冷態(tài)鋼材的旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹能耗研究

任啟樂，龐 雷，張 的，朱華清，魯 飛，王永強(qiáng)

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

1 前言

冷態(tài)鋼材表面在涂裝或深度加工前必須清除表面的氧化皮或深度銹蝕。針對(duì)冷態(tài)鋼材表面的除鱗、除銹，以超高壓純水射流和磨料水射流為代表的水射流除鱗除銹技術(shù)，采用物理、濕式的作業(yè)方式，既不會(huì)對(duì)鋼材本質(zhì)造成傷害，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因而具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。

目前，兩種傳統(tǒng)的冷態(tài)鋼材水射流除鱗除銹技術(shù)都存在弊端，表現(xiàn)在：（1）超高壓純水射流除鱗、除銹技術(shù)以高速純水射流為作業(yè)介質(zhì)、以大直徑純水旋轉(zhuǎn)射流為作業(yè)方式，雖然其工作效率較高，但所需的水射流作業(yè)壓力和機(jī)組功率等級(jí)較高；（2）磨料水射流除鱗、除銹技術(shù)以高速水射流中混入磨料為作業(yè)介質(zhì)、以多個(gè)單束固定磨料水射流往復(fù)運(yùn)動(dòng)為作業(yè)方式，雖然其所需的水射流作業(yè)壓力較低，但作業(yè)效率較低。

降低水射流除鱗除銹作業(yè)的能耗已經(jīng)成為急需解決的問題。本文研制大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流基本作業(yè)單元，通過與傳統(tǒng)的冷態(tài)鋼板水射流除銹試驗(yàn)對(duì)比，大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效、低耗的冷態(tài)鋼材水射流除鱗除銹作業(yè)。

2 傳統(tǒng)冷態(tài)鋼材水射流除鱗除銹機(jī)理

2.1 傳統(tǒng)水射流除鱗除銹技術(shù)

圖1為傳統(tǒng)的水射流除鱗除銹成套設(shè)備組成。

圖1 冷態(tài)鋼材的水射流除鱗除銹成套設(shè)備組成圖

水射流除鱗除銹作業(yè)均由高壓泵機(jī)組作為主機(jī)產(chǎn)生作業(yè)所需的高壓水，并以大直徑超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭或磨料水射流噴頭作為基本作業(yè)單元，配套合適的輔助設(shè)備使基本作業(yè)單元沿冷態(tài)鋼材表面相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)除鱗除銹作業(yè)。

超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭（圖2 a）將多束具有相當(dāng)打擊力的純水射流旋轉(zhuǎn)起來形成大直徑旋轉(zhuǎn)水射流，配套合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使噴頭沿待作業(yè)表面平行移動(dòng)，使水射流由點(diǎn)成線、由線成面地進(jìn)行大寬幅除鱗、除銹作業(yè)。由于單束磨料噴頭作業(yè)寬幅極其有限，磨料水射流噴頭（圖2 b）利用多束磨料噴頭組合疊加形成一定的作業(yè)寬幅，配套合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使噴頭沿待作業(yè)表面往復(fù)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)大面積除鱗、除銹作業(yè)。

2.2 水射流除鱗除銹的能耗分析

水射流除鱗除銹的能力直接體現(xiàn)在能耗方面，由作業(yè)效率和比能耗共同決定[4]，他們表示為：

式中：η——作業(yè)效率，即：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)除鱗除銹面積，m2/h；

S——除鱗除銹的面積，m2；

T——除鱗除銹的時(shí)間，h；

B——除鱗除銹基本單元的作業(yè)寬幅，m；

v——除鱗除銹基本單元的橫移速度，m/m i n；

W——比能耗，即：?jiǎn)挝怀[除銹面積所耗費(fèi)的能量，k W·h/m2；

Pe——高壓水射流有效功率，k W；

P——高壓水射流壓力，M Pa；

Q——高壓水射流流量，L/m i n。

由（1）、（2）式可知，為了降低水射流除鱗除銹的能耗，即提高單位時(shí)間內(nèi)除鱗除銹的面積并降低單位除鱗除銹面積所耗費(fèi)的能耗，應(yīng)當(dāng)降低水射流有效功率，并提高水射流除鱗除銹基本單元的作業(yè)寬幅和橫移速度。

雖然超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭作業(yè)寬幅大、作業(yè)效率高，但由于超高壓純水射流作業(yè)介質(zhì)為純水，其水射流作業(yè)壓力至少在220～240M Pa以上才能達(dá)到S a 2.5的除銹質(zhì)量[5]，而機(jī)組功率動(dòng)輒200k W以上，因此超高壓純水射流除鱗除銹比能耗較高；以一定粒度、形狀、強(qiáng)度的磨料為作業(yè)介質(zhì)的磨料水射流，雖然所需水射流作業(yè)壓力僅50M Pa左右，但單個(gè)磨料噴頭的作業(yè)寬幅極小，而多個(gè)磨料噴頭組成的作業(yè)單元，不僅作業(yè)寬幅依然有限，并且疊加的水射流功率同樣較高，往復(fù)式的作業(yè)效率也較低，因此磨料水射流除鱗除銹比能耗也較高。

3 大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹噴頭設(shè)計(jì)

3.1 旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹機(jī)理

為了實(shí)現(xiàn)低功率、大寬幅的水射流除鱗除銹作業(yè)，本文以大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹技術(shù)解決傳統(tǒng)水射流除鱗除銹技術(shù)的弊端。

大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹機(jī)理：以多束磨料水射流形成大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流，并使其沿待冷態(tài)鋼材表面移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磨料水射流就實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)成線、由線成面的大面積除鱗除銹作業(yè)；在旋轉(zhuǎn)射流及其運(yùn)動(dòng)的作用下，形成了磨料射流的彎矩作用、集中沖擊作用和剪切作用，實(shí)現(xiàn)高效的除鱗除銹作業(yè)。

3.2 大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹噴頭設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹噴頭（圖3）作為旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹的基本作業(yè)單元，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磨料水射流的密封、射流和旋轉(zhuǎn)。

密封：旋轉(zhuǎn)磨料水射流的旋轉(zhuǎn)密封接頭類似于超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)密封，不僅實(shí)現(xiàn)高壓水、磨料的旋轉(zhuǎn)密封，還將實(shí)現(xiàn)高壓水和磨料的穩(wěn)定輸送至射流噴桿。

射流：旋轉(zhuǎn)磨料水射流噴頭的射流工況由4套射流噴桿和磨料射流噴嘴實(shí)現(xiàn)，合適長(zhǎng)度的射流噴桿與旋轉(zhuǎn)密封接頭連接，形成所需的射流寬幅；磨料射流從單個(gè)磨料射流噴嘴中噴出。

旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)磨料水射流噴頭配置噴頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提供噴頭旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力，使4束單束磨料射流形成旋轉(zhuǎn)磨料水射流。

大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹噴頭性能參數(shù)：水射流工作壓力30～60M Pa，射流寬幅300m m，噴頭轉(zhuǎn)速 150～500r/m i n。

4 大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹噴頭的試驗(yàn)分析

本文以冷態(tài)鋼板除銹為試驗(yàn)對(duì)象，采用大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹噴頭與典型的超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭、磨料水射流噴頭進(jìn)行除銹試驗(yàn)，對(duì)比分析大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹技術(shù)與傳統(tǒng)的水射流除銹技術(shù)的作業(yè)效率和比能耗。試驗(yàn)時(shí)除銹質(zhì)量均達(dá)到S a 2.5。

4.1 超高壓純水射流除銹

圖4為筆者設(shè)計(jì)的超高壓除銹平面清洗器，專用于大平面表面除銹，已應(yīng)用于船舶除銹、鐵路貨車修造等領(lǐng)域。其技術(shù)參數(shù)：水射流工作壓力200～280M Pa，流量30～50L/m i n，配套機(jī)組功率 200～280k W。

除銹試驗(yàn)中，超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭配置8個(gè)?0.50m m水噴嘴（當(dāng)量孔徑?1.40m m），作業(yè)寬幅為300m m，噴頭轉(zhuǎn)速650r/m i n。試驗(yàn)時(shí)，水射流壓力在220～240M Pa，調(diào)節(jié)超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流噴頭這一基本作業(yè)單元的橫移速度以達(dá)到預(yù)期的除銹質(zhì)量（如圖4所示），其除銹效率和比能耗如表1所示。

表1 超高壓純水射流除銹

4.2 磨料水射流除銹

圖5為基本的磨料水射流噴頭，由于其作業(yè)寬幅極其有限，在實(shí)際應(yīng)用中，以多個(gè)磨料水射流噴頭組合疊加，以便形成一定的作業(yè)寬幅。單個(gè)磨料水射流技術(shù)參數(shù)：水射流工作壓力30～50M Pa，流量30～50L/m i n，配套機(jī)組功率30～45k W。

除銹試驗(yàn)中，單個(gè)磨料水射流噴頭配置1個(gè)?1.90m m水噴嘴，有效作業(yè)寬幅約20m m，磨料供給量為7k g/m i n。試驗(yàn)時(shí)，水射流壓力在30～50M Pa，調(diào)節(jié)磨料水射流噴頭這一基本作業(yè)單元的橫移速度以達(dá)到預(yù)期的除銹質(zhì)量（如圖5所示），其除銹效率和比能耗如表2所示。

表2 磨料水射流除銹

4.3 旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹及對(duì)比分析

圖6為筆者設(shè)計(jì)的大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流噴頭。除銹試驗(yàn)中，大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流噴頭配置4個(gè)?0.95m m水噴嘴（當(dāng)量孔徑?1.90m m），作業(yè)寬幅為300m m，噴頭轉(zhuǎn)速450r/m i n，磨料供給量為7 k g/m i n。試驗(yàn)時(shí)，水射流壓力在30～50M Pa，調(diào)節(jié)大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流噴頭這一基本作業(yè)單元的橫移速度以達(dá)到預(yù)期的除銹質(zhì)量（如圖6所示），其除銹效率和比能耗如表3所示。

通過試驗(yàn)可以看出：

（1）旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹的比能耗大大低于超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流，在機(jī)組同樣的功率下，通過增加大直徑旋轉(zhuǎn)水射流作業(yè)單元的數(shù)目，工作效率必然與超高壓純水射流相當(dāng)；最為重要的是，旋轉(zhuǎn)磨料水射流極大降低了機(jī)組對(duì)水射流壓力工況的要求。

（2）與傳統(tǒng)的磨料水射流相比，大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹機(jī)組功率略高，但在同樣的磨料供給量時(shí)，作業(yè)效率和比能耗都得到了改觀。

表3 旋轉(zhuǎn)磨料水射流除銹

5 結(jié)束語

（1）作業(yè)效率和比能耗是評(píng)價(jià)水射流除鱗除銹能力的兩個(gè)關(guān)鍵因素，大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹技術(shù)，將磨料水射流實(shí)現(xiàn)類此超高壓純水旋轉(zhuǎn)射流的作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)了高效、低耗的冷態(tài)鋼材水射流除鱗除銹作業(yè)。

（2）冷態(tài)鋼材除鱗除銹用的大直徑磨料水射流作業(yè)基本單元水射流工作壓力50M Pa，配套機(jī)組功率55k W，磨料供給量7k g/m i n時(shí)作業(yè)效率約24 m2/h，試驗(yàn)表明除銹效果符合要求。

（3）大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流拓展了水射流除鱗、除銹的應(yīng)用，本文研制的大直徑旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹基本作業(yè)單元對(duì)于旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹成套設(shè)備的推廣提供借鑒作用。

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