环氧树脂材料在静电涂敷应用中的爆炸防护(3)
在这个项目中,根据前期与安全认证机构的讨论,选用Fike品牌无焰泄爆装置,使用无焰排放阀的时候,需要确定安全距离。因为无焰泄放装置虽然可以将火焰灭掉,但是在安全距离内仍有热量,温度会达到200~300℃ 左右,Fike的无焰泄爆装置安全距离是0.89 m。集尘器安装四周设备密集,也有人员操作,把无焰泄爆装置安装在集尘器上部2.3 m高,而且开口朝上,让热量朝上喷出,不会对周边设备及人员造成破坏。
请注意安全距离,按照Fike的指引,其安全距离为2 DH
图6 单向隔离阀工作原理
其中,a=400 mm(无焰排放阀的宽度);
b=500 mm(无焰排放阀的长度)。
所以DH=0.444 m,也就是说,在Zone A的区间内(2×DH=0.89 m内),其最温度会在203℃以内,Zone B的区间内(10×DH=4.44 m内),其最高温度会在165℃以内。
4.2.2 爆破板
选型依据通过专业计算表venting system design tool计算得出:保护体积为25m3,选用900 mm×900 mm的爆破板3件。选用型号CV RI 400X500。
4.2.3 双向隔爆阀保护机理
双向隔爆阀阀门的气罐正常状态下是充满4~6 bar的压缩空气。在阀门未启动前,阀门上的启动电池阀关闭,隔断气罐与充气区的通道。当阀门启动时,电磁阀打开,将气罐内的压缩空气导引到阀门内充气区中。套筒因而被压缩空气压扁,从而隔离火焰通过。见图5。
图5 双向隔爆阀保护机理
此类的阀门Fike刚开发出来是为了取代EIV的,因为其成本比EIV低,主要使用在下面的应用场合:
(1)粉尘的磨耗性比较低:由于套筒是软性材料而会被磨耗,只要表面磨损后,它就会更容易囤积更多的粉料。
(2)不宜考虑安装在离爆炸区远的距离安装:此阀门是用电磁阀来启动。所以反应时间比较长。所以使用此阀门时,不能安装在比较远的距离。因为爆炸的火焰在管道内蔓延时,其压力会随着蔓延距离而增大。而此阀门闭合的压力只有4~6 bar,如果在管道中的爆炸压力增大到4~6 bar时,爆炸压力就会将套筒推开。
4.2.4 单向隔离阀
单向隔离为被动隔离,被动隔离系统不同于主动隔离系统,被动隔离中的阀门独自运行,没有其他任何辅助设备,如压力检波器和其他备用检测器。
工作原理:门转轴与流动方向垂直,在没有流体流动情况下,门关闭。气流将门打开,允许正常流动。当邻近的储罐发生爆破时,气流反向流动导致门迅速拉下至底座,从而阻止爆破压力和火焰蔓延(图6)。
4.2.5 电动锁气卸灰阀
电动锁气卸灰阀可以保证输送管内的气流压力不泄漏,能够安全地输送和收结物料,根据集尘器实际回粉量,选用RS150D即可满足回粉和上料的需求。
5 结论
本文研究了环氧树脂材料在静电涂敷工艺下的爆炸防护,首先对材料的属性进行了分析,按照这一原则,提出了有针对性的解决方法,经过5条生产线防爆改造和3个月的连续生产,证明此次改造没有影响到原来的生产工艺,同时对危险因素采取了有效的防护,总体设计方案如图7所示。
图7 总体设计方案图
[1]吴志恒,方少强,周锦添,等.HYTF-7型电机转子环氧绝缘层自动涂敷机的研制[J].机械开发,1997(01):17.
[2]许景哲.环氧树脂生产中萃取剂的选用[J].热固性树脂,1990(01):10.
[3]吴洪志.环氧树脂胶粘剂的应用[J].粘接,1995,16(06):25.
[4]陈平.酸酐固化环氧树脂的松弛机理及其与力学性能的关系[J].纤维复合材料,1989(03):46.
[5]周宝伟,郑泰山.汽车微电机转子粉末涂敷浅析[J].机电工程技术,2015(08):17-19.
[6]陈秋华,余宁.一种新型转子环氧树脂涂敷机[J].机电工程技术,2013(10):81-83.
0 引言近年来,汽车用微电机在生产过程中,转子的绝缘处理方式由插纸绝缘工艺逐步被环氧树脂粉末静电涂敷工艺所取代,环氧树脂固化后,体系具有优良的力学性能和电性能[1],能在转子表面形成强度和韧度极高的涂层,但是在生产过程中,由于采用了静电上粉工艺,就带来了粉末爆炸隐患,因此,为消除安全隐患,在涂敷设备设计、制造中必须采取防爆措施。1 环氧树脂材料特性环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称[2]。它是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。由于环氧基的化学活性,可用多种含有活泼氢的化合物使其开环,固化交联生成网状结构,因此它是一种热固性树脂[3]。由于环氧树脂的绝缘性能高、结构强度大和密封性能好等许多独特的优点,已在高低压电器、电机和电子元器件的绝缘及封装上得到广泛应用,发展很快,主要用于电器、电机绝缘封装件的浇注,如电磁铁、接触器线圈、互感器、干式变压器等高低压电器的整体全密封绝缘封装件的制造,在电器工业中得到了快速发展,从常压浇注、真空浇注已发展到自动压力凝胶成型。环氧树脂粉末经过热固化后具有很强粘附力,环氧树脂分子链中由于固有的极性羟基和醚键的存在,使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩率低,产生的内应力小,这也有助于提高粘附强度。环氧树脂固化后,体系具有优良的力学性能和电性能,是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。通常,固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其他性能一样,化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂[4]。适当地选用环氧树脂和固化剂,可以使其具有特殊的化学稳定性能,上述的许多性能的综合,使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性,固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌,可以在苛刻的热带条件下使用。2 目前采用的静电涂敷工艺在汽车微电机转子绝缘生产中使用的环环氧树脂是一种粉末,颗粒度分布为18.7~163μm的材料,如图1所示。图1 颗粒度分布图静电涂敷工艺流程包括:高频除油、静电上粉、刮粉、高频固化。高频除油是将转子通过高频电源加热到230℃左右,把残存在硅钢片内部的油脂蒸发掉,防止在固化时产生气泡,这一区域的防爆等级为21区。涂敷区[5](见图2)是工件涂敷上粉工艺区,由静电发生器、流化床、电极等组成,电极由铜板和钨电针构成,电极接静电发生器的阴极。当静电发生器工作时,阴极有55~90 kV的静电高压,此时放电针周围的空气产生电晕现象,经过干燥处理的压缩空气由流化床底部被徐徐送入涂敷区,不断流经放电针而带有电荷。这些带有电荷的空气通过流化床中的多孔透气流化板,流进流化槽,带有电荷的气体与在流化槽内的环氧树脂粉末接触,并将电荷转移给环氧树脂粉末,同时将其吹起并形成沸腾的云雾,粉末悬浮在流化槽内。而工件转子则接到静电发生器的阳极,同时接地,在静电场的作用下,带电荷的环氧树脂粉末向上部的电机转子运动,并被吸附在转子表面,而其所带的电荷则通过阳极回到静电发生器,即完成了环氧树脂粉末流化床上粉工作[6]。这一区域是高压静电和绝缘粉末的接触区,爆炸等级为20区。图2 涂敷区清洁区[6](图3)装有刮粉机构和吹粉机构,当丝杆转动带动工件转子进入此区域时,工件被带转机构托起并转动,工件外径面等不需要涂敷的粉末被刮粉机构的倾斜刮片刮除,残留在护轴套上的粉末,会被上面吹粉机构的气刷通过压缩空气吹落,从而完成工件转子的清洁工作。固化区是通过高频感应加热使工件转子上的粉末固化。高频加热是利用集肤热效应,在工件表面产生涡流,从而迅速地将工件表面加热。吸附在表面的粉末也不断被溶化、流平、胶化,最后被固化,形成一均匀的硬化绝缘涂层。图3 清洁区3 静电涂敷过程中的爆炸防护3.1 爆炸因素物理化学性质:物质的燃烧值越大,粉尘的爆炸危险性也越大,如煤、碳、硫的粉尘等;易氧化的物质其粉尘越易爆炸,如镁、氧化亚铁、染料等;易带电的粉尘易爆炸。粉尘的颗粒越细,吸附的氧就越多,因而越易发生爆炸,而且发火点越低,爆炸下限也越低。随着粉尘颗粒的直径的减小,不仅化学活性增加,而且还容易带上静电,环氧树脂粉末在涂敷生产过程中,由于特殊的工艺要求,需要利用其易带静电的特性,使其吸附在转子的表面,这样就加大了爆炸的风险 爆炸特点(1)多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点;(2)粉尘爆炸所需的最小点火能量较高,一般在几十毫焦耳以上;(3)与可燃性气体爆炸相比,粉尘爆炸压力上升较缓慢,较高压力持续时间长,释放的能量大,破坏力强 防护措施通风和降低粉尘浓度是防止爆炸的关键措施,在不具备上述条件时,采用设备收集粉尘是一种有效的手段,因此必须在集尘设备做好防爆措施,通常在设备外壳设泄爆装置,或采用爆炸遏制系统等。对存在粉尘爆炸危险的厂房,必须严格按照防爆技术等级进行设计,单独设置通风、排尘系统。日常管理要经常湿式打扫车间地面和设备,防止粉尘飞扬和聚集。保证防爆系统要有很好的密闭性。常用的防爆措施主要有四种:遏制、隔离、泄放、抑制。其中泄放分为正常情况下的压力泄放(泄爆板)和无火焰泄放;隔离分为机械隔离和化学隔离。主要防护设备包括:防爆板、防爆门、无焰泄放系统(具有方向性)、隔离阀以及抑爆系统。实际上在整个系统中,并不是每一种防护措施单独使用,必须采用多种防护措施进行组合运用,使之达到更好的防护效果。在既有厂房和设备上做爆炸防护具有一定难度,受场地限制、原始生产工艺及周围环境的影响,在设计防护工艺时,设备的参数选择至关重要。例如下述条件下的防爆改造:(1)集尘器的外形尺寸为长1 100 mm×宽1 000 mm,风量1 400~1 500 m3/h,同时根据粉尘粒径检测,要求过滤风速达到0.6 m/min;(2)过滤芯材质必须防静电阻燃;(3)防爆方案采用集尘器本体无焰泄爆装置+入口单向隔爆阀+出口双向隔爆阀;(4)集尘器与粉仓直间要安装锁气卸灰阀,并且要求所用电机为防爆电机;(5)在涂敷设备20.21.22区内所用电气件改成满足防爆要求的电器元件。4 集尘器本体防爆及防爆器件选型4.1 本体防爆设计根据涂敷设备实际使用需求风量,需要过滤面=1 500/60/0.6=41.7 m2,要在如此狭小的空间里实现41.72 m2的过滤面积,滤筒的设计至关重要,通过计算需要9个直径在200 mm的滤筒才能符合要求,在不改变涂敷机原有工艺的前提下,需要满足出风口排放达到环保排放标准,滤材需要同时满足防静电抗阻燃要求,因此设计参数如表1所示。表1 设计参数项目1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0说明TD-486 Ultra-Web Conductive FRCartridge防静电阻燃滤筒1 500 m3/h 50.2 m2 0.49 m/min-3.8 kPa 9只>0.5μm的粉尘≥99.999%压差和时间清灰控制系统,显示压差和设定值。脉冲反吹自洁净清灰方式,ExtralifeTM专利技术。11 12 13 14 15内容设备型号选用滤材处理风量除尘器过滤面积过滤风速使用点压力滤筒数量除尘器过滤效率除尘滤器控制方式除尘器清灰方式设备运行阻力外形占地尺寸承压能力设备Pred系统风机参数ΔP≤400~750 Pa 1000mm×900mm-5000Pa 0.3bar 5.5 kW@3800Pa根据理论计算出来的除尘风量及系统阻力选用风机 kW-2P,参数为1 500 m3/h@3 800 Pa,工作温度为常温。滤材选择如表2所示。表2 滤材选择项目滤材组成最高连续使用温度过滤效率易堵塞性硬度单只滤芯过滤面积滤材过滤风速、过滤精度、磨损、使用寿命Ultra-Web Conductive FR滤材基材(特种纤维材料)+超薄纤维层+防静电+阻燃介质82℃在0.5μm达99.999%不易堵塞较硬,有一定强度,易反吹涨开5.6m2根据不同的工作环境及粉尘特性,所取的过滤风速不同。较低的过滤风速保证了优良的过滤效率,减小了粉尘与滤材之间的磨损,提高了滤芯的使用寿命4.2 防爆器件选型因为集尘设备安放在室内,无法直接进行泄爆。为保证室内人员及设备安全,防爆系统是要保护集尘器及管道,使集尘器在爆炸过程中不被炸坏,并且隔离管道,让火焰不要蔓延,因此:在这个实例中集成器本体防爆保护部分采用了无焰排放阀、泄爆板,管道部分选用了单向隔离阀、双向隔离阀,下料口采用了锁气卸灰阀(如图4)。图4 防护范围图4.2.1 无焰泄爆排放阀根据安全认证机构对粉尘MSDS分析,此涂敷生产线使用粉尘为PMDA(均苯四甲酸二酐),其爆炸指数是K max=(d p/d t)max=250.7 bar/s → K st=68bar·m/s=6.8 MPa·m/s(powder1#)。关于粉尘爆炸烈度等级,根据ISO-6184及VDI-3673对粉尘K st值(bar·m·s-1)的爆烈等级划分,该粉尘等级为ST1等级。在这个项目中,根据前期与安全认证机构的讨论,选用Fike品牌无焰泄爆装置,使用无焰排放阀的时候,需要确定安全距离。因为无焰泄放装置虽然可以将火焰灭掉,但是在安全距离内仍有热量,温度会达到200~300℃ 左右,Fike的无焰泄爆装置安全距离是0.89 m。集尘器安装四周设备密集,也有人员操作,把无焰泄爆装置安装在集尘器上部2.3 m高,而且开口朝上,让热量朝上喷出,不会对周边设备及人员造成破坏。请注意安全距离,按照Fike的指引,其安全距离为2 DH图6 单向隔离阀工作原理其中,a=400 mm(无焰排放阀的宽度);b=500 mm(无焰排放阀的长度)。所以DH=0.444 m,也就是说,在Zone A的区间内(2×DH=0.89 m内),其最温度会在203℃以内,Zone B的区间内(10×DH=4.44 m内),其最高温度会 爆破板选型依据通过专业计算表venting system design tool计算得出:保护体积为25m3,选用900 mm×900 mm的爆破板3件。选用型号CV RI 双向隔爆阀保护机理双向隔爆阀阀门的气罐正常状态下是充满4~6 bar的压缩空气。在阀门未启动前,阀门上的启动电池阀关闭,隔断气罐与充气区的通道。当阀门启动时,电磁阀打开,将气罐内的压缩空气导引到阀门内充气区中。套筒因而被压缩空气压扁,从而隔离火焰通过。见图5。图5 双向隔爆阀保护机理此类的阀门Fike刚开发出来是为了取代EIV的,因为其成本比EIV低,主要使用在下面的应用场合:(1)粉尘的磨耗性比较低:由于套筒是软性材料而会被磨耗,只要表面磨损后,它就会更容易囤积更多的粉料。(2)不宜考虑安装在离爆炸区远的距离安装:此阀门是用电磁阀来启动。所以反应时间比较长。所以使用此阀门时,不能安装在比较远的距离。因为爆炸的火焰在管道内蔓延时,其压力会随着蔓延距离而增大。而此阀门闭合的压力只有4~6 bar,如果在管道中的爆炸压力增大到4~6 bar时,爆炸压力就会将套筒推?单向隔离阀单向隔离为被动隔离,被动隔离系统不同于主动隔离系统,被动隔离中的阀门独自运行,没有其他任何辅助设备,如压力检波器和其他备用检测器。工作原理:门转轴与流动方向垂直,在没有流体流动情况下,门关闭。气流将门打开,允许正常流动。当邻近的储罐发生爆破时,气流反向流动导致门迅速拉下至底座,从而阻止爆破压力和火焰蔓延(?电动锁气卸灰阀电动锁气卸灰阀可以保证输送管内的气流压力不泄漏,能够安全地输送和收结物料,根据集尘器实际回粉量,选用RS150D即可满足回粉和上料的需求。5 结论本文研究了环氧树脂材料在静电涂敷工艺下的爆炸防护,首先对材料的属性进行了分析,按照这一原则,提出了有针对性的解决方法,经过5条生产线防爆改造和3个月的连续生产,证明此次改造没有影响到原来的生产工艺,同时对危险因素采取了有效的防护,总体设计方案如图7所示。图7 总体设计方案图参考文献:[1]吴志恒,方少强,周锦添,等.HYTF-7型电机转子环氧绝缘层自动涂敷机的研制[J].机械开发,1997(01):17.[2]许景哲.环氧树脂生产中萃取剂的选用[J].热固性树脂,1990(01):10.[3]吴洪志.环氧树脂胶粘剂的应用[J].粘接,1995,16(06):25.[4]陈平.酸酐固化环氧树脂的松弛机理及其与力学性能的关系[J].纤维复合材料,1989(03):46.[5]周宝伟,郑泰山.汽车微电机转子粉末涂敷浅析[J].机电工程技术,2015(08):17-19.[6]陈秋华,余宁.一种新型转子环氧树脂涂敷机[J].机电工程技术,2013(10):81-83.
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0222/470.html