059封闭式焊接车间的通风策略

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1、封闭式焊接车间的通风策略同济大学杨珂李强民摘要通过对焊接工艺的相关特点一一焊接烟尘和焊接烟羽的分析，得到了全面通风的可行性和必要性，并根据焊接车间的特点和各种常用的工业厂房全面通风方式的优劣，选取置换通风作为封闭式焊接车间的通风方式。并用CFD分别模拟采用置换通风和采用混合通风的封闭式焊接车间，通过对比得到置换通风的优越性。关键词封闭式焊接车间烟羽焊接烟尘置换通风0引言作为制造行业的重要一环，近年来我国焊接及其相关的工艺过程发展相当迅速。然而焊接时产生的人量烟尘对从业人员的疗体健康造成极人的危害。流行病学的研究显示焊工为呼吸道疾病的高发人群，据报道，相关疾病包括支气管炎、呼

2、吸道刺激、金属热、呼吸功能改变及肺癌筹⑴。因此对焊接年间，尤其是封闭式焊接车间采取适当的通风措施，控制烟尘浓度是非常必要的。本文将从焊接丄艺的相关特点出发，结合理论和CFD模拟，选择适当的通风方式。1焊接工艺的相关特点在确立合适的通风方式前，需要对焊接工艺的相关特点进行分析。由于电弧焊的广泛使用，所以以下所称焊接均指电弧焊。1.1焊接烟尘的特点焊机在焊接过程中，释放人量的焊接烟尘(粉尘和气体)。焊接烟尘是焊接车间的主要污染物。其屮危害性最人的，是铁、镒等金属的氧化物粉尘，将引发尘肺、铭中毒及金属烟热等疾病。另外，焊接时产生的0：＜、NOx、CO、HF也对人体冇极大的危害。我

3、国《车间空气中电焊烟尘卫牛标准》(GB16194-1996)规定的焊接工作区的焊接烟尘最高容许浓度为6mg/m3o在《丄作场所有害因素职业接触限制值》(GBZ2-2002)中规定焊接烟尘时间加权平均容许浓度(TWA)为4mg/m3,镒及其化合物(换算成MnOj的时间加权平均容许浓度为0.15mg/m$o通过对某厂焊接车间进行烟尘采样，可以得到焊接烟尘的粒径分布直方图，见图1。图1焊接烟尘的粒径分布直方图由图中所见，粒径小于0.2pm的尘粒占总数的50%以上，而绝大多数的尘粒其粒径都小于lm。其他学者的数据证明，焊接烟尘粒子粒径范围为1X1(T‘〜IX10Jm,其中対人体健康

4、影响最大的粒子粒径是0.l-lum[2,o这部分粒子能通过人体上呼吸道，进入肺泡，沉积在肺部，其沉积率达50%以上，能引起呼吸道疾病及肺癌⑶。因此，0.1-1um范围的焊接烟尘粒子是人们研究的垂点。如此粒径的尘粒，其沉降速度与室内气流流速相比可以忽略不计,即可以认为烟尘会随着室内气流而流动。这样就可以通过全而通风排出焊接烟尘，减小车间内的烟尘浓度。1.2焊接烟羽的特点焊接过程中会产牛大量的热，通常电焊机功率可达数千瓦或数十千瓦甚至更大。其周围空气被加热，密度降低而上升，同时卷吸周围的空气并流向房间顶部，即形成烟羽。与其同时产生的焊接烟尘由于其粒径极小，会跟随烟羽运动。以下仅

5、以GMAW（GasMetalArcWelding,气体保护熔化极电弧焊）为例。焊接刚开始进行时，初始的烟羽相当微弱，很容易受到焊机喷出的保护气体的扰乱，初始烟羽的半径较大。电极的逐渐熔化会使周围的对流愈加强烈，烟羽也逐渐发展到另外一种形状。当烟羽上升到一定高度后，其温度已降低至周围空气的温度，无法继续上升，便向四周水平散开并形成分层。焊接烟羽从开始到充分发展人约需要1-2分钟（见图2）o之厉烟羽继续扩大，其分层整体缓慢上升，此时可以看作半稳态，可借此作为稳态烟羽来研究⑷。图2焊接烟羽的形成和发展烟羽分成两个明显的部分：下部的流体其密度和速度都具有口相似性，上部的流体向四而扩

6、散，直至上升到最人的高度。Morton等人⑸建立了下部烟羽的理论模型，并对其进行了理论上的研究。Mundt,E.[6：则提出了一套计算烟羽尺寸、流量等数据的方法。而自由扩散的烟羽上部，尚无理论模型。2通风方式的选择工业厂厉的全面通风方式通常可分为口然通风和机械通风两种。封闭式的焊接车间由于维护结构全封闭，无法采用自然通风。而机械通风则主要冇活塞（均匀流）送风、置换通风、局部送风及混介（稀释）通风四种巴见表1。其中，活塞送风通常用在对空气品质要求非常高的场所，其初投资和运行费用都相对较大，常规的封闭式焊接车间无需采用。混合通风的特点是利用大量低温低浓度的新风稀释焊机产生的烟尘

7、和余热，降低整个车间内烟尘浓度及空气温度，使室内的烟尘浓度及气温趋于均匀。其缺点在于，整个车间高达12米甚至更高，而工作人员仅在离地1.8米以内的工作区活动，因此对1.8米以上的10余米的空间所做的除尘降温工作基本上是无意义的。而置换通风的长处正在于此。与混合通风以稀释原理为基础不同，置换通风则采用浮力控制为动力。置换通风的效果,使得室内空气分为上下两个相对独立的区域——F部单向流动请洁区和上部紊流混合区。两区的分界处为界而⑻。气流从下部区域进入上部区域，却很难从上部区域返冋下部区域。下部区域内温度和烟尘浓度都较低