高速列車制造中焊接煙塵的治理

蔣超杰

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

《高速列車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》中提到，在“十三五”中高速列車的重點專項的任務之一是到2020年要“持續(xù)深化既有高速鐵路和高速列車節(jié)能環(huán)保技術體系”，目標是“使中國高速鐵路在能源利用效率、環(huán)境友好性和旅客服務品質(zhì)等諸方面處于世界領先水平”，而綠色化是解決制造業(yè)日益嚴峻的資源和環(huán)境問題的重要手段，也是高速列車制造技術和制造模式未來發(fā)展的重要方向[1]。

1 焊接煙塵的性質(zhì)

高速列車的車體從減輕自重等因素綜合考慮，其主要材料為鋁合金，焊接工藝是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一步[2]。在焊接過程中因高溫電弧的作用，焊條與母材在高溫狀態(tài)下發(fā)生熔化、氣化，并會向四周擴散冷凝，被空氣氧化后，焊條端部及母材就會形成固體顆粒物[3-4]，這些固體顆粒物就是焊接煙塵，同時還伴有一定的有害氣體（NOx、CO、O3和 HF）的產(chǎn)生[5]。

焊接煙塵中的顆粒物按照粒徑大小可以分為：超細顆粒物（直徑0.01～0.1 μm）、細顆粒物（直徑0.1～2.5 μm）和粗顆粒物（直徑大于 2.5 μm）[6]。在測定了某些焊接車間內(nèi)焊接煙塵粒子的直徑分布范圍后發(fā)現(xiàn)，煙塵總數(shù)50%以上都是粒徑小于0.2 μm顆粒物，且絕大多數(shù)煙塵微粒的粒徑小于1 μm。因此，整體來講，焊接煙塵中超細顆粒物和細顆粒物所占比例相當大[5]，而粒徑如此小的焊接煙塵懸浮在空氣中，特別是大量聚集在作業(yè)空間內(nèi)時，如果沒有對其進行及時治理，則會對焊接操作人員的身體健康帶來很大危害，對生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境也會造成一定的污染[1，5，7]。

焊接煙塵主要有懸浮性、凝聚性、磨損性、荷電性4個特性[5]，其治理的難度表現(xiàn)為[4]：①焊煙塵粒徑小，焊接工位的多變性使煙塵顆粒物的捕捉和濾除較為困難；②焊煙塵存在熱氣流滯留特性；③焊煙除塵設備投資大，運行費用高。

隨著大型焊接廠房的數(shù)量越來越多，尤其是國家高速列車的生產(chǎn)任務越來越緊，廠房空間內(nèi)部也增加了更多的焊接作業(yè)點，焊接效率提高的同時單位時間內(nèi)產(chǎn)生的煙塵量也會增加，這就加重了焊接煙塵污染；另外，較大廠房空間內(nèi)較長的長寬距離也使焊接煙塵的通風治理路線變長、管理空間變大，這些客觀因素都增加了廠房治理焊接煙塵的難度[7]。

2 煙塵產(chǎn)生和擴散時的動態(tài)變化[8]

國內(nèi)外科研人員針對焊接煙塵治理進行了一些研究，大部分是針對焊后煙塵的搜集與分析，即通過建立間接物理模型來分析焊接煙塵。但是關于煙塵產(chǎn)生和擴散時的動態(tài)變化過程，基于試驗的機理研究還較少。

張軍強等人通過采用高速攝像技術得到了高速變化的焊接煙塵影像，隨后研究焊接煙塵的產(chǎn)生過程，歸納了焊接煙塵產(chǎn)生的模型，在模型中將煙塵產(chǎn)生的區(qū)域分為焊接電弧外側(cè)區(qū)、飛濺煙塵區(qū)和熔滴區(qū)（見圖1）。焊接電弧外側(cè)區(qū)為均勻分布在焊接電弧周圍的中下部分區(qū)域，這個區(qū)域中產(chǎn)生的煙塵量較穩(wěn)定，電弧區(qū)域越大（弧長越長），焊接煙塵產(chǎn)生量越大；飛濺煙塵區(qū)一般在電弧區(qū)外側(cè)形成，熔滴區(qū)分布在電弧上部外側(cè)區(qū)域，常常在短弧或排斥過渡時產(chǎn)生，飛濺煙塵區(qū)和熔滴區(qū)內(nèi)多為聚集性煙塵；同時也指出，焊接煙塵形成時，一次粒子產(chǎn)生后在很短時間內(nèi)就會發(fā)生凝并現(xiàn)象，以布朗凝結為主形成絮狀的氣溶膠，此過程同步發(fā)生煙塵的擴散流動，焊接煙塵也會在電弧形成的熱氣流下發(fā)生作用，整個過程如圖2所示。

圖1 焊接煙塵產(chǎn)生模型[8]

圖2 焊接煙塵擴散中的力學因素[8]

3 治理焊接煙塵的方式

3.1 直接治理方式

由以上分析可知，焊接煙塵中的顆粒物在生產(chǎn)作業(yè)時會在工作區(qū)域懸浮，也可以隨氣流運動，因此，治理焊接煙塵的一個最重要的方法就是對工作區(qū)域或者廠房進行合理有效的通風和捕捉，從而達到將焊接煙塵濃度降低到標準值及以下的目的。

通風凈化可分為自然通風凈化和機械通風凈化兩個方向，但是由于焊接施工車間工位實際情況復雜、焊接廠房空間體積大，加之環(huán)保要求越來越嚴格，單純使用自然通風凈化焊接煙塵明顯能力不足，因此目前多數(shù)企業(yè)主要采用機械通風凈化方式[5]。具體的通風系統(tǒng)可分為吸吹式通風系統(tǒng)、局部式通風系統(tǒng)、全局式通風系統(tǒng)和個體防護面罩，國外的焊接煙塵治理基本以全面通風為輔，局部通風為主為原則，大量的可移動局部通風裝置應用在焊接車間[9]。目前國內(nèi)各地環(huán)保局也已經(jīng)制定出規(guī)定企業(yè)使用局部可移動的處理焊接煙塵設備的計劃，這種將廠房內(nèi)的焊接煙塵全面治理與局部精華相結合的方式，可以有效稀釋有害物質(zhì)，并阻止污染物高濃度擴散。

周紅[4]等人在對電焊煙塵的擴散規(guī)律進行研究時發(fā)現(xiàn)：（1）對于密集作業(yè)點，在其他條件不變的情況下，當垂直方向的高度小于1 m時，煙塵濃度的減少量最大；當垂直方向的高度繼續(xù)上升到2 m時，煙塵濃度基本趨于平緩。（2）離地面越近，同一個截面上風速對煙塵濃度的影響越大，煙塵濃度減小量越大。

傅可新[3]等人對大連機車車輛有限公司的鋼結構分公司（簡稱分公司）進行了焊接煙塵的研究，發(fā)現(xiàn)分公司的焊接方法分為人工焊接和機器人焊接，由于焊接過程中需要使用保護氣體，大部分生產(chǎn)任務均在廠房內(nèi)進行，進行生產(chǎn)作業(yè)時焊接會產(chǎn)生大量的彌漫在廠房內(nèi)的煙塵，造成焊接煙塵污染。如果在現(xiàn)有客觀條件下對廠房進行整體改造，則會造成治理方案預算過高，同時其他配套設施也要隨之進行完善和管理，從低成本、高效率方面考慮并達到環(huán)保要求，設計的焊接煙塵治理方案最終確定為移動式焊接煙塵凈化裝置。具體的技術參數(shù)為：移動式煙塵凈化裝置為某公司的移動式高負壓焊接煙塵凈化裝置，高壓吸附、布袋過濾；過濾單元為滌綸針刺氈加PTFE腹膜，清灰方式為脈沖清灰；同時在廠房內(nèi)進行整體通風，在最寒冷的時段使用保暖門簾并合理安裝暖風機。

3.2 其他治理方式

焊接屬高污染、高能耗工種，對其進行綠色性規(guī)劃，不僅可以從通風、捕捉、凈化過程入手，還可以從焊接工藝本身入手，即從源頭治理污染，可有效減少產(chǎn)品在焊接工藝中的資源消耗和環(huán)境影響。

張軍強[8]等人指出，在電弧區(qū)產(chǎn)生的均勻分布的煙塵是焊接煙塵的主體，在飛濺煙塵區(qū)、熔滴煙塵區(qū)產(chǎn)生的聚集性煙塵則會大大增加煙塵總量，因此，穩(wěn)定的焊接過程和參數(shù)是控制焊接煙塵的主要措施之一，這就需要焊接工作者和焊接工藝設計工程師在工作中多多觀察，整理經(jīng)驗。

張華[10]等人在具有時間T、質(zhì)量Q、成本C、資源消耗R、環(huán)境影響E五個指標的綠色性焊接工藝規(guī)劃評價指標體系的基礎上，建立了一種組合運用熵權法和模糊評價法的模型，并用該模型分析了某單位焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊及氬弧焊的工藝方案，結果顯示，CO2氣體保護焊的綜合評價值最大，即其綠色性最佳，而氬弧焊次之；實際的工作情況也顯示，若焊接過程中使用CO2氣體保護焊，廢料的產(chǎn)生量由32%降低到20%，能源利用率由63.2%提高到81.5%，能獲得較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

4 結論

高速列車車體制造焊接工藝產(chǎn)生的煙塵治理應結合車間工藝布置、設備情況和焊接操作工的焊接習慣等情況制定方案，不能脫離實際，影響正常的生產(chǎn)操作。治理方案的設計應充分考慮各種污染的治理方式，在保證處理效果的前提下，采用高效凈化設備，從而達到減少場地占用、節(jié)約投資和節(jié)約能源的目的。

參考文獻：

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