高壓水混流破鱗帶鋼清洗(HPMFD)機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

在環(huán)境問(wèn)題日益突出、經(jīng)濟(jì)萎靡、競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日趨緊張的外部環(huán)境下，現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展對(duì)高質(zhì)量鋼鐵產(chǎn)品的要求日趨苛刻。本項(xiàng)目將噴丸清洗技術(shù)與高壓水射流清洗技術(shù)相結(jié)合，提出一種新型高壓水混流破鱗帶鋼清洗（HPMFD）技術(shù)。綜合流體力學(xué)、機(jī)械學(xué)流體傳動(dòng)與控制和材料科學(xué)等學(xué)科的最新研究成果，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立帶鋼基體表面氧化鐵皮附著力的數(shù)學(xué)模型及高壓水流與磨料間相互作用的兩相動(dòng)力學(xué)模型，探索帶鋼表面氧化鐵皮剝離力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)高壓水-磨料混合流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均性控制，對(duì)混流漿液射流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，研制出混流器和噴幕機(jī)原理樣機(jī)，搭建帶鋼表面混流破鱗性能評(píng)定試驗(yàn)系統(tǒng)。理論、仿真聯(lián)系試驗(yàn)，探索HPMFD技術(shù)的除鱗機(jī)理，研究樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等對(duì)帶鋼除鱗效果的影響，對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使HPMFD系統(tǒng)適應(yīng)低成本、高質(zhì)量、綠色環(huán)保的市場(chǎng)需求，創(chuàng)造可觀的市場(chǎng)價(jià)值，同時(shí)使我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量水平提升到一個(gè)新的高度。

鋼坯表面的氧化鐵皮是影響帶鋼表面質(zhì)量的“罪魁禍?zhǔn)住?，這些氧化鐵皮如不被及時(shí)清除，不僅會(huì)損壞軋輥、軋入鋼坯表面形成凹坑或麻面等表面缺陷，而且還會(huì)給后續(xù)工序（如冷軋、鍍鋅或涂層）帶來(lái)諸多問(wèn)題。在環(huán)境問(wèn)題日益突出、經(jīng)濟(jì)萎靡、競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日趨緊張的外部環(huán)境下，現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展對(duì)高品質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品的要求日趨苛刻，因而開(kāi)發(fā)一種綠色環(huán)保、集成度高、高效低成本的帶鋼表面氧化鐵皮去除方法尤為迫切和重要。本項(xiàng)目在研究帶鋼表面氧化鐵皮的生成與破裂機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了帶鋼表面清洗打擊力數(shù)學(xué)模型及帶鋼表面氧化鐵皮剝離力學(xué)模型；創(chuàng)建了自激振蕩后混式混流器的數(shù)值仿真模型，進(jìn)行了磨料和高壓水兩相的混合特性研究，考察了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)混流器均混特性的影響；分析了噴幕機(jī)旋轉(zhuǎn)射流流場(chǎng)的分布特征及其射流沖蝕特性，探索了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)噴幕機(jī)輸出打擊力的作用規(guī)律；基于上述研究，研制出了混流器和噴幕機(jī)的原理樣機(jī)，完成了HPMFD裝置的集成，搭建了帶鋼表面混流破鱗性能評(píng)定試驗(yàn)系統(tǒng)，并分別開(kāi)展了打擊力測(cè)試試驗(yàn)和除磷性能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了HPMFD系統(tǒng)的最終優(yōu)化設(shè)計(jì)。理論與試驗(yàn)結(jié)果共同表明，本研究提出的高壓水混流破鱗帶鋼清洗機(jī)理是可行性的，且經(jīng)HPMFD系統(tǒng)處理的帶鋼表面清潔度等級(jí)可達(dá)Sa2.5級(jí)以上。本項(xiàng)目研究具有重要的理論意義，所提出的新型除鱗方法不僅能夠適應(yīng)低成本、高質(zhì)量、綠色環(huán)保的市場(chǎng)需求，而且具有廣闊的應(yīng)用前景，有望使我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量水平提升到一個(gè)新的高度。

高壓水射流清洗技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上興起的一門(mén)高科技清洗技術(shù)。高壓水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清凈率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等特點(diǎn)。

高壓水射流清洗技術(shù)已經(jīng)在包括石油、化工、冶金、煤炭、交通、船舶、建筑、市政工程以及核能軍工等許多部門(mén)得到了應(yīng)用。高壓水射流清洗的對(duì)象包括：

①管道類(lèi)：即上下水、排污、輸油、煤氣、排煙管道；

②各類(lèi)熱交換器、冷卻塔、冷凝器；

③盛裝氣、水、油、溶液、漿體等流體介質(zhì)的各種箱、柜、釜、罐、槽、艙等工業(yè)容器；

④壓力容器，包括儲(chǔ)氣缸、高壓釜、合成塔等；

⑤公路、鐵路運(yùn)輸用的槽罐車(chē)，水運(yùn)船舶的油料倉(cāng)等；

⑥船舶，在船舶維修工作中，采用高壓水射流可剝除船體、船艙和螺旋槳上的生長(zhǎng)物；可清除船體水面線上下的油污，剝除壓載箱、底板及船艙上的附著物及除銹等；

⑦鋼材、鑄件表面的除鱗、除銹、清砂；

⑧各種大型工業(yè)設(shè)備表面，如軋鋼機(jī)表面除油去污等；

⑨各種大型建筑物、寫(xiě)字樓外表面；

⑩混凝土構(gòu)筑物，包括路面翻松（深度6mm～25mm），路面污跡清除，機(jī)場(chǎng)跑道除膠以及混凝土沖毛等。

高壓水清洗清洗類(lèi)型

適用于高壓水射流清洗的結(jié)垢物的類(lèi)型包括：各種機(jī)械堵塞物、各類(lèi)鹽堿結(jié)垢物、氧化鐵、金屬銹蝕物、油脂及油污凝結(jié)物、油漆、焦炭、石蠟、瀝青、石灰、石子、沉渣、淤泥、船體上的附著物及海洋生物等。

清洗范圍

市政工程、居民小區(qū)、機(jī)關(guān)院校、各大使館、賓館飯店、醫(yī)院；發(fā)電廠、化肥廠、化工廠、采油廠、煉油廠、鋼鐵廠、焦化廠、氧氣廠、動(dòng)力廠、煤氣廠、啤酒廠、制藥廠、制糖廠、肉聯(lián)廠、冷凍廠、紡織廠、橡膠廠等大中型企業(yè)。

高壓水清洗高壓水清洗的優(yōu)點(diǎn)

研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明: 高壓水射清流洗技術(shù)是一項(xiàng)可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的清洗技術(shù)。與化學(xué)清洗相比，高壓水射流清洗技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）清洗質(zhì)量好 高壓水射流清洗管道及熱交換器內(nèi)孔時(shí)，能將管內(nèi)的結(jié)垢物和堵塞物全部剔除干凈，可見(jiàn)到金屬本體。具有巨大的能量且以超音速運(yùn)動(dòng)的高壓水射流,完全能夠破壞堅(jiān)硬結(jié)垢物和堵塞物，但對(duì)金屬?zèng)]有任何破壞作用。

同時(shí)又由于高壓水的壓力小于金屬或鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)，高壓水射流清洗不會(huì)損傷被清洗基體。

（2）清洗速度快 由于水射流的沖刷、楔劈、剪切、磨削等復(fù)合破碎作用，可迅速將結(jié)垢物打碎脫落，比傳統(tǒng)的化學(xué)方法、噴砂拋丸方法、簡(jiǎn)單機(jī)械及手工方法清洗速度快幾倍到十幾倍。

同時(shí)，采用高壓水射流清洗后的部件，無(wú)需進(jìn)行二次潔凈處理；而化學(xué)清洗后，則需用清水將表面的化學(xué)藥劑清洗掉。

（3）無(wú)環(huán)境污染 由于高壓水射流清洗是以清水為介質(zhì)，因而水射流清洗不像噴砂拋丸及簡(jiǎn)單的機(jī)械清洗那樣產(chǎn)生大量粉塵，污染大氣環(huán)境，損害 人體健康；也不像有些化學(xué)清洗那樣，產(chǎn)生大量廢液污染河道、土質(zhì)和水質(zhì)。以清水為介質(zhì)水射流，無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒，噴出的射流霧化后，還可降低作業(yè)區(qū)的空氣粉塵濃度，可使大氣粉塵由其他方法的80mg/m33降低到國(guó)家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)2mg/m33以下，因此不會(huì)造成任何污染。

此外，高壓水射流清洗液的回收在技術(shù)上也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

（4）適用范圍廣 高壓水射流清洗能清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，能在空間狹窄復(fù)雜和操作環(huán)境較差的條件下進(jìn)行清洗，對(duì)設(shè)備材質(zhì)、特性、形狀及垢物種類(lèi)均無(wú)特殊要求，只要求能夠直射，故其應(yīng)用十分廣泛。

（5）易于機(jī)械化、自動(dòng)化。

（6）節(jié)能、省水、清洗成本低 高壓水射流使用的介質(zhì)是自來(lái)水，它來(lái)源容易，普遍存在。在清洗過(guò)程中，由于能量強(qiáng)大，不需加任何填充物及洗滌劑，即可清洗干凈，故清洗成本低，大約只有化學(xué)清洗的1/3左右。其次，水射流清洗方法與消防用水炮不同，屬細(xì)射流噴射，所用的噴嘴直徑只有0.5--2.5mm,故耗水量只有（3—5）m33/h，所用動(dòng)力的功率為37--90kw，故屬節(jié)水節(jié)能設(shè)備。

（7）在設(shè)備維修中，能較好恢復(fù)設(shè)備性能、延長(zhǎng)設(shè)備壽命； 與其他物理清洗技術(shù)相比，高壓水射流清洗也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

高壓水清洗清洗業(yè)簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)的清洗作業(yè)中采用的清洗技術(shù)有機(jī)械鉆孔清洗、蒸汽清洗、化學(xué)清洗、超聲波清洗、以及水射流清洗等幾十種形式。日本、歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在70年代以前主要采用化學(xué)方法清洗,自70年代末開(kāi)始發(fā)展高壓水射流清洗技術(shù)。

到目前為止，高壓水射流清洗已經(jīng)成為西方發(fā)達(dá)國(guó)家的主流清洗技術(shù)，占到了清洗業(yè)市場(chǎng)份額的80%以上，在美國(guó)，高壓水射流清洗已占到了清洗業(yè)的90%。

我國(guó)的清洗行業(yè)多年來(lái)一直處于化學(xué)和手工清洗的落后狀態(tài)，據(jù)估計(jì)，我國(guó)工業(yè)清洗目前80%是用化學(xué)方法。無(wú)論是化學(xué)清洗還是人工清洗都存在著清洗成本高、效率低、污染環(huán)境等問(wèn)題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的工業(yè)及民用清洗要求。

高壓水射流清洗技術(shù)自80年代中期傳入我國(guó)后，在90年代中期得到迅速普及。目前，高壓水射流清洗在我國(guó)工業(yè)清洗中已超過(guò)10%，并且正在迅速增長(zhǎng)。

由“水刀坊”紀(jì)新剛為代表的一些中國(guó)水射流技術(shù)也逐漸成為行業(yè)主流。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)清洗行業(yè)提出的效率、潔凈率及環(huán)保要求的不斷提高，高壓水射流清洗技術(shù)在我國(guó)的普及應(yīng)用是必然趨勢(shì)。

高壓水射流"是指通過(guò)高壓水發(fā)生裝置將水加壓至數(shù)百個(gè)大氣壓以上，再通過(guò)具有細(xì)小孔徑的噴射裝置轉(zhuǎn)換為高速的微細(xì)"水射流"。

這種"水射流"的速度一般都在一倍馬赫數(shù)以上，具有巨大的打擊能量，可以完成不同種類(lèi)的任務(wù)。將這種高度聚能的水射流用來(lái)完成各種清洗作業(yè)的技術(shù)稱為"高壓水射流清洗技術(shù)"。

高壓水射流用于清洗，具有效率高、成本低、不損傷工件、不污染環(huán)境、操作方便、安全等優(yōu)點(diǎn)。德國(guó),美國(guó),日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在1980年后高壓水技術(shù)已經(jīng)普及應(yīng)用,作為環(huán)保高新技術(shù)取代污染環(huán)境的化學(xué)清洗,在發(fā)電，石油，化工，鑄造，核電廠，機(jī)場(chǎng)，水泥等行業(yè)，深受市場(chǎng)歡迎。