不同通风方式下热喷涂车间内 粉尘运动规律的实验研究

李新宇 詹绍义 鲍 宏

China Mechanical Engineering - - 中国机械工程 -

合肥工业大学机械工程学院,合肥, 230009

摘要:为获取热喷涂工艺过程中微纳米粉尘颗粒的控制措施,根据相似原理,以热喷涂车间为原型,结合气固两相流理论,建立了热喷涂车间相似实验模型,对不同通风除尘条件下热喷涂车间内微纳米粉尘颗粒的运动与扩散规律进行实验研究。研究结果表明:机械通风对降低热喷涂车间微纳米粉尘颗粒浓度具有明显效果;单位时间内通风流量越大,车间呼吸层微纳米粉尘颗粒浓度越低,清除时间越短;通风速率相同的条件下,采用车间底部和侧面组合的通风方式较仅采用侧面强力通风,更利于呼吸层微纳米粉尘颗粒的排除和沉降。

关键词:微纳米粉尘颗粒;气固两相流;浓度分布;通风除尘

中图分类号: X513

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.13.014 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

Experimental Study on Moving Regulation of Dusts in Thermal Spraying Workshops with Different Ventilation Patterns

LI Xinyu ZHAN Shaoyi BAO Hong

School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei,230009

Abstract: In order to obtain the control measures of ultrafine particles in the thermal spraying pro⁃ cesses,the similar model of thermal spraying workshops was established by combining the similarity principle and the gas ⁃ solid two ⁃ phase flow theory based on the actual thermal spraying workshops. The diffusion regulations of ultrafine particles were studied experimentally under different ventilation condi⁃ tions. The results show that mechanical ventilation has a significant effect on reducing the concentration of ultrafine particles in thermal spraying workshops. Both of the concentration of ultrafine particles and the time of dust removed entirely decrease with the increase of the ventilation flow per unit time in the workshops. The ventilation combing the bottoms and the sides is suitable to achieve the removal and sed⁃ imentation of ultrafine particles compared with the strong ventilation over a single side under the same ventilation rate.

Key words: ultrafine particle;gas ⁃ solid two ⁃ phase flow;concentration distribution;dust removal by ventilation

0 引言热喷涂技术因其不受工件尺寸和施工现场限制、喷涂材料沉积效率高、对基体材料热影响小等优点,被广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、石油化工、机械制造等领域 。

[] 1

BÉMER等 研究发现,热喷涂工艺过程产生

[] 2的颗粒物质量浓度普遍很高,电弧喷涂过程中粉尘质量浓度高达到132 mg/m3,其中粒径小于

收稿日期: 2017-09-07

基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51405120);安徽省科技重大专项( 16030701094) 0.1 μm的颗粒数量占总颗粒数的80%~90%。VIANAA等 研究发现,大气等离子喷涂( APS)

[] 3

工艺过程中超细颗粒物(粒径小于700 nm)的数量浓度高达3.3×106/cm3,且喷涂过程中超细颗粒的产生与喷涂原材料的种类和粒径无关。HÉLÈNE等 从职业医学的角度分析了热喷涂过程中已经

[] 4

确定以及潜在的职业危害。李海军等 研究发现,

[] 5超音速火焰喷涂( HVOF)过程中产生的粉尘质量浓度最高可达90 mg/m3,并用扫描电镜( SEM)观察粉尘颗粒物的微观形貌,粒径小于1 μm的粉尘颗粒主要以棉絮状团聚体的形式存在,而非初始状态时的圆形颗粒。目前国内外对热喷涂工艺的

· ·

研究主要集中于工艺本身的改进和喷涂新材料的研发以及涂层性能的改良 ,对热喷涂车间粉尘

[] 6⁃7的分布规律及其影响因素的研究成果较少。

粒径大于10 μm(空气动力学直径)的粉尘颗粒受重力影响较大,且热喷涂车间一般采用机械通风,大粒径粉尘颗粒会很快沉降。粒径大于10 μm的颗粒物进入鼻孔后,大部分会被鼻毛阻隔,沉积在鼻腔,不易进入人体内部,危害相对较小;粒径小于10 μm的颗粒(简称“PM10”)一般难沉降,在大气中易形成气溶胶,且多悬浮于人体呼吸带高度,能够进入人体呼吸系统;粒径小于2.5 μm的颗粒物(简称“PM2.5”)能够进入支气管和肺部,对人体呼吸系统重要器官造成损伤,严重危害人体健康 。很多研究表明,微纳米尺度或纳

[] 8米尺度下的颗粒物还具有常规尺度颗粒所不具有的生物毒性 。某些情况为制备具有特殊功能涂

[] 9层,热喷涂粉末成分还含有有毒金属,如铬、锰、钼等 ,长期吸入会对人体产生严重伤害。金属微

[] 10纳米颗粒还可能引起数控系统电路板短路,影响加工系统稳定和产品质量,缩短机器设备使用寿命,甚至引发安全事故 。由此,有必要对热喷涂

[] 11工艺过程中产生的微纳米粉尘的扩散规律进行研究,了解车间呼吸层微纳米粉尘浓度分布特点,探索热喷涂车间微纳米粉尘浓度控制方法,进而改善从业人员的工作环境、减少对工人健康的危害。CHANG等 通过数值模拟研究了3种不同

[] 12

通风方式对室内PM10、PM2.5、PM1粉尘颗粒去除的影响。OPRYA等 研究发现,电弧焊接过程

[] 13中在人的呼吸区域会产生3种不同类型的焊接烟尘颗粒:超细颗粒(小于0.1 μm)、粗颗粒(大于10 μm)、细颗粒(在0.1~3 μm之间),3种类型颗粒的具体比例取决于焊条类型和焊接温度。DA⁃ HAL等 通过实验和数值模拟研究了焊接工艺

[] 14

过程中焊接烟尘和CO2的扩散过程。李艳强 研

[] 15究气流中粉尘移动速率变化发现,在流体拖曳力的作用下, 0~0.2 s时间内,粉尘颗粒的速度基本接近空气的流速,粒径越小,趋于风流的速度越快。刘志云等 研究焊接烟尘浓度分布规律发

[] 16现,自然通风条件下,焊接烟尘总体呈倒壶状分布,且侧吸式通风对于控制焊接烟尘来说效果好于上吸式通风。

本文在前人研究的基础上,充分考虑实验模型的相似性、简单性和有效性,设计和建立热喷涂车间相似模型,根据实验结果分析热喷涂车间微纳米粉尘颗粒的气相迁移和浓度分布规律。 1 热喷涂车间相似模型的建立

1.1 相似准则数的导出

热喷涂车间微纳米粉尘的扩散过程本质上是气固两相流。根据气固两相流的运动规律和基本运动方程分析,涉及的物理量主要有车间空气密度( ρ kg/m3)、气体压力p( Pa)、气流速度v ( m/s)、空气动力黏度系数μ ( Pa · s)、颗粒粒径d ( m)、颗粒密度ρ ( kg/m3)、颗粒运动速度v ( m/s)、颗粒运动时间t( s)、重力加速度g( m/s2)、几何尺寸L( m)等。

[] 17

运用量纲分析π定理导出7个相似准则数:斯托克斯准则数Stk = ρp d vp / ( μg L ),均时性准则数

2 p

Ho = vgt/L,欧拉准则数Eu = p/v ρg ,弗劳德准则数Fr = vg / ( gL ) ,雷诺数准则数Re = vg ρg L/μg ,气固相密度准则数ρp /, ρg 运动准则数vp / vg。

1.2 相似准则简化

一般受实际实验条件限制,相似模型与原型同时满足所有相似准则往往难度较大或难以实现,因此,在保证足够准确度的情况下,根据实际情况对相似准则数进行简化,即建立近似的相似模型。

欧拉准则数Eu是不稳定相似准则数,对于不可压缩黏性流体稳定流动 ,有

[] 18

Eu = f ( Ho, Re, Fr ) ( 1)由此,可排除欧拉准则数;实验过程中假设热喷涂车间内的流场与模型内的流场均处于相对稳定状态,所以忽略均时性准则数Ho;热喷涂微纳米粉尘粒径小,质量轻,受重力影响非常小,而弗劳德准则数Fr表示惯性力与重力之比,可不予考虑;微纳米尘粒具有较强的跟随性,能在极短的时间加速至与气流相同的速度,颗粒与气体之间的相对速度可以忽略不计,故运动准则数vp / vg可取1;实验中所使用微纳米粉尘是根据现场测得的粉尘粒径结果,购买近似粒径分布的粉末,所以密度准则数ρp / ρg满足。

假设按照几何相似准则数δ =4建立热喷涂车间的相似模型,由雷诺数准则数Re相等可得

vgm ρgm Lm vgy ρgy Ly

Re = = ( 2)

μgm μgy

式中,下标my、分别表示模型和原型。

相似模型与热喷涂车间气流都为空气,所以密度和黏度相同。将δ = Ly / Lm =4代入式( 2),可得

vgm = 4v gy ( 3)由斯托克斯准则数Stk也可推导出相同结论,

2g

p

pg

g

即η = vgy / vgm = 1 4,因此,斯托克斯准则数Stk 和雷诺准则数Re可简化为η。一般保证模型内各点气流速度分布都相似是难以实现的,假定热喷涂车间与相似模型抽风口速度平均值满足η,就可认为车间内流场的分布均满足η = vgy / vgm =1 4。

结合热喷涂车间微纳米粉尘颗粒运动的实际情况,相似准则数可简化为几何相似准则数δ和抽风口通风速率比η。

1.3 相似模型的搭建

遵循相似原理,根据推导并简化后的相似准则数,以山东某公司实际热喷涂车间为原型,车间长 7m、宽 4m、高 5m。车间顶部设有8 个0.6 m×0.6 m的进风口,侧面留有3个ϕ0.5 m除尘器抽风口,底部设有粉尘收集仓,中间隔层为蜂窝式隔板。考虑相似模型操作的方便性,按照 δ =4来设计相似实验模型,见图1。 1.粉尘测试仪 2. 气体流量计 3.粉尘弥散装置

4.镂空底板 5.3个侧抽风口 6.离心风机

7.底部抽风口 8.8个进风口

图1 热喷涂车间的相似实验模型

Fig.1 Similar experimental model of thermal

spraying workshop热喷涂车间相似实验模型(简称“实验箱”)的布置与实际车间结构布置一致,上端留有8个进风口,侧面留有3个抽风口,其余各面均密封。实验箱各面均采用无色透明亚克力板(俗称“有机玻璃”)制作,各尺寸按照相似模型设计。实验箱左侧安装微纳米颗粒弥散装置,用于模拟热喷涂过程中的产尘源。车间底部采用蜂窝式地板,整个系统比较复杂,故对其进行简化,实验箱底部设置9个抽风口,一端采用离心式抽风机作为负压源。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器

铝在空气中能迅速形成一层致密的氧化铝膜( Al2O3),因此,铝涂层具有非常优越的耐腐蚀性能,是最常用的耐腐蚀涂层之一。此外,铝涂层还能在铁基上扩散,与铁元素发生作用形成铁铝化 合物,从而形成耐热涂层。目前,随着航天航空和管路输送(石油等)的高速发展,热喷涂铝工艺扮演了越来越重要的作用。HUANG等 对热喷涂

[] 19粉尘成分分析发现,热喷涂粉尘多数金属元素以氧化物存在。对现场电弧喷涂铝工艺过程中产生的粉尘进行采样分析,发现10 μm以下的粉尘主要成分为氧化铝颗粒。为接近真实情况,实验直接购买相似粒径分布的微纳米氧化铝粉末,通过粉尘弥散装置将其弥散至热喷涂车间相似模型中,以模拟热喷涂微纳米粉尘持续产生的过程。采用Malvern MS⁃2000激光粒度仪测量实验用氧化铝粉末粒径分布。

综上,本文研究的热喷涂微纳米粉尘指的是空气动力学粒径小于10 μm的氧化铝粉尘(中位径dp50 为1 μm左右)。

采用DYF300低噪声离心风机和DP200A轴流风机对实验箱进行机械通风,离心风机通风流量为650 m3/h,轴流风机通风流量为180 m3/h(采用两种不同通风流量的风机进行组合通风是考虑降低实际生产车间的能耗);采用 Smartsensor AR866热线式风速仪测量风速,测量范围为0~ 30 m / s,测量精度为 0.1 m / s;采用上海富瞻SNC200型手持式粉尘测试仪持续监测微纳米颗粒物浓度,测量范围为0~1 000 mg/m3,测量精度为 0.1 mg / m3;采用 FA2004B型电子分析天平对实验用粉末进行称重,测量范围为0~200 g,测量精度为0.1 mg。

2.2 实验方法与测量

热喷涂工艺过程中,当喷涂材料(高纯铝丝)输送速率、喷涂距离等工艺参数一定时,单位时间内粉尘产生量也会保持相对稳定。结合电弧喷涂工艺参数和实验测得的粉末沉积效率,相似模型实验中颗粒源释放速率控制在0.2~0.5 g / min。电弧喷涂工艺过程中,为避免工件表面过热产生残余内应力,喷涂过程一般采用间歇式加工方式,每次喷涂的时间在5~15 min不等,本文实验过程中微纳米粉尘弥散时间设定为10 min(平均时间长度)。因粉尘测试仪测量检出限为0.1 mg/m3,远远低于本实验模拟的热喷涂车间粉尘浓度,故设定0.1 mg/m3为实验环境浓度值,假定实验箱内各测点浓度值下降至0.1 mg/m3,则认为实验箱内微纳米粉尘全部去除。

在实验箱内呼吸层(镂空底板正上方0.4 m)高度处布置测点,并通过粉尘测试仪对测点进行持续检测,实验箱内呼吸层测点布置见图2,图中测点布置是根据从业人员在喷涂作业过程中活动

· ·

的区域选定,各测点微纳米粉尘浓度与从业人员工作时接触的粉尘浓度直接相关。为使测量值尽量接近真实情况,减小模型实验误差,对每个测点均进行至少5次重复测量,取平均值进行结果分析。图2中,、a b1、b2分别表示侧面抽风口的相对位置, c表示底部抽风口的相对位置。ac、抽风口处安装低噪声离心风机, b1、b2抽风口处安装轴流风机。

图2 实验箱内呼吸层测点布置图

Fig.2 Layout of measuring points in respiratory level

inside experimental box实验通过开启或关闭安装在不同抽风口位置的风机来改变实验箱通风方式和通风速率,进而研究不同通风方式和通风速率条件下,实验箱内呼吸层微纳米粉尘颗粒浓度分布规律,实验相关参数见表1、表2。

表1 不同通风方式下实验参数设定

Tab.1 Experimental parameter settings under different ventilation modes

无风底部、侧面通风方式侧面通风

(密闭车间)组合通风通风流量( m3/h) 0 1 100 1 100换气频率(次/min) 0 8 8

a、、b1 b2 a关闭, b1、抽风口开关状态全部关闭

打开,关闭c b2、打开c送粉方式一次性送粉2g持续添加持续添加送粉速率( g/min) 0.2~0.5 0.2~0.5送粉时间( min) 10 10

3 结果与讨论

3.1 不同通风方式下微纳米粉尘质量浓度分布规律

3.1.1 微纳米粉尘浓度随时间变化规律

由图3a可以看出,无风条件下,微纳米粉尘自由扩散20 min后各测点达到最大值,其中A2处颗粒浓度最高,为700 mg/m3,各测点浓度达最大值后开始进入缓慢的下降过程。处于中心对称的A5和A7测点浓度变化过程基本相同。经测定8h后A2、A6处的颗粒物浓度值分别为54.4 mg / m3和35.3 mg/m3,远高于环境浓度,进一步说明微纳米

1606

表2 侧面通风条件下不同通风速率实验参数设定Tab.2 Experimental parameters setting of different ventilation rates under lateral ventilation conditions

侧面通风实验1实验2

通风流量( m3/h) 650 1 100换气速率(次/min) 4 8

抽风口状态a打开, b1、b2、关闭c a、b1、b2打开,关闭c送粉方式持续添加持续添加送粉速率( g/min) 0.2~0.5 0.2~0.5送粉时间( min) 10 10粉尘颗粒能长时间悬浮于空气中,若车间通风不佳,从业人员将会长时间接触微纳米粉尘颗粒,危害从业人员的健康。观察实验箱内粉尘的扩散过程发现,即便微纳米颗粒的最大浓度值高达700 mg/m3,远高于安全阈值,但肉眼并不能分辨出实验箱空气中存在悬浮颗粒物。

由图3b可以看出,侧面通风条件下(企业通风参数),各测点微纳米粉尘浓度约在2 min 达到最大值,其中A1测点处粉尘质量浓度最大,为 150 mg / m3。2~10 min内各测点浓度并非是稳定的,但都是在某一固定范围内波动,不同测点处粉尘质量浓度波动幅度略有差别。10 min后停止微纳米粉末输送,即结束喷涂操作,受抽风气流的影响,实验箱内呼吸层各测点微纳米粉尘浓度均快速下降。约在2 min后实验箱内微纳米粉尘浓度低于短时间粉尘浓度接触限值12 mg/m3。

由图3c可以看出,底部加侧面组合通风条件下,各测点微纳米粉尘的浓度随时间变化规律与侧面通风基本相同,但2~10 min内各测点的浓度值大小及波动幅度值发生变化。10 min后停止微纳米粉末输送,实验箱内微纳米粉尘完全去除的时间缩短。

3.1.2 各测点平均浓度分布

两种通风方式下各测点平均浓度分布见图4。侧面通风条件下沿颗粒输送方向( Y= 0.5 m),微纳米粉尘浓度普遍低于组合通风时的浓度,但沿侧面出风口侧( Y= 0.25 m),微纳米粉尘浓度组合通风条件下普遍低于侧面通风时的浓度。说明侧面通风和组合通风条件对降低车间微纳米粉尘浓度具有各自的优缺点。

3.1.3 各测点颗粒沉降时间分布

各测点微纳米粉尘完全去除时间分布见图5。组合通风较侧面通风车间微纳米粉尘颗粒的去除时间由7 min缩短为4 min。结合图4,相同通风速率条件下,组合通风方式更有利于车间微纳米粉尘的去除。

( a)无风

( b)侧面通风

( c)组合通风

图3 不同通风方式下呼吸层各测点微纳米粉尘浓度

随时间变化规律

Fig.3 Variation regularity of micro/nano dust concentration with time at different measuring points of

respiratory level under different ventilation modes 3.2 侧面通风不同通风参数条件下微纳米粉尘质量浓度分布规律

3.2.1 不同风速条件下微纳米粉尘浓度随时间变化规律

各测点微纳米粉尘浓度随时间变化规律见图6。从图6a中可以看出,当侧面通风量较低时, A3测点浓度明显高于其他测点浓度,最高可达180 mg/m3。说明车间通风量不佳时,在沿喷射方向某些区域会出现微纳米粉尘浓度较高的局部区 图4 两种通风方式下各测点平均浓度分布( 2~10 min)

Fig.4 Average concentration distribution in each measuring point under two ventilation modes( 2~10 min)

图5 各测点微纳米粉尘完全去除时间分布

Fig.5 Distribution of time to remove micro/nano dust

completly in each measuring point

域。10 min后停止输送微纳米粉尘,各测点微纳米粉尘浓度也快速下降,但各测点降至环境浓度所需的时间均很长,其中A2处最长达23 min。由此,当热喷涂车间通风量不足时,在喷涂结束后很长一段时间内微纳米浓度仍很高,建议从业人员在喷涂结束后不要立即取下口罩,应打开车间门窗,继续将车间进行通风除尘10 min以上。

对比图6a和6b,增大侧面通风速率,各测点位置微纳米粉尘最高浓度均下降, A1、A6处下降不明显, A2处微纳米粉尘浓度波动幅度增加。说明较高的风速可以在一定程度上抑制微纳米粉尘的扩散,降低车间微纳米粉尘浓度的峰值。

3.2.2 不同风速条件下各测点平局浓度分布

不同风速条件下各测点平均浓度分布见图7。增加侧面通风量,各测点微纳米粉尘的平均浓度均有所下降,其中A3微纳米粉尘平均浓度下降最大。说明增加辅助通风b1、b2,可以在一定程度上解决局部区域微纳米粉尘滞留的情况。除A3测点外,增加侧面通风量, 2~10 min内各测点微纳米粉尘浓度的高低分布相同,即浓度分布规律基本保持不变。

3.2.3 不同风速条件下各测点颗粒沉降时间分布增大侧面通风量,车间微纳米粉尘的滞留时

· ·

( a)通风速率650 m3/h

( b)通风速率1 100 m3/h

图6 各测点微纳米粉尘浓度随时间变化规律Fig.6 Variation regularity of micro/nano dust concentration with time in each measuring point

图7 不同风速条件下各测点平均浓度分布图

Fig.7 Distribution map of average concentration of

each measuring point under different wind speeds间明显缩短,说明车间的流场对车间呼吸层微纳米颗粒物悬浮时间影响显著。

各测点颗粒沉降时间分布见图8。结合图7和图8,侧面通风除尘增大通风量可以抑制车间微纳米粉尘浓度,极大地缩短微纳米颗粒在呼吸层的滞留时间,但对车间微米粉尘的浓度分布影响较小。

3.2.4 实验箱呼吸层风速分布

实验箱呼吸层风速分布见图9。从图9中可以· ·

图8 各测点颗粒沉降时间分布

Fig.8 Distribution of particle settlement time in each

measuring point看出,侧面通风量为650 m3/h时,在实验箱的两侧出现风速较低的长条状区域,主要集中在 X= 0.2 m和X= 1.5 m位置。这是该区域呼吸层微纳米粉尘被完全去除的时间较长的主要原因。微纳米粉尘颗粒进入风速较低的区域后进行自由扩散过程,能长时间滞留在该区域。风速分布对微纳米粉尘悬浮滞留时间影响很大,通过优化通风口布局来减少或消除车间内无风区域或风速较低区域,将有利于车间微纳米粉尘颗粒的排除和沉降。

图9 实验箱呼吸层风速分布(侧面通风方式,通风量为650 m3/h)

Fig.9 Wind speed distribution in respiratory level of

experimental box

3.3 实验误差分析

本文测量过程中,造成实验误差的因素主要有:流场的稳定性、实验仪器的测量精度,实验大气环境的温湿度、人员操作等。实验过程中风机的通风量并非是恒定不变的,而是始终在一个小范围内波动,因而实验箱内流场并不是稳定不变的,给实验结果造成一定的偏差;喷射装置在输送微纳米粉末过程中会产生一个微小横向的气流,会对入射口附近的流场产生扰动;仪器测量精度的限制也会造成一定的误差。实验环境中的空气温湿度的变化会对微纳米粉尘的扩散和团聚、沉

降产生影响,造成一定的粉尘浓度偏差;因实验过程中每个步骤均涉及人员操作,所以人员操作造成的累积误差也是此次实验误差的主要原因。

4 结论

( 1)采用企业通风参数获得的呼吸层微纳米颗粒浓度最大值为150 mg/m3,远低于无风条件下的700 mg/m3,说明采用机械通风对降低作业空间内微纳米颗粒物浓度具有明显效果。在现有侧面通风条件下,约在喷涂结束2 min后满足企业短时间接触浓度限值,但长期接触仍有很大健康风险。

( 2)侧面通风有利于降低热喷涂车间宽度中心位置的微纳米粉尘浓度,而组合通风更有利于降低侧边位置的微纳米粉尘浓度。组合通风条件下,在喷涂结束后实验箱内微纳米粉尘的去除时间由7 min缩短至4 min。相同通风流量条件下,组合通风更有利于车间微纳米粉尘的排除和沉降。

( 3)热喷涂车间风速分布对呼吸层微纳米粉尘悬浮滞留时间影响很大,可通过优化车间的通风流量和通风布局,减少或消除车间内无风区域或风速较低区域,有利于热喷涂车间微纳米粉尘颗粒的排除和沉降。

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