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        冷態(tài)鋼材的旋轉(zhuǎn)磨料水射流除鱗除銹能耗研究

        2013-12-06 09:28:46任啟樂朱華清王永強(qiáng)
        冶金動(dòng)力 2013年2期
        關(guān)鍵詞:寬幅冷態(tài)水射流

        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(yǔ)

        (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。

        [1]楊成禹,喻依兆.高壓水除鱗技術(shù)的研究[J].冶金動(dòng)力,2010,193(03):65-69.

        [2]Eng L E. Ortega T. Comparision of Surface Preparation Using Different Methods[C]. The 11th American Waterjet Conference, Minneapolis,USA,2001.

        [3]薛勝雄等.高壓水射流技術(shù)工程[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006.485-498.

        [4]任啟樂,蘇吉鑫,巴勝富等.水射流爬壁除銹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].流體機(jī)械,2010,38(08):10-13.

        [5]王永強(qiáng),薛勝雄,韓彩紅等.船舶除銹用水作業(yè)新工藝研究[J].中國(guó)修船,2011,24(04):11-14.

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