任啟樂，龐 雷，張 的，朱華清，魯 飛，王永強

（合肥通用機械研究院，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，采用物理、濕式的作業(yè)方式，既不會對鋼材本質造成傷害，也不會對環(huán)境造成污染，因而具有良好的應用前景[1-3]。

目前，兩種傳統(tǒng)的冷態(tài)鋼材水射流除鱗除銹技術都存在弊端，表現(xiàn)在：（1）超高壓純水射流除鱗、除銹技術以高速純水射流為作業(yè)介質、以大直徑純水旋轉射流為作業(yè)方式，雖然其工作效率較高，但所需的水射流作業(yè)壓力和機組功率等級較高；（2）磨料水射流除鱗、除銹技術以高速水射流中混入磨料為作業(yè)介質、以多個單束固定磨料水射流往復運動為作業(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對比，大直徑旋轉磨料水射流技術實現(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理

2.1 傳統(tǒng)水射流除鱗除銹技術

圖1為傳統(tǒng)的水射流除鱗除銹成套設備組成。

圖1 冷態(tài)鋼材的水射流除鱗除銹成套設備組成圖

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

超高壓純水旋轉射流噴頭（圖2 a）將多束具有相當打擊力的純水射流旋轉起來形成大直徑旋轉水射流，配套合適的執(zhí)行機構使噴頭沿待作業(yè)表面平行移動，使水射流由點成線、由線成面地進行大寬幅除鱗、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)行機構使噴頭沿待作業(yè)表面往復運行，從而實現(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：單位時間內(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：單位除鱗除銹面積所耗費的能量，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，即提高單位時間內(nèi)除鱗除銹的面積并降低單位除鱗除銹面積所耗費的能耗，應當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)介質為純水，其水射流作業(yè)壓力至少在220～240M Pa以上才能達到S a 2.5的除銹質量[5]，而機組功率動輒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、強度的磨料為作業(yè)介質的磨料水射流，雖然所需水射流作業(yè)壓力僅50M Pa左右，但單個磨料噴頭的作業(yè)寬幅極小，而多個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 大直徑旋轉磨料水射流除鱗除銹噴頭設計

3.1 旋轉磨料水射流除鱗除銹機理

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

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

3.2 大直徑旋轉磨料水射流除鱗除銹噴頭設計

本文設計了大直徑旋轉磨料水射流除鱗除銹噴頭（圖3）作為旋轉磨料水射流除鱗除銹的基本作業(yè)單元，實現(xiàn)旋轉磨料水射流的密封、射流和旋轉。

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

射流：旋轉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現(xiàn)，合適長度的射流噴桿與旋轉密封接頭連接，形成所需的射流寬幅；磨料射流從單個磨料射流噴嘴中噴出。

旋轉：旋轉磨料水射流噴頭配置噴頭旋轉驅動機構，提供噴頭旋轉所需的動力，使4束單束磨料射流形成旋轉磨料水射流。

大直徑旋轉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，噴頭轉速 150～500r/m i n。

4 大直徑旋轉磨料水射流除鱗除銹噴頭的試驗分析

本文以冷態(tài)鋼板除銹為試驗對象，采用大直徑旋轉磨料水射流除銹噴頭與典型的超高壓純水旋轉射流噴頭、磨料水射流噴頭進行除銹試驗，對比分析大直徑旋轉磨料水射流除銹技術與傳統(tǒng)的水射流除銹技術的作業(yè)效率和比能耗。試驗時除銹質量均達到S a 2.5。

4.1 超高壓純水射流除銹

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

除銹試驗中，超高壓純水旋轉射流噴頭配置8個?0.50m m水噴嘴（當量孔徑?1.40m m），作業(yè)寬幅為300m m，噴頭轉速650r/m i n。試驗時，水射流壓力在220～240M Pa，調(diào)節(jié)超高壓純水旋轉射流噴頭這一基本作業(yè)單元的橫移速度以達到預期的除銹質量（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，在實際應用中，以多個磨料水射流噴頭組合疊加，以便形成一定的作業(yè)寬幅。單個磨料水射流技術參數(shù)：水射流工作壓力30～50M Pa，流量30～50L/m i n，配套機組功率30～45k W。

除銹試驗中，單個磨料水射流噴頭配置1個?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。試驗時，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到預期的除銹質量（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 旋轉磨料水射流除銹及對比分析

圖6為筆者設計的大直徑旋轉磨料水射流噴頭。除銹試驗中，大直徑旋轉磨料水射流噴頭配置4個?0.95m m水噴嘴（當量孔徑?1.90m m），作業(yè)寬幅為300m m，噴頭轉速450r/m i n，磨料供給量為7 k g/m i n。試驗時，水射流壓力在30～50M Pa，調(diào)節(jié)大直徑旋轉磨料水射流噴頭這一基本作業(yè)單元的橫移速度以達到預期的除銹質量（如圖6所示），其除銹效率和比能耗如表3所示。

通過試驗可以看出：

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

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

表3 旋轉磨料水射流除銹

5 結束語

（1）作業(yè)效率和比能耗是評價水射流除鱗除銹能力的兩個關鍵因素，大直徑旋轉磨料水射流除鱗除銹技術，將磨料水射流實現(xiàn)類此超高壓純水旋轉射流的作業(yè)方式，實現(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，配套機組功率55k W，磨料供給量7k g/m i n時作業(yè)效率約24 m2/h，試驗表明除銹效果符合要求。

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

[1]楊成禹，喻依兆.高壓水除鱗技術的研究[J].冶金動力，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.高壓水射流技術工程[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2006.485-498.

[4]任啟樂，蘇吉鑫，巴勝富等.水射流爬壁除銹實驗平臺的設計與試驗[J].流體機械,2010，38(08)：10-13.

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