入新观念、新思路才能不仅要避免眼前的危险发生,而更要注意避免日后悲剧的发生,所有这些,都需要通过法规制定和人们素质的提高得到不断地改善和提高。我们将在下节内容中探讨如何选择和维护各类有毒有害气体传感器。