韓閏勞，林鋼，楊丹

(1.慶陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000;2.酒鋼集團(tuán)蘭州長(zhǎng)虹焊接材料有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000;3.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢430072)

0 前言

國(guó)內(nèi)外有關(guān)監(jiān)測(cè)資料顯示，焊接煙塵中，氧化鐵一般占煙塵總量的35% ～56%，其次是氧化硅，其含量占10% ～20%，氧化錳占5% ～20%。焊接煙塵粒度范圍一般在0.1 ～11 μm 之間，其中粒度 3.3 μm 以下的占比約91%以上。焊條的發(fā)塵主要取決于其藥皮成分，焊條發(fā)塵實(shí)質(zhì)上主要是過(guò)熱、藥皮成分蒸發(fā)的過(guò)程，在焊接過(guò)程中由于高溫燃燒產(chǎn)生的煙氣在電弧的推力作用下，焊條端部及其母材相應(yīng)被熔化，熔液表面劇烈噴射由藥皮及焊芯產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽并向四周擴(kuò)散，過(guò)熱的熔滴上蒸發(fā)出來(lái)的金屬蒸氣在弧柱中激烈燃燒冷卻后得到的氧化物就是煙塵。產(chǎn)生的煙塵積聚后部分凝聚成固體微粒，形成氣體和固體微粒組成的混合物，在施焊區(qū)周?chē)蛇B鎖的不規(guī)則的樹(shù)枝狀霧團(tuán)，冷卻過(guò)程中相互粘結(jié)，相對(duì)時(shí)間段內(nèi)漂浮在施焊區(qū)域，流動(dòng)性相對(duì)較差。隨著溫度和濕度及作業(yè)環(huán)境變化，長(zhǎng)時(shí)間積聚會(huì)粘附到附近的設(shè)施上，如果不進(jìn)行抽排處理，焊工的身心健康將受到嚴(yán)重威脅［1－3］。

目前國(guó)內(nèi)焊接煙塵凈化處理措施主要有以下幾種:一種是焊工呼吸保護(hù)設(shè)備、吸氣焊槍和吸氣面罩式，這種方式只保護(hù)了焊工個(gè)人，對(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)保護(hù)作用，適合特殊作業(yè)環(huán)境;一種是采用車(chē)間排風(fēng)扇全面換氣的方式直接抽排式，這種方式屬于混合通風(fēng)、稀釋焊煙濃度方法，能將一部分煙塵排至室外，但排煙效果并不明顯，在大部分工人操作地帶的煙塵濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值，特別是在一些封閉的和半開(kāi)放的設(shè)備中進(jìn)行作業(yè)時(shí)情況更為嚴(yán)重，同樣對(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)保護(hù)作用;第三種是根據(jù)固定的焊接工位布置相應(yīng)的分支抽風(fēng)系統(tǒng)，安裝排煙罩進(jìn)行排煙，匯流至總管道由抽排風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽排。其抽排式有兩種形式，即直接排空式和過(guò)濾后排空式，兩種方式均未對(duì)有害氣體進(jìn)行徹底凈化處理，造成作業(yè)區(qū)周?chē)h(huán)境的大氣污染;第四種是通過(guò)布袋除塵器收集后排空式，除塵效果好，但噪音大，影響附近人群身心健康;第五種是局部排風(fēng)式，使用移動(dòng)式煙塵凈化器局部煙塵抽吸設(shè)備，在特定的場(chǎng)合效果較好，但成本高，空間位置占比大，使用有一定的局限性［1，4］。

大部分專(zhuān)家多從焊條成分等方面著手，以減少產(chǎn)生有毒、有害污染源，固然可從根本上達(dá)到解決對(duì)環(huán)境降低污染的目的。但是，目前應(yīng)用最廣泛的還是常規(guī)手工焊焊條，污染問(wèn)題從根本上未得到解決，大部分企業(yè)或機(jī)構(gòu)防治措施相對(duì)單一，只考慮了車(chē)間作業(yè)環(huán)境的污染問(wèn)題，而對(duì)車(chē)間作業(yè)環(huán)境外的污染問(wèn)題則少有考慮，有毒有害氣體未達(dá)標(biāo)排放。有些生產(chǎn)車(chē)間或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)雖然安裝了中央煙塵處理系統(tǒng)，往往運(yùn)行一段時(shí)間后由于粘性煙塵積聚效應(yīng)，造成煙氣通過(guò)率下降，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境再度污染，還是影響了焊接作業(yè)者身心健康。

我們經(jīng)過(guò)多次嘗試，反復(fù)實(shí)踐，對(duì)我院焊接培訓(xùn)車(chē)間焊接煙塵抽排系統(tǒng)進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)建造了一種往復(fù)式高壓水流沖刷式焊接煙塵收集處理系統(tǒng)，成功地解決了這方面的問(wèn)題。

1 焊接培訓(xùn)車(chē)間基本概況

焊接培訓(xùn)車(chē)間占地面積200 m2，建設(shè)總共投資150多萬(wàn)元，承擔(dān)著中、高級(jí)焊工操作技能培訓(xùn)和技能鑒定等工作。共有50個(gè)工位，可同時(shí)進(jìn)行手工焊條電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、氣焊與氣割等基本的操作訓(xùn)練，培養(yǎng)出的學(xué)員大部分就業(yè)于煤電、煤化、石化等產(chǎn)業(yè)，年培訓(xùn)能力200人以上。年培訓(xùn)時(shí)間約300天，其平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 焊接培訓(xùn)車(chē)間平面布置

根據(jù)車(chē)間功能分區(qū)情況，設(shè)計(jì)有兩組主抽排系統(tǒng)，一組是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、氬弧焊區(qū)，該區(qū)有20個(gè)工位。另一組為焊條電弧焊區(qū)，該區(qū)有30個(gè)工位。其主管道采用直徑200～600 mm的錐形螺旋變徑式結(jié)構(gòu)，每個(gè)工位分支管道直徑均為150 mm，分支管道與主管道正向夾角為30°，工位分支管道安裝懸停吸氣臂，在垂直分支管道下端和吸氣臂連接處裝有64 W管道引風(fēng)機(jī)。吸氣臂排煙罩吸風(fēng)口采用變徑式設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，以保證焊接過(guò)程中焊接煙塵盡可能集吸。工作時(shí)，管道引風(fēng)機(jī)和主風(fēng)機(jī)將焊接煙塵送入主管道，通過(guò)煙塵過(guò)濾裝置進(jìn)行過(guò)濾抽排。但該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成煙氣通過(guò)率下降，甚至造成過(guò)濾器堵塞現(xiàn)象，使車(chē)間煙塵量濃度嚴(yán)重超標(biāo)，影響操作者身心健康，而且檢修頻次高。

2 改進(jìn)后系統(tǒng)組成及工作原理

將原有的煙塵過(guò)濾裝置改為往復(fù)式高壓水流沖刷收集裝置。該裝置安裝在主管道主風(fēng)口和引風(fēng)機(jī)中間，由進(jìn)出水平衡系統(tǒng)、U形拐臂式過(guò)濾板高壓沖洗排管、電氣控制系統(tǒng)組成。進(jìn)出水平衡系統(tǒng)由過(guò)濾器底部水封裝置(設(shè)有開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén))、補(bǔ)給水箱、沉淀池、高壓水泵、循環(huán)水泵等組成。電氣控制系統(tǒng)主要是過(guò)濾板堵塞報(bào)警裝置和清洗操作控制系統(tǒng)組成。U形拐臂式過(guò)濾板高壓沖洗排管裝置采用并聯(lián)連接方式，在沖洗排管上安裝有數(shù)個(gè)高壓噴嘴，按高壓水噴射覆蓋區(qū)域重合度及噴射力設(shè)置噴嘴間隔及噴射水壓，以保證清洗效果，往復(fù)動(dòng)作由液壓或鏈傳動(dòng)及滑塊機(jī)構(gòu)正反向運(yùn)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

往復(fù)式高壓水流沖刷收集裝置系統(tǒng)啟動(dòng)后，打開(kāi)水封裝置和沉淀池連接的閥門(mén)，帶有高壓噴頭的排管在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，高壓噴嘴持續(xù)噴射高壓水清洗過(guò)濾板，將附著在過(guò)濾板上的煙塵沖刷掉，使煙塵隨水流沉淀在過(guò)濾器的底部，隨廢水流入廢水收集沉淀池。

正常工作時(shí)過(guò)濾板下部處于水封狀態(tài)，水封裝置閥門(mén)始終關(guān)閉，以保證煙塵正常抽排。煙塵通過(guò)過(guò)濾板三次過(guò)濾后由5 m排氣筒排放。同時(shí)，煙塵中的易溶于水的有毒有害物質(zhì)在抽排過(guò)程中被過(guò)濾器下部水封部分吸收，有效的緩解對(duì)外部環(huán)境的污染［2］。停機(jī)清洗時(shí)，水封裝置閥門(mén)打開(kāi)，水封解除，沖洗廢水直接排入廢水收集池沉淀，沉淀后的水可重復(fù)利用，沉淀固廢交由有資質(zhì)的收集處理單位收集處理，其組成及原理見(jiàn)圖2。

圖2 往復(fù)式高壓水流沖刷收集裝置

3 兩種裝置效果分析

3.1 原系統(tǒng)裝置效果分析

原系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成焊接煙塵聚積粘附于過(guò)濾網(wǎng)上，造成煙氣通過(guò)率大大下降，甚至造成過(guò)濾網(wǎng)堵塞，車(chē)間煙塵量濃度遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家關(guān)于焊接車(chē)間衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，致使培訓(xùn)工作無(wú)法正常進(jìn)行。清理時(shí)發(fā)現(xiàn)有片狀板結(jié)物質(zhì)粘附于濾網(wǎng)上，垂直分支管道下端和吸氣臂連接處管道引風(fēng)機(jī)葉片上以及主管道內(nèi)壁煙塵積聚也非常嚴(yán)重。檢修時(shí)只得關(guān)閉系統(tǒng)，拆下管道引風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器過(guò)濾板進(jìn)行人工清洗，由于焊接工位較多，清洗工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)每檢修清洗一次用時(shí)最少6～8 h，每月平均堵塞2～3次。

3.2 改進(jìn)后的裝置效果分析

改進(jìn)后的往復(fù)式高壓水流沖刷式焊接煙塵收集處理系統(tǒng)，采用自動(dòng)往復(fù)式高壓水流沖刷機(jī)構(gòu)，不用拆除過(guò)濾器的過(guò)濾板進(jìn)行單獨(dú)沖洗，在高壓水流的往復(fù)沖刷作用下，附著在過(guò)濾網(wǎng)上的片狀板結(jié)物得到有效的清除，煙塵中的無(wú)機(jī)氧化物、氮氧化物、氟化物等有毒固體塵粒也隨水流進(jìn)入沉淀池，減少了煙塵中的有害物質(zhì)對(duì)操作人員和室外環(huán)境的污染。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，往復(fù)沖洗時(shí)間約15 min左右就可達(dá)到煙塵正常排放要求，不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。

本系統(tǒng)使用后，運(yùn)行順暢，使用半年來(lái)，未發(fā)現(xiàn)管道引風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器過(guò)濾網(wǎng)堵塞現(xiàn)象。排氣筒排出的尾氣中無(wú)機(jī)氧化物、氮氧化物、氟化物、臭氧、CO等濃度均小于國(guó)家規(guī)定要求。經(jīng)環(huán)保部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，本排煙處理系統(tǒng)使用后，車(chē)間內(nèi)煙塵濃度達(dá)到《車(chē)間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB16194－1996)，車(chē)間空氣中電焊煙塵最高容許濃度為6 mg/m3，《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(TJ36－79)，氧化錳(換算成 MnO2)為 0.2 mg/m3、氟化物為 1mg/m3中規(guī)定要求［1］，改進(jìn)后車(chē)間主要有害物質(zhì)檢測(cè)濃度見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)后車(chē)間內(nèi)有害物質(zhì)濃度(mg/m3)

4 結(jié)論

(1)往復(fù)式高壓水流沖刷式焊接煙塵收集處理系統(tǒng)的研制和使用，解決了常規(guī)的煙塵抽排過(guò)濾系統(tǒng)煙塵在過(guò)濾板上積聚引起堵塞造成抽排除塵效率下降的難題，過(guò)濾板清洗效果明顯。

(2)實(shí)踐證明，自動(dòng)往復(fù)式高壓水流焊接煙塵沖刷機(jī)構(gòu)可以有效地減少焊工工作環(huán)境內(nèi)外煙塵的排放、保護(hù)焊工的身心健康，節(jié)能環(huán)保效果較明顯，使用效果良好，達(dá)到了除塵、煙氣凈化的效果，具有廣泛的推廣價(jià)值。

［1］ 蘇建華.焊接車(chē)間電焊煙塵凈化技術(shù)研究［J］.電器工廠設(shè)計(jì)，2002(3):26－32.

［2］ 陳劍虹，張德鄰，李啟業(yè)，等.堿性焊條發(fā)塵致毒影響因素的研究［J］.焊接學(xué)報(bào)，1980(2):53－65.

［3］ 蔣建敏，李現(xiàn)兵，王智慧，等.焊接煙塵發(fā)塵機(jī)理及其影響因素［J］.焊接，2006(1):7－11.

［4］ 楊桂茹，呂同輝，云霞，等.焊接煙塵的影響因素及其防護(hù)措施［J］.焊接，2002(7):35－36.