Mercoledì, marzo 16 2011 19: 10

Fabbricazione di tubi e lampade elettriche

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Le lampade sono costituite da due tipi fondamentali: lampade a incandescenza (o ad incandescenza) e lampade a scarica. I componenti di base di entrambi i tipi di lampada includono vetro, vari pezzi di filo metallico, un gas di riempimento e solitamente una base. A seconda del produttore della lampada, questi materiali sono prodotti internamente o possono essere ottenuti da un fornitore esterno. Il tipico produttore di lampade produrrà i propri bulbi di vetro, ma potrebbe acquistare altre parti e vetri da produttori specializzati o altre aziende di lampade.

A seconda del tipo di lampada, è possibile utilizzare una varietà di occhiali. Le lampade a incandescenza e fluorescenti utilizzano tipicamente un vetro soda-calcico. Le lampade a temperature più elevate utilizzeranno un vetro borosilicato, mentre le lampade a scarica ad alta pressione utilizzeranno quarzo o ceramica per il tubo ad arco e vetro borosilicato per l'involucro esterno. Il vetro al piombo (contenente circa il 20-30% di piombo) viene generalmente utilizzato per sigillare le estremità dei bulbi delle lampade.

I fili utilizzati come supporti o connettori nella costruzione delle lampade possono essere realizzati con una varietà di materiali tra cui acciaio, nichel, rame, magnesio e ferro, mentre i filamenti sono realizzati in lega di tungsteno o tungsteno-torio. Un requisito fondamentale per il filo di supporto è che deve corrispondere alle caratteristiche di espansione del vetro in cui il filo penetra nel vetro per condurre la corrente elettrica per la lampada. Spesso in questa applicazione vengono utilizzati cavi conduttori in più parti.

Le basi (o cappucci) sono tipicamente realizzate in ottone o alluminio, l'ottone è il materiale preferito quando è richiesto l'uso all'aperto.

Lampade a filamento o ad incandescenza

Le lampade a filamento o ad incandescenza sono il tipo di lampada più antico ancora in produzione. Prendono il nome dal modo in cui queste lampade producono la loro luce: attraverso il riscaldamento di un filamento di filo a una temperatura sufficientemente alta da farlo brillare. Sebbene sia possibile produrre una lampada a incandescenza con quasi tutti i tipi di filamento (le prime lampade utilizzavano il carbonio), oggi la maggior parte di tali lampade utilizza un filamento di tungsteno metallico.

Lampade al tungsteno. La versione domestica comune di queste lampade è costituita da un bulbo di vetro che racchiude un filamento di filo di tungsteno. L'elettricità è condotta al filamento da fili che supportano il filamento e si estendono attraverso il supporto di vetro che è sigillato alla lampadina. I fili vengono quindi collegati alla base metallica, con un filo saldato all'occhiello centrale della base, l'altro collegato al guscio filettato. I fili di sostegno sono di composizione speciale, in modo da avere le stesse caratteristiche di dilatazione del vetro, evitando perdite quando le lampade si surriscaldano durante l'uso. Il bulbo di vetro è tipicamente realizzato in vetro lime, mentre il supporto del vetro è in vetro al piombo. L'anidride solforosa viene spesso utilizzata nella preparazione del supporto. L'anidride solforosa funge da lubrificante durante l'assemblaggio della lampada ad alta velocità. A seconda del design della lampada, il bulbo può racchiudere un vuoto o può utilizzare un gas di riempimento di argon o qualche altro gas non reattivo.

Le lampade di questo design sono vendute utilizzando lampadine in vetro trasparente, lampadine smerigliate e lampadine rivestite con una varietà di materiali. Le lampadine smerigliate e quelle rivestite con un materiale bianco (spesso argilla o silice amorfa) vengono utilizzate per ridurre l'abbagliamento del filamento trovato con lampadine trasparenti. I bulbi sono inoltre rivestiti con una varietà di altri rivestimenti decorativi, tra cui ceramiche colorate e lacche all'esterno dei bulbi e altri colori, come il giallo o il rosa, all'interno del bulbo.

Mentre la tipica forma domestica è la più comune, le lampade a incandescenza possono essere realizzate in molte forme di lampadine, tra cui tubolari, globi e riflettori, nonché in molte dimensioni e potenze, dalle subminiaturizzate alle grandi lampade da palcoscenico/studio.

Lampade alogene al tungsteno. Un problema nella progettazione della lampada a filamento di tungsteno standard è che il tungsteno evapora durante l'uso e si condensa sulla parete di vetro più fredda, oscurandola e riducendo la trasmissione della luce. L'aggiunta di un alogeno, come l'acido bromidrico o il bromuro di metile, al gas di riempimento elimina questo problema. L'alogeno reagisce con il tungsteno, impedendogli di condensarsi sulla parete di vetro. Quando la lampada si raffredda, il tungsteno si depositerà nuovamente sul filamento. Poiché questa reazione funziona meglio a pressioni della lampada più elevate, le lampade alogene al tungsteno contengono tipicamente gas a pressioni di diverse atmosfere. Tipicamente l'alogeno viene aggiunto come parte del gas di riempimento della lampada, solitamente a concentrazioni del 2% o inferiori.

Le lampade alogene al tungsteno possono anche utilizzare lampadine in quarzo invece che in vetro. Le lampadine al quarzo possono sopportare pressioni più elevate rispetto a quelle in vetro. Le lampadine al quarzo presentano tuttavia un potenziale pericolo, poiché il quarzo è trasparente alla luce ultravioletta. Sebbene il filamento di tungsteno produca relativamente poco ultravioletto, l'esposizione prolungata a distanza ravvicinata può produrre arrossamento della pelle e causare irritazione agli occhi. Filtrare la luce attraverso un vetro di copertura ridurrà notevolmente la quantità di ultravioletti, oltre a fornire protezione dal quarzo caldo nel caso in cui la lampada si rompa durante l'uso.

Pericoli e precauzioni

Nel complesso, i rischi maggiori nella produzione di lampade, indipendentemente dal tipo di prodotto, sono dovuti ai rischi delle apparecchiature automatizzate e alla manipolazione di lampadine e lampade di vetro e altro materiale. I tagli dal vetro e il contatto con le apparecchiature operative sono le cause più comuni di incidenti; i problemi di movimentazione dei materiali, come i movimenti ripetitivi o le lesioni alla schiena, destano particolare preoccupazione.

La saldatura al piombo viene spesso utilizzata sulle lampade. Per le lampade utilizzate in applicazioni a temperature più elevate, è possibile utilizzare saldature contenenti cadmio. Nelle operazioni automatizzate di assemblaggio di lampade, l'esposizione a entrambe queste saldature è minima. Quando si esegue la saldatura a mano, come nelle operazioni di riparazione o semiautomatiche, è necessario monitorare l'esposizione al piombo o al cadmio.

Le potenziali esposizioni a materiali pericolosi durante la produzione di lampade sono costantemente diminuite dalla metà del XX secolo. Nella produzione di lampade a incandescenza, un gran numero di lampade in precedenza veniva inciso con acido fluoridrico o soluzioni di sale bifluoruro per produrre una lampada smerigliata. Questo è stato in gran parte sostituito dall'uso di un rivestimento in argilla a bassa tossicità. Sebbene non completamente sostituito, l'uso dell'acido fluoridrico è stato notevolmente ridotto. Questo cambiamento ha ridotto il rischio di ustioni alla pelle e irritazioni polmonari dovute all'acido. I rivestimenti colorati in ceramica utilizzati all'esterno di alcuni prodotti per lampade contenevano in precedenza pigmenti di metalli pesanti come piombo, cadmio, cobalto e altri, oltre a utilizzare una fritta di vetro silicato di piombo come parte della composizione. Negli ultimi anni, molti dei pigmenti di metalli pesanti sono stati sostituiti da coloranti meno tossici. Nei casi in cui i metalli pesanti sono ancora utilizzati, può essere utilizzata una forma di tossicità inferiore (ad esempio, cromo III invece di cromo VI).

I filamenti di tungsteno a spirale continuano a essere realizzati avvolgendo il tungsteno attorno a un filo di molibdeno o di un mandrino in acciaio. Una volta che la bobina è stata formata e sinterizzata, i mandrini vengono dissolti usando acido cloridrico (per l'acciaio) o una miscela di acido nitrico e solforico per il molibdeno. A causa delle potenziali esposizioni agli acidi, questo lavoro viene abitualmente svolto in sistemi a cappa o, più recentemente, in dissolutori totalmente chiusi (specialmente dove è coinvolta la miscela nitrico/solforica).

I gas di riempimento utilizzati nelle lampade alogene al tungsteno vengono aggiunti alle lampade in sistemi completamente chiusi con poca perdita o esposizione. L'uso del bromuro di idrogeno presenta i propri problemi a causa della sua natura corrosiva. È necessario fornire LEV e utilizzare tubazioni resistenti alla corrosione per i sistemi di erogazione del gas. Il filo di tungsteno toriato (di solito dall'1 al 2% di torio) è ancora utilizzato in alcuni tipi di lampade. Tuttavia, c'è poco rischio dal torio sotto forma di filo.

L'anidride solforosa deve essere attentamente controllata. LEV dovrebbe essere utilizzato ovunque il materiale venga aggiunto al processo. I rilevatori di perdite possono essere utili anche nelle aree di stoccaggio. L'uso di bombole di gas più piccole da 75 kg è preferito rispetto a contenitori più grandi da 1,000 kg a causa delle potenziali conseguenze di un rilascio catastrofico.

L'irritazione della pelle può essere un potenziale pericolo a causa dei flussi di saldatura o delle resine utilizzate nel cemento di base. Alcuni sistemi di cemento di base utilizzano paraformaldeide invece di resine naturali, con conseguente potenziale esposizione alla formaldeide durante l'indurimento del cemento di base.

Tutte le lampade utilizzano un sistema chimico "gettering", in cui un materiale viene rivestito sul filamento prima dell'assemblaggio. Lo scopo del getter è quello di reagire e rimuovere qualsiasi residuo di umidità o ossigeno nella lampada dopo che la lampada è stata sigillata. I getter tipici includono nitruro di fosforo e miscele di polveri metalliche di alluminio e zirconio. Mentre il getter al nitruro di fosforo è abbastanza benigno nell'uso, la manipolazione di polveri metalliche di alluminio e zirconio può rappresentare un rischio di infiammabilità. I getter vengono applicati bagnati in un solvente organico, ma se il materiale viene versato, le polveri metalliche secche possono essere incendiate per attrito. Gli incendi di metalli devono essere spenti con appositi estintori di classe D e non possono essere spenti con acqua, schiuma o altri materiali usuali. Un terzo tipo di getter include l'uso di fosfina o silano. Questi materiali possono essere inclusi nel riempimento di gas della lampada a bassa concentrazione o possono essere aggiunti ad alta concentrazione e "lampeggiati" nella lampada prima del riempimento di gas finale. Entrambi questi materiali sono altamente tossici; se utilizzato ad alta concentrazione, nel sito devono essere utilizzati sistemi completamente chiusi con rilevatori di perdite e allarmi.

Lampade e tubi a scarica

Le lampade a scarica, sia a bassa che ad alta pressione, sono più efficienti in termini di luce per watt rispetto alle lampade a incandescenza. Le lampade fluorescenti sono state utilizzate per molti anni negli edifici commerciali e stanno trovando sempre più impiego in casa. Recentemente, sono state sviluppate versioni compatte della lampada fluorescente appositamente per sostituire la lampada a incandescenza.

Le lampade a scarica ad alta pressione sono state a lungo utilizzate per l'illuminazione stradale e di grandi aree. Sono in fase di sviluppo anche versioni a basso wattaggio di questi prodotti.

Lampade fluorescenti

Le lampade fluorescenti prendono il nome dalla polvere fluorescente utilizzata per rivestire l'interno del tubo di vetro. Questa polvere assorbe la luce ultravioletta prodotta dal vapore di mercurio utilizzato nella lampada, la converte e la riemette come luce visibile.

Il vetro utilizzato in questa lampada è simile a quello utilizzato nelle lampade a incandescenza, utilizzando vetro lime per il tubo e vetro al piombo per i supporti su ciascuna estremità. Attualmente sono in uso due diverse famiglie di fosfori. Gli alofosfati, a base di cloro-fluoro-fosfato di calcio o di stronzio, sono i fosfori più antichi, entrati in uso diffuso all'inizio degli anni '1950 quando sostituirono i fosfori a base di silicato di berillio. La seconda famiglia di fosfori comprende fosfori prodotti da terre rare, tipicamente tra cui ittrio, lantanio e altri. Questi fosfori di terre rare hanno in genere uno spettro di emissione ristretto e viene utilizzata una miscela di questi, generalmente un fosforo rosso, blu e verde.

I fosfori vengono miscelati con un sistema legante, sospesi in una miscela organica o in una miscela di acqua/ammoniaca e rivestiti all'interno del tubo di vetro. La sospensione organica utilizza acetato di butile, acetato di butile/nafta o xilene. A causa delle normative ambientali, le sospensioni a base acquosa stanno sostituendo quelle a base organica. Una volta applicato il rivestimento, viene asciugato sul tubo e il tubo viene riscaldato ad alta temperatura per rimuovere il legante.

Un supporto è fissato a ciascuna estremità della lampada. Il mercurio è ora introdotto nella lampada. Può essere fatto in tanti modi. Sebbene in alcune zone il mercurio venga aggiunto manualmente, il modo predominante è quello automatico, con la lampada montata verticalmente o orizzontalmente. Sulle macchine verticali, lo stelo di montaggio su un'estremità della lampada è chiuso. Quindi il mercurio viene fatto cadere nella lampada dall'alto, la lampada viene riempita con argon a bassa pressione e lo stelo del supporto superiore viene sigillato, sigillando completamente la lampada. Nelle macchine orizzontali il mercurio viene immesso da un lato, mentre la lampada viene espulsa dall'altro. L'argon viene nuovamente aggiunto alla giusta pressione ed entrambe le estremità della lampada vengono sigillate. Una volta sigillati, i cappucci o le basi vengono aggiunti alle estremità e i conduttori vengono quindi saldati o saldati ai contatti elettrici.

Possono essere utilizzati altri due modi possibili per introdurre il vapore di mercurio. In un sistema, il mercurio è contenuto in una striscia impregnata di mercurio, che rilascia il mercurio quando la lampada viene accesa per la prima volta. Nell'altro sistema viene utilizzato mercurio liquido, ma è contenuto all'interno di una capsula di vetro fissata alla montatura. La capsula si rompe dopo che la lampada è stata sigillata ed esaurita, rilasciando così il mercurio.

Le lampade fluorescenti compatte sono versioni più piccole della lampada fluorescente standard, a volte includono l'elettronica del reattore come componente integrale della lampada. Le lampade fluorescenti compatte generalmente utilizzano una miscela di fosfori di terre rare. Alcune lampade compatte incorporeranno un dispositivo di avviamento a bagliore contenente piccole quantità di materiali radioattivi per facilitare l'accensione della lampada. Questi avviatori luminosi utilizzano tipicamente krypton-85, idrogeno-3, promezio-147 o torio naturale per fornire quella che viene chiamata corrente oscura, che aiuta la lampada ad avviarsi più velocemente. Ciò è auspicabile dal punto di vista del consumatore, in cui il cliente desidera che la lampada si avvii immediatamente, senza sfarfallio.

Pericoli e precauzioni

La produzione di lampade fluorescenti ha visto un numero considerevole di cambiamenti. L'uso iniziale di un fosforo contenente berillio fu interrotto nel 1949, eliminando un rischio respiratorio significativo durante la produzione e l'uso del fosforo. In molte operazioni, le sospensioni di fosforo a base acquosa hanno sostituito le sospensioni organiche nel rivestimento delle lampade fluorescenti, riducendo l'esposizione dei lavoratori e riducendo l'emissione di COV nell'ambiente. Le sospensioni a base acquosa comportano un'esposizione minima all'ammoniaca, in particolare durante la miscelazione delle sospensioni.

Il mercurio rimane il materiale di maggiore preoccupazione durante la produzione di lampade fluorescenti. Mentre le esposizioni sono relativamente basse tranne che intorno alle macchine di scarico, esiste il potenziale per un'esposizione significativa ai lavoratori di stanza intorno alla macchina di scarico, ai meccanici che lavorano su queste macchine e durante le operazioni di pulizia. Devono essere utilizzati dispositivi di protezione individuale, come tute e guanti per evitare o limitare l'esposizione e, ove necessario, protezione respiratoria, soprattutto durante le attività di manutenzione e pulizia. Dovrebbe essere stabilito un programma di monitoraggio biologico, che includa l'analisi delle urine del mercurio, per i siti di produzione di lampade fluorescenti.

I due sistemi di fosfori attualmente in produzione utilizzano materiali considerati a tossicità relativamente bassa. Mentre alcuni degli additivi ai fosfori progenitori (come bario, piombo e manganese) hanno limiti di esposizione stabiliti da varie agenzie governative, questi componenti sono solitamente presenti in percentuali relativamente basse nelle composizioni.

Le resine fenolo-formaldeide sono utilizzate come isolanti elettrici nei terminali delle lampade. Il cemento include tipicamente resine naturali e sintetiche, che possono includere sostanze irritanti per la pelle come esametilen-tetrammina. Le apparecchiature automatizzate per la miscelazione e la manipolazione limitano il potenziale contatto con la pelle di questi materiali, limitando così il potenziale di irritazione cutanea.

Lampade al mercurio ad alta pressione

Le lampade al mercurio ad alta pressione includono due tipi simili: quelle che utilizzano solo mercurio e quelle che utilizzano una miscela di mercurio e una varietà di alogenuri metallici. Il design di base delle lampade è simile. Entrambi i tipi utilizzano un tubo ad arco di quarzo che conterrà il mercurio o la miscela di mercurio/alogenuro. Questo tubo ad arco viene quindi racchiuso in un rivestimento esterno in vetro borosilicato duro e viene aggiunta una base metallica per fornire contatti elettrici. La guaina esterna può essere trasparente o rivestita con un materiale diffondente o un fosforo per modificare il colore della luce.

Lampade al mercurio contengono solo mercurio e argon nel tubo ad arco di quarzo della lampada. Il mercurio, ad alta pressione, genera luce con un alto contenuto di blu e ultravioletti. Il tubo ad arco di quarzo è completamente trasparente alla luce UV e, nel caso in cui il rivestimento esterno venga rotto o rimosso, è una potente fonte di luce UV che può produrre ustioni alla pelle e agli occhi nelle persone esposte. Anche se il tipico design della lampada al mercurio continuerà a funzionare se il rivestimento esterno viene rimosso, i produttori offrono anche alcuni modelli con un design fuso che smetterà di funzionare se il rivestimento è rotto. Durante il normale utilizzo, il vetro borosilicato della guaina esterna assorbe un'alta percentuale della luce UV, in modo che la lampada intatta non rappresenti un pericolo.

A causa dell'elevato contenuto di blu dello spettro della lampada al mercurio, l'interno del rivestimento esterno è spesso rivestito con un fosforo come il fosfato di ittrio vanadato o un simile fosforo che accentua il rosso.

Lampade ad alogenuri metallici contengono anche mercurio e argon nel tubo ad arco, ma aggiungono alogenuri metallici (tipicamente una miscela di sodio e scandio, possibilmente con altri). L'aggiunta degli alogenuri metallici migliora l'emissione di luce rossa della lampada, producendo una lampada che ha uno spettro luminoso più equilibrato.

Pericoli e precauzioni

Oltre al mercurio, i materiali potenzialmente pericolosi utilizzati nella produzione di lampade al mercurio ad alta pressione includono i materiali di rivestimento utilizzati sugli involucri esterni e gli additivi agli alogenuri utilizzati nelle lampade ad alogenuri metallici. Un materiale di rivestimento è un semplice diffusore, lo stesso utilizzato nelle lampade a incandescenza. Un altro è un fosforo che corregge il colore, ittrio vanadato o fosfato di ittrio vanadato. Sebbene simile al pentossido di vanadio, il vanadato è considerato meno tossico. L'esposizione ai materiali alogenuri normalmente non è significativa, poiché gli alogenuri reagiscono in aria umida e devono essere mantenuti asciutti e in atmosfera inerte durante la manipolazione e l'uso. Allo stesso modo, sebbene il sodio sia un metallo altamente reattivo, anch'esso deve essere maneggiato in un'atmosfera inerte per evitare l'ossidazione del metallo.

Lampade al sodio

Attualmente vengono prodotti due tipi di lampade al sodio. Le lampade a bassa pressione contengono solo sodio metallico come sorgente luminosa e producono una luce molto gialla. Le lampade al sodio ad alta pressione utilizzano mercurio e sodio per generare una luce più bianca.

Lampade al sodio a bassa pressione hanno un tubo di vetro, che contiene il sodio metallico, racchiuso in un secondo tubo di vetro.

Lampade al sodio ad alta pressione contengono una miscela di mercurio e sodio all'interno di un tubo ad arco di allumina ceramica ad alta purezza. A parte la composizione del tubo ad arco, la costruzione della lampada al sodio ad alta pressione è essenzialmente la stessa delle lampade al mercurio e agli alogenuri metallici.

Pericoli e precauzioni

Ci sono pochi rischi unici durante la produzione di lampade al sodio ad alta o bassa pressione. In entrambi i tipi di lampada, il sodio deve essere mantenuto asciutto. Il sodio metallico puro reagirà violentemente con l'acqua, producendo idrogeno gassoso e calore sufficiente a provocare l'accensione. Il sodio metallico lasciato nell'aria reagirà con l'umidità nell'aria, producendo un rivestimento di ossido sul metallo. Per evitare ciò, il sodio viene solitamente maneggiato in un vano portaoggetti, in atmosfera secca di azoto o argon. Per i siti che producono lampade al sodio ad alta pressione, sono necessarie ulteriori precauzioni per gestire il mercurio, simili a quelle dei siti che producono lampade al mercurio ad alta pressione.

Problemi ambientali e di salute pubblica

Lo smaltimento dei rifiuti e/o il riciclaggio delle lampade contenenti mercurio è un problema che ha ricevuto un alto grado di attenzione in molte aree del mondo negli ultimi anni. Mentre nella migliore delle ipotesi si tratta di un'operazione di "break even" dal punto di vista dei costi, attualmente esiste una tecnologia per recuperare il mercurio dalle lampade fluorescenti ea scarica ad alta pressione. Il riciclaggio dei materiali delle lampade attualmente è descritto più accuratamente come recupero, poiché i materiali delle lampade vengono raramente rielaborati e utilizzati per realizzare nuove lampade. In genere, le parti metalliche vengono inviate ai rivenditori di rottami metallici. Il vetro recuperato può essere utilizzato per realizzare vetroresina o blocchi di vetro o utilizzato come aggregato nelle pavimentazioni in cemento o asfalto. Il riciclaggio può essere l'alternativa a basso costo, a seconda dell'ubicazione e della disponibilità di opzioni di riciclaggio e di smaltimento dei rifiuti pericolosi o speciali.

I reattori utilizzati nelle installazioni di lampade fluorescenti in precedenza contenevano condensatori che utilizzavano PCB come dielettrico. Sebbene la produzione di reattori contenenti PCB sia stata interrotta, molti dei reattori più vecchi potrebbero essere ancora in uso a causa della loro lunga aspettativa di vita. Lo smaltimento dei reattori contenenti PCB può essere regolamentato e può richiedere lo smaltimento come rifiuto speciale o pericoloso.

La produzione di vetro, in particolare i vetri borosilicati, può essere una fonte significativa di NOx emissione in atmosfera. Recentemente, l'ossigeno puro invece dell'aria è stato utilizzato con bruciatori a gas come mezzo per ridurre il NOx emissioni.

 

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Leggi 9963 volte Ultima modifica Martedì, Giugno 28 2011 13: 46

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