胡雅琳，王紅艷，劉 超，李雪蓮，胡崇舉

宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，宿州，234000

磨料射流技術(shù)是將一定數(shù)量、質(zhì)量和硬度的磨料顆?；烊氲礁咚龠\(yùn)動(dòng)的純水射流中，形成液固兩相流?，F(xiàn)有磨料射流技術(shù)均需利用高壓水泵或增壓器向系統(tǒng)提供所需要的壓力水源。因常用磨料硬度較高，基于增壓設(shè)備密封性和穩(wěn)定性的要求，無法對(duì)磨料直接增壓。一般先對(duì)純水進(jìn)行增壓，磨料與高壓水充分混合后形成磨料射流。整個(gè)過程導(dǎo)致能量浪費(fèi)并無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)［1-3］，限制磨料射流技術(shù)發(fā)展?；谝陨显颍疚臄M探究摒棄傳統(tǒng)的增壓設(shè)備，利用正交電、磁場對(duì)由電解質(zhì)與磨料混合而成的磨料介質(zhì)進(jìn)行增壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨料射流的連續(xù)作業(yè)。通過正交電、磁場增壓實(shí)驗(yàn)裝置，考察不同電壓，不同濃度磨料介質(zhì)對(duì)正交電、磁場增壓的可行性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，測試磨料漿體的物理特性及其對(duì)電磁增壓效果的影響，為深入研究磨料漿體電磁增壓效果提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)［4，5］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

電磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電流體介質(zhì)增壓的基本原理是：在一對(duì)平行電極板形成的電場及與之正交的磁場中，電解質(zhì)溶液中的陰、陽離子沿著電場方向加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到洛倫茲力的作用，該力宏觀上可視為作用在電解質(zhì)溶液上的安培力。溶液受到安培力的作用在流道內(nèi)流動(dòng)，通過噴嘴后實(shí)現(xiàn)增壓效果［6-8］。本實(shí)驗(yàn)選取NaCl配制電解質(zhì)溶液，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，加入不同配比的鈉基膨潤土與硬質(zhì)磨料，充分混合后，制作可導(dǎo)電的磨料漿體介質(zhì)。該磨料漿體介質(zhì)由儲(chǔ)液箱流入，具有正交電、磁場的實(shí)驗(yàn)增壓流道，經(jīng)正交電、磁場作用后由噴嘴射出。實(shí)驗(yàn)裝置中電場強(qiáng)弱由調(diào)節(jié)電路中可變電阻控制，實(shí)時(shí)記錄阻值變化對(duì)磨料漿體介質(zhì)增壓效果的影響。增壓效果具體表現(xiàn)為通電前后實(shí)驗(yàn)裝置末端透明膠管內(nèi)液柱的高度差（液位差）。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 磨料漿體介質(zhì)及其物理性質(zhì)檢測

配制不同質(zhì)量配比的磨料漿體介質(zhì)，并比較磨料漿體介質(zhì)加入不同濃度電解質(zhì)溶液后，其物理性質(zhì)（主要指分散性、懸浮性）的變化，以考察磨料漿體介質(zhì)用于后續(xù)增壓效果實(shí)驗(yàn)的可行性。

2.1.1 試劑與儀器

電子天平（FA-1104型，上海越平科學(xué)儀器有限公司）；電動(dòng)攪拌器（40 W，金壇大地儀器有限公司）。磨料（80目石榴石）；氯化鈉（500 g，分析純）；鈉基膨潤土（蒙脫石≥60%～88%，pH8.9～10）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

配制不同配比的磨料漿體介質(zhì)：鈉基膨潤土以質(zhì)量配比1∶12、1∶16、1∶20，石榴石以60、80、100 g·L-1，加入到10%、18%和26%的 NaCl溶液中，配制成不同配比的磨料漿體介質(zhì)。

將配制好的磨料漿體介質(zhì)，充分混勻后，室溫靜置20 min，觀察磨料漿體介質(zhì)的沉積高度及漿體的透明度，以此表征其介質(zhì)分散性和懸浮性。

2.2 磨料漿體介質(zhì)對(duì)裝置增壓效果的影響實(shí)驗(yàn)

電磁驅(qū)動(dòng)壓力發(fā)生裝置由本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)。通過改變實(shí)驗(yàn)電壓大小和電解質(zhì)溶液濃度，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，考察電壓和電解質(zhì)濃度對(duì)增壓效果的影響。

通過選用永磁體作為磁極搭建增壓過流通道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變電壓大小。電壓分別設(shè)置為6 V、30 V、72 V，電解質(zhì)濃度設(shè)置為10%、18%和26%。觀察裝置增壓效果和溶液電解情況，選擇適宜的電壓和電解質(zhì)濃度用于測試磨料漿體介質(zhì)的增壓效果。

在以上步驟獲得的適宜電壓和電解質(zhì)濃度的條件下，添加不同配比的磨料漿體介質(zhì)（見2.1.2），測試其增壓效果。

裝置其他參數(shù)選擇如下：本次實(shí)驗(yàn)選用磁場強(qiáng)度為0.7 T，磁極材料選用鐵氧體永磁體（釹鐵硼永磁體）；增壓過流通道形狀選擇長方體形；增壓流體通道長度為500 mm；電極供電電壓選擇DC1VDC100V。

3 結(jié)果與討論

3.1 磨料漿體介質(zhì)物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

常溫條件下，相同時(shí)間內(nèi)，不同磨料漿體介質(zhì)的沉積高度和漿體的透明度可表征其介質(zhì)的分散性和懸浮性。測量得到的高度越小，介質(zhì)透明度相對(duì)越低，說明介質(zhì)沉積速度慢，表明其分散性和懸浮性好，反之，則表明其分散性差，介質(zhì)團(tuán)聚嚴(yán)重，懸浮效果差。

觀察漿體配制過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，加入不同濃度的電解質(zhì)對(duì)不同配比的磨料漿體的分散性和懸浮性影響不大，且其分散性和懸浮性均較好，可用于后續(xù)通電實(shí)驗(yàn)。

3.2 增壓效果實(shí)驗(yàn)

3.2.1 電壓和電解質(zhì)濃度對(duì)增壓效果的影響

裝置的增壓效果表現(xiàn)為通電前后實(shí)驗(yàn)裝置的液柱高度差（液位差），而實(shí)驗(yàn)電壓大小和電解質(zhì)濃度都是影響裝置增壓效果的重要因素。由表1可知，液位差較高的是實(shí)驗(yàn)電壓為72 V時(shí)，以及電壓為30 V電解質(zhì)濃度為26%時(shí)，但此時(shí)電解質(zhì)電解程度嚴(yán)重，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象干擾大。因此，后續(xù)選用實(shí)驗(yàn)電壓為30 V，電解質(zhì)濃度為18%。

3.2.2 磨料漿體介質(zhì)對(duì)裝置增壓效果的影響

磨料漿體介質(zhì)對(duì)裝置增壓效果見表2。

由表2可知，液位差即增壓效果最好的是：磨料濃度為60 g·L-1，電解質(zhì)濃度為18%，鈉基膨潤土質(zhì)量配比為1∶16。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一定磨料濃度條件下，鈉基膨潤土質(zhì)量配比越大，液位差越大，并呈遞增趨勢但增幅逐漸減小。分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是伴隨鈉基膨潤土質(zhì)量配比的增大，漿體介質(zhì)的黏度增大，從而流通管道沿程阻力變大，影響實(shí)驗(yàn)增壓效果。由此反映了漿體介質(zhì)增壓效果與添加劑質(zhì)量配比具有直接關(guān)系，且得到質(zhì)量配比對(duì)增壓效果的影響規(guī)律。

表1 電壓和電解質(zhì)濃度對(duì)增壓效果的影響

表2 增壓效果影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過觀察裝置出口管道內(nèi)液柱在實(shí)驗(yàn)前后是否出現(xiàn)液位差，來衡量驅(qū)動(dòng)壓力發(fā)生效果。為將實(shí)驗(yàn)效果放大，避免液體自重對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果的干擾，出口管道傾斜至45°。該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)密封性要求較高，實(shí)驗(yàn)過程中裝置產(chǎn)生熱量可能導(dǎo)致密封部件失效，發(fā)生部分介質(zhì)泄漏現(xiàn)象，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定干擾，故允許誤差控制在2%左右。

4 結(jié)語

本研究選用磨料漿體介質(zhì)對(duì)裝置增壓。當(dāng)電壓為30 V，電解質(zhì)濃度為18% ，磨料濃度為60 g·L-1，鈉基膨潤土質(zhì)量配比為1∶16時(shí)，液位高度差最大，即此時(shí)增壓效果最好，表明電磁驅(qū)動(dòng)磨料漿體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)增壓具有可行性。由于整個(gè)通電實(shí)驗(yàn)過程中存在電解反應(yīng)，產(chǎn)生的氣泡對(duì)液位差的形成造成干擾，需在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步研究電流密度和電極材料等因素對(duì)電解反應(yīng)和氣泡產(chǎn)生的影響。