V法铸造车间喷雾降尘对比实践与应用

　　V法铸造车间喷雾降尘对比实践与应用

　　孙红楠 叶升平

　　(华中科技大学材料学院，武汉，430074)

　　摘要：本文对V法铸造车间粉尘浓度控制措施进行了探索，从车间结构设计、除尘设备设计、各工位安排等方面进行了探讨。着重试验了通过喷雾来进行降尘方法的可行性，并取得了初步效果。对整套喷雾系统的控制系统进行了改进，实现能够根据车间粉尘浓度自动控制喷雾执行装置。

　　关键词：V法铸造，粉尘浓度，喷雾系统，环境保护

　　1. V法铸造车间粉尘现状

　　近年来V法铸造企业发展形势较好，但其中也存在了许多不足，这些不足在一定程度上制约了V法铸造的进一步发展。在此笔者主要探讨一下困扰V法铸造的粉尘问题。粉尘问题与现代工业相伴而生，但由于现代社会人们对自身健康的重视，他们对自己的工作环境有着越来越高的要求，因此铸造行业由于其相对恶劣的环境问题已经产生了招工困难的现象。V法铸造企业粉尘污染问题尤为突出，不仅危害工人健康，变相造成用人成本增加，而且在一定程度上破坏仪器设备的精确度，影响产品质量，所以，粉尘污染成为了铸造业界亟需解决的一项问题。

　　V法铸造车间主要是由于车间结构设计不合理，除尘设备不满足要求等原因使得车间粉尘浓度过高，另外，V法铸造用干砂，翻箱落砂时热气流带动风化破碎的细小尘粒上涌，造型工位喷涂涂料等，都会产生很多粉尘，它们悬浮在车间空气中对车间环境有着长期的影响。

　　对环境影响较大,引起人们普遍关注的有总悬浮颗粒物( TSP) 、可吸入颗粒物(PM10) 、可入肺颗粒物(PM2. 5) 。其中PM10的意义是空气中颗粒尺寸小于等于10μm的颗粒物浓度，颗粒细小，可吸入，造成尘肺病等多种职业病。

　　细小粉尘对工人的身体健康有着很大危害。其中总悬浮颗粒物(TSP)中有部分可以自然沉降，尺寸较大的可以通过佩戴口罩来减少它对人体的伤害。而PM10、PM2.5在空气中长久漂浮不易沉降，需要人工特别处理。笔者走访了数家V法铸造企业，对V法铸造车间各工位粉尘浓度进行了测量及调查，本文中选取安徽某典型V法铸造企业的测量数据如表1所示：

　　表1 V法铸造车间各工位粉尘一般浓度范围

　　(温度15℃，湿度28%)

　　(表1数据是由TH-150C型空气采样器完成)

　　由于各个车间的结构、使用年限、生产状况等各方面的不同，粉尘浓度数据在一个比较宽的范围内变动，表1中是笔者从中选取的有代表意义的几组数据，从中可以看出，现在V法铸造车间的粉尘问题是极其严重的。以Pm2.5尺寸为例，世卫组织规定pm2.5小于10μg/m³为安全值，欧美标注：pm2.5小于等于35μg/m³，空气质量为良。而国内《环境空气质量标准》中规定：PM2.5日均浓度限值为75μg/m³，pm2.5日平均值小于等于75μg/m³时，空气质量为良。当pm2.5大于75μg/m³时，说明空气污染严重，而V法铸造车间大大超出了质量标准。

　　除此之外还可看出，除了像清理工位这样粉尘集中的工位外，整个车间各处的粉尘浓度相差不大，我们以对人体伤害相对较大的PM10颗粒为依据，探索可以对车间扬尘有抑制作用的措施。

　　2. V法铸造车间现行主要除尘措施

　　铸造行业一般来说在生产之前，进行厂房设计的时候就要考虑到通风、除尘等方面，其中最重要的是车间结构设计和除尘设备的安装。一般情况下要对厂房进行除尘常从以下几个方面入手：厂房通风设计，屋顶开天窗，屋顶抽气。地沟送风，人工作位排风。在生产线设备接口的扬尘点或产尘集中的工位点，加除尘罩抽风除尘。还要注意各工位的排布，产生较多粉尘的工位至于下风口通风较好的地方[1]。此外重要的是可以对粉尘集中处理的除尘设备、除尘管道的设计。除尘罩尽量是封闭的，但又不能影响正常生产。扬尘设备要密闭处置，或放入地沟中盖板密闭。其它还要注意车间散落尘土、细料的清理。

　　3. 喷雾降尘探索

　　通过喷雾的方法来进行降温、降尘，国内外都有所应用。而在铸造车间里引用喷雾降尘，使之作为除尘设备之外的辅助设施，投资少，铺设简单，成本低廉，而且可以对逃逸出除尘设备在车间空气中悬浮的粉尘有一定的控制作用，如果能实现整套系统的自动化控制就可以更少地占用生产成本了。其中日本消失模铸造典型企业木村公司率先在2005年就在车间内全面采用水气二流体喷雾降尘措施。但该企业采用的是用湿度传感器来控制喷雾系统，对车间粉尘浓度没有一个即时且精确的测控与应用。

　　国内对喷雾的应用已经比较广泛，但大部分是用于降温、增湿的用途，用于降尘也是在个别的特殊行业，目前国内还没有实现基于粉尘浓度传感器的自动控制，其中走的比较前端的南京某公司还是基于的湿度、温度等传感器。

　　3.1. 喷雾除尘原理

　　降尘可以通过增加粉尘密度，增大粉尘粒度来实现。尘粒吸水后重量显著增加，有利于沉降，同时吸水后有利于粉尘碰撞后凝聚，粒度增加，促使粉尘沉降[2]。喷雾除尘就是将水雾化，形成许多高速运动的细小水滴，运动中的水滴与粉尘颗粒发生碰撞而结合在一起，颗粒因表面湿度增大，以及颗粒之间在表面水的作用下很容易相互聚集在一起形成大颗粒粉尘，使颗粒本体重量增大而加速下落[3]。

　　笔者对几种喷雾系统进行了对比实验，确定了适合V法铸造车间降尘的喷雾系统，即高压喷雾系统，它的雾滴尺寸范围是3~10μm。需要6~7Mpa的水压，喷头流量在3~10㎏/h之间。喷雾流量和喷雾时间可控、稳定，而且可以根据需要很容易的增设或减少喷头数量，铺设方便。

　　3.2. 喷雾系统车间布局原理

　　喷雾降尘系统若想达到理想的降尘效果，还要分析车间工位布局并计算喷雾量，合理安排高压喷头的数量、位置及管道排布，整个系统的工作原理如图1所示：

　　图1中左面是整套系统的分布原理图，主要包括主机、管道和喷头。其中喷头的数量和喷雾流量是由空气焓湿学原理确定的，雾滴大小可调，与尘粒颗粒相近的雾滴沉降效果较好。右边图示喷雾的具体工作原理。由传感器感知车间空气粉尘信号，反馈给控控制主机，使得粉尘浓度在超限时可以自动启动喷雾执行系统，进行作业。当然，控制方式除了可以利用传感器之外，还可以设置手动和定时自动等功能，使用时根据现场情况决定。

　　喷雾流量大小可以由喷头的间距、数量决定，喷头直径对雾滴尺寸影响较大。这些参数都可根据实际情况来调节。其中图2是高压喷雾系统管件接头及不锈钢喷头，图3即是高压喷雾系统喷头工作的效果图：

　　3.3 喷雾降尘效果

　　为判断喷雾降尘的可行性，笔者在典型V法车间进行了前期喷雾实验，通过检测某定点工位喷雾前后粉尘浓度的变化，来确定喷雾降尘的效果。数据的检测是由TH-150C型空气采样器完成的。其中表2即是落砂工位喷雾前后粉尘浓度的对比数据：

　　表2 喷雾前后落砂工位粉尘浓度变化对比

　　(表2数据是由TH-150C型空气采样器完成)

　　把表2中数据进行一个更直观的表示如柱状图4所示：

　　表2中，笔者选取了落砂工位喷雾前后的三组典型数据，从粉尘浓度数据可以看出，在落砂工位经过一定时间的喷雾降尘作业，是可以在一定程度上降低粉尘浓度的，这就说明通过喷雾的方法来进行降尘是可以施行的。

　　㎎/m³

　　3.4. 喷雾系统自动化控制

　　对整套系统实现自动化控制，需要用到粉尘浓度传感器，它所使用的原理是光吸收法。例如β射线在通过颗粒物时会被吸收,当能量恒定时,β射线的吸收量与颗粒物的质量成正比。测量时,经过切割器,将颗粒物捕集在滤膜上,通过测量β射线的透过强度,即可计算出空气中颗粒物浓度。可以间断测量,也可以进行自动连续测量,粉尘对β线的吸收与气溶胶的种类、粒径、形状、颜色和化学组成等无关,只与粒子的质量有关。β射线可由14C 射线源产生的低能射线,安全耐用,其半衰期可达数千年,十分稳定[4]。

　　由光源发出的光线透过颗粒物通过集光镜到达传感器上,传感器把感受到的光强信号转换成电信号,经过放大和分析电路,可以计测脉冲的发生量,即可得到以每分钟脉冲数(CPM) 表示的相对浓度。当颗粒物性质一定时,可以通过称重法先求出CPM 与mg/ m3 的转换系数K,根据K 值将CPM 值直接转换、显示为质量浓度(mg/ m3 )。图5为粉尘浓度传感器组成原理图：

　　由以上原理可得传感器主要包括光源、接受装置、转换电路等结构。前期研制过程中的主要影响因素在于收、发光源之间的合适间距，由此在两者之间安放一段导轨，以此完成前期的线性数据实验。此传感器的主要结构如图6：

　　1.光源2.含尘气流3.透镜4.探测器

　　5.过滤器6.粉尘出嘴7.粉尘进入嘴8.抽气泵

　　4. 结论

　　(1)本次研究证明了在V法铸造车间利用喷雾的方法来控制车间扬尘的含量是可行的，且这套系统投资小，方便操作，还不需要改变车间结构，不影响生产操作，在降尘的同时提高车间的相对湿度，降低温度，显著地改善车间空气环境，保护工人身体健康，具有很大的推广价值。

　　(2)系统所用高压喷雾除尘系统可以任意增加或减少喷头数量，雾滴细密，运行稳定，适合大范围的安装使用。安装时对水源没有特殊要求，简单，方便。

　　参考文献

　　[1] 陆哲明，蒋国荣张家平等.铸造车间通风除尘技术[M].机械工业出版社，1983

　　[2] 小川明[日]著，周世辉译.气体颗粒的分离[M].北京：化学工业出版社，1991.

　　[3] 沈晓晨，高靖，董雪飞. 智能化喷雾降尘技术研究[J]. 机械，2011(4),38:25—26

　　[4] 杨书申，邵龙义，龚铁强等.大气颗粒物浓度检测技术及其发展[J].北京工业职业技术学院学报，2005,4(1)：36-39