焊接技术是机械加工工业一项不可缺少的工业技术手段,然而在焊接过程中会产生大量有毒的金属烟雾和电焊尘,严重危害焊工的身心健康。工件在焊接过程中,焊点温度为1 500 ℃左右,焊点加热周围空气形成向上运动的80 ℃左右焊接烟气,焊接烟尘的80%～90%来源于焊条药皮和焊芯,焊接烟尘中的主要有害物质为Fe₂O₃、SiO₂、MnO、HF等。其中含量最多的为Fe₂O₃,一般占烟尘总量的35.56%;其次为SiO₂,其含量占10%～20%;MnO占5%～20%。焊接烟尘粒子直径主要为0.10～1.25 μm ^[1]。

　　 本文以某大型焊接车间为例,通过数值模拟的方法,分析焊接烟尘在大空间的扩散机理,发现烟尘颗粒在车间上空停滞无法散去的问题,提出3种通风方案,通过对比分析得出最佳通风方式,并对最佳通风方式进行了实测验证。

　　 车间尺寸为100 m×30 m×11 m(长×宽×高),有40个焊点,每个焊点产尘量为700 mg/min。该焊接车间特点为:

　　 1) 焊接车间面积大,焊接烟尘集中处理造价高,且大面积集中处理时效果不明显;

　　 2) 焊接车间及焊接工艺对车间温度、湿度没有过分严格要求,无需空调、供暖系统;

　　 3) 采用CO₂气体保护焊,焊点环境对风速要求不严格,1 m/s以下即可;

　　 4) 焊点较多,烟尘排放量大。

　　 流体的流动服从3个基本的物理规律 ^[2,3],即质量守恒、动量守恒、能量守恒。质量守恒、动量守恒和能量守恒在流动问题中所需求解的控制方程可以表示成以下通用形式:

　　 $\frac{\partial (\rho \text{ϕ})}{\partial t}+\text{d}\text{i}\text{v}(\rho \mathit{u}\text{ϕ})=\text{d}\text{i}\text{v}(\Gamma \mathbf{g}\mathbf{r}\mathbf{a}\mathbf{d}\text{ϕ})+S(1)$

　　 式中 ρ为流体密度;ϕ为通用变量,代表各个求解变量;t为时间;u为流体速度;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。

　　 上述控制方程通用形式中的四项分别为瞬态项、对流项、扩散项和源项。因变量可以代表各种不同的物理量,如比焓或温度、速度分量、湍流动能或湍流的长度尺寸等。所有控制方程都可以经过适当的数学处理,将方程中的因变量、时变项、对流项和扩散项写出标准形式,然后将方程右端的其余各项集中在一起定义为源项,从而化为通用微分方程。只需写出求解方程的源程序,就可以求解不同类型的流体流动和传热问题。对于不同的ϕ需重复调用该程序,并给定Γ和S的适当表达式及适当的初始条件和边界条件。

　　 本文模拟研究对象车间内焊接烟尘的扩散是一种复杂的湍流流动,为不可压缩流体流动 ^[4],遵循上述质量守恒、动量守恒和能量守恒通用控制方程,采用室内零方程模型。

　　 自然通风条件下,依靠车间室内外压差和车间内部热压,迫使焊接烟尘随空气运动、扩散,最终排出车间。室外新风(温度t_w=26 ℃)通过车间侧墙下部的窗户进入车间(温度t_n=30 ℃),与焊接烟尘进行混合后竖向运行,一部分通过侧墙上部窗口排出,另一部分通过屋顶通风口排出,如图1所示。

　　 根据数值模拟理论依据及上述边界条件,建立了1∶1简化模型,如图2所示。

　　 通过对车间内焊接烟尘扩散轨迹及空间分布的模拟,发现在焊接过程中,粒子直径为0.10～1.25 μm的焊接烟尘在热浮力作用下向上运动,随着热流与周围空气充分混合、降温,这部分焊接烟尘在6～8 m高度上停滞,无法散去也无法沉降,严重影响焊工的工作环境及行车工的操作视线,如图3所示。

　　 并且,车间人员工作区(y=1.5 m)烟尘质量浓度也不满足GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值》(以下简称《规范》)低于4 mg/m³的要求。

　　 针对上述问题,提出了3种通风解决方式,见表1。

　　 对以上3种通风方式进行数值模拟,结果如图4、5所示。

　　 由图4、5可知:

　　 方式1(诱导射流风机+机械排风机),诱导射流风机安装在车间8 m高度上,卷吸周围空气,沿水平倾角45°向前运动,打破了车间中部6～8 m高度上的滞留烟尘层,并迫使气流向屋顶排风机运动,最终排出车间。但是人员工作区(y=1.5 m)的新鲜空气未得到充分利用,烟尘含量不满足《规范》要求。

　　 方式2(置换送风口+机械排风机),人员工作区烟尘含量满足《规范》要求,但在车间中部6～8 m处的烟尘滞留区依然存在,需加大竖直方向空气流速。

　　 方式3(置换送风口+诱导射流风机+机械排风机),人员工作区焊接烟尘浓度符合《规范》要求,诱导射流风机打破了车间竖直方向上的烟尘滞留区,优化了车间竖向气流组织,通风设计方式合理。

　　 将以上得出的最佳通风方式(置换送风口+诱导射流风机+机械排风机)应用于实际工程,设计总排风量为10万m³/h,车间总送风量为8万m³/h,不足风量靠门窗进风;共2排圆柱形置换送风口(y=2 m),每排20个,均匀布置(共40个),单个送风口风量为2 000 m³/h,尺寸为直径0.5 m、高度0.4 m;车间上部(y=8 m)设置了40个诱导射流风机(诱导室内风),共2排,单个尺寸为1.0 m×1.0 m×0.5 m(长×宽×高),射流风机出风速度为10 m/s,排风通过屋顶机械通风器排出。通风原理如图6所示。现场实测测点布置见表2,沿车间宽度方向均匀布置,研究烟尘浓度和气流组织。

　　 y=1.5 m处烟尘质量浓度和气流速度如图7、8所示。

　　 由图7可知,该断面焊接烟尘质量浓度与焊点布置位置有关,在布置有车间焊点的区域,形成了焊接烟尘质量浓度较高的区域,为3.0～3.5 mg/m³,远离焊点的区域烟尘质量浓度较低,在置换新风稀释作用下,工作区内烟尘质量浓度低于4 mg/m³,满足《规范》要求。

　　 由图8可知,在布置有焊点的区域烟尘速度相对较大,这是由于焊点在焊接过程中形成了高温高污染的气体,这种气体在向车间扩散的过程中形成了热浮力,诱导周围的空气向该区域流动,并与水平送入的新风混合。并且在该区域形成了一个负压带,卷吸周围其他区域的冷空气进入负压带,在车间远离焊点的区域形成了涡流 ^[5],有效地提高了车间气流混合,对降低该断面焊接烟尘浓度是有利的。

　　 y=2 m处烟尘质量浓度和气流速度如图9、10所示。由图9、10可知,车间置换送风口气流速度约为0.9 m/s,工作区内气流速度低于1.0 m/s,满足焊接工艺对风速的要求。同时送风气流速度相对较小,其速度射流的影响范围不大,送风气流对整个车间的影响通过风量的大小来实现,也就是说车间采用大风量低风速送风,靠大风量形成的压差实现新风的传递,在满足焊接工艺速度限制的同时有效地降低了焊点周围的烟尘浓度,为工作人员提供了较好的工作环境。

　　 y=8 m处烟尘质量浓度和气流速度如图11、12所示。由图11、12可知,诱导射流风机位于车间8 m高的位置(车间总高度为11 m),随着烟尘扩散,诱导周围的空气向屋顶的排风机运动,最终使带有烟尘的空气顺利地排出车间,有效地改善了车间气流组织,作用明显。

　　 1) 在热浮力作用下,粒子直径为0.10～1.25 μm的焊接烟尘随气流竖向运动,与周围空气混合后降温,在6～8 m高度上形成烟尘滞留区,对人员工作环境及视线产生了影响,应充分考虑。

　　 2) 诱导射流风机+机械排风机条件下,车间工作区(y=1.5 m)新鲜空气未得到充分利用,烟尘浓度不满足《规范》要求。

　　 3) 置换送风口+机械排风机条件下,车间工作区烟尘质量浓度满足《规范》要求,但车间中部6～8 m烟尘滞留区依然存在,需加大竖直方向空气流速。

　　 4) 诱导射流风机+置换送风口+机械排风机条件下,车间人员工作区焊接烟尘浓度符合《规范》要求,诱导射流风机打破了车间竖直方向上的烟尘滞留区,优化了车间竖向气流组织,通风设计方案合理。