高压水混流破鳞带钢清洗(HPMFD)机理研究

钢坯表面的氧化铁皮是影响带钢表面质量的“罪魁祸首”，这些氧化铁皮如不被及时清除，不仅会损坏轧辊、轧入钢坯表面形成凹坑或麻面等表面缺陷，而且还会给后续工序（如冷轧、镀锌或涂层）带来诸多问题。在环境问题日益突出、经济萎靡、竞争形势日趋紧张的外部环境下，现代化工业发展对高品质钢铁产品的要求日趋苛刻，因而开发一种绿色环保、集成度高、高效低成本的带钢表面氧化铁皮去除方法尤为迫切和重要。本项目在研究带钢表面氧化铁皮的生成与破裂机理的基础上，建立了带钢表面清洗打击力数学模型及带钢表面氧化铁皮剥离力学模型；创建了自激振荡后混式混流器的数值仿真模型，进行了磨料和高压水两相的混合特性研究，考察了不同系统参数对混流器均混特性的影响；分析了喷幕机旋转射流流场的分布特征及其射流冲蚀特性，探索了不同系统参数对喷幕机输出打击力的作用规律；基于上述研究，研制出了混流器和喷幕机的原理样机，完成了HPMFD装置的集成，搭建了带钢表面混流破鳞性能评定试验系统，并分别开展了打击力测试试验和除磷性能试验，实现了HPMFD系统的最终优化设计。理论与试验结果共同表明，本研究提出的高压水混流破鳞带钢清洗机理是可行性的，且经HPMFD系统处理的带钢表面清洁度等级可达Sa2.5级以上。本项目研究具有重要的理论意义，所提出的新型除鳞方法不仅能够适应低成本、高质量、绿色环保的市场需求，而且具有广阔的应用前景，有望使我国钢铁生产质量水平提升到一个新的高度。

在环境问题日益突出、经济萎靡、竞争形势日趋紧张的外部环境下，现代化工业发展对高质量钢铁产品的要求日趋苛刻。本项目将喷丸清洗技术与高压水射流清洗技术相结合，提出一种新型高压水混流破鳞带钢清洗（HPMFD）技术。综合流体力学、机械学流体传动与控制和材料科学等学科的最新研究成果，在试验研究的基础上建立带钢基体表面氧化铁皮附着力的数学模型及高压水流与磨料间相互作用的两相动力学模型，探索带钢表面氧化铁皮剥离力学模型。通过对高压水-磨料混合流场进行时均性控制，对混流浆液射流动力学进行研究，研制出混流器和喷幕机原理样机，搭建带钢表面混流破鳞性能评定试验系统。理论、仿真联系试验，探索HPMFD技术的除鳞机理，研究样机结构参数、系统参数等对带钢除鳞效果的影响，对样机结构进行优化，使HPMFD系统适应低成本、高质量、绿色环保的市场需求，创造可观的市场价值，同时使我国钢铁生产质量水平提升到一个新的高度。

高压水射流清洗技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术。高压水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点。

高压水射流清洗技术已经在包括石油、化工、冶金、煤炭、交通、船舶、建筑、市政工程以及核能军工等许多部门得到了应用。高压水射流清洗的对象包括：

①管道类：即上下水、排污、输油、煤气、排烟管道；

②各类热交换器、冷却塔、冷凝器；

③盛装气、水、油、溶液、浆体等流体介质的各种箱、柜、釜、罐、槽、舱等工业容器；

④压力容器，包括储气缸、高压釜、合成塔等；

⑤公路、铁路运输用的槽罐车，水运船舶的油料仓等；

⑥船舶，在船舶维修工作中，采用高压水射流可剥除船体、船舱和螺旋桨上的生长物；可清除船体水面线上下的油污，剥除压载箱、底板及船舱上的附着物及除锈等；

⑦钢材、铸件表面的除鳞、除锈、清砂；

⑧各种大型工业设备表面，如轧钢机表面除油去污等；

⑨各种大型建筑物、写字楼外表面；

⑩混凝土构筑物，包括路面翻松（深度6mm～25mm），路面污迹清除，机场跑道除胶以及混凝土冲毛等。

高压水清洗清洗类型

适用于高压水射流清洗的结垢物的类型包括：各种机械堵塞物、各类盐碱结垢物、氧化铁、金属锈蚀物、油脂及油污凝结物、油漆、焦炭、石蜡、沥青、石灰、石子、沉渣、淤泥、船体上的附着物及海洋生物等。

清洗范围

市政工程、居民小区、机关院校、各大使馆、宾馆饭店、医院；发电厂、化肥厂、化工厂、采油厂、炼油厂、钢铁厂、焦化厂、氧气厂、动力厂、煤气厂、啤酒厂、制药厂、制糖厂、肉联厂、冷冻厂、纺织厂、橡胶厂等大中型企业。

高压水清洗高压水清洗的优点

研究和生产实践表明: 高压水射清流洗技术是一项可靠、经济实用的清洗技术。与化学清洗相比，高压水射流清洗技术具有如下优点。

（1）清洗质量好 高压水射流清洗管道及热交换器内孔时，能将管内的结垢物和堵塞物全部剔除干净，可见到金属本体。具有巨大的能量且以超音速运动的高压水射流,完全能够破坏坚硬结垢物和堵塞物，但对金属没有任何破坏作用。

同时又由于高压水的压力小于金属或钢筋混凝土的抗压强度等级，高压水射流清洗不会损伤被清洗基体。

（2）清洗速度快 由于水射流的冲刷、楔劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可迅速将结垢物打碎脱落，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清洗速度快几倍到十几倍。

同时，采用高压水射流清洗后的部件，无需进行二次洁净处理；而化学清洗后，则需用清水将表面的化学药剂清洗掉。

（3）无环境污染 由于高压水射流清洗是以清水为介质，因而水射流清洗不像喷砂抛丸及简单的机械清洗那样产生大量粉尘，污染大气环境，损害 人体健康；也不像有些化学清洗那样，产生大量废液污染河道、土质和水质。以清水为介质水射流，无臭、无味、无毒，喷出的射流雾化后，还可降低作业区的空气粉尘浓度，可使大气粉尘由其他方法的80mg/m33降低到国家规定的安全标准2mg/m33以下，因此不会造成任何污染。

此外，高压水射流清洗液的回收在技术上也相对容易实现。

（4）适用范围广 高压水射流清洗能清洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄复杂和操作环境较差的条件下进行清洗，对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求，只要求能够直射，故其应用十分广泛。

（5）易于机械化、自动化。

（6）节能、省水、清洗成本低 高压水射流使用的介质是自来水，它来源容易，普遍存在。在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂，即可清洗干净，故清洗成本低，大约只有化学清洗的1/3左右。其次，水射流清洗方法与消防用水炮不同，属细射流喷射，所用的喷嘴直径只有0.5--2.5mm,故耗水量只有（3—5）m33/h，所用动力的功率为37--90kw，故属节水节能设备。

（7）在设备维修中，能较好恢复设备性能、延长设备寿命； 与其他物理清洗技术相比，高压水射流清洗也有着独特的优势。

高压水清洗清洗业简介

在传统的清洗作业中采用的清洗技术有机械钻孔清洗、蒸汽清洗、化学清洗、超声波清洗、以及水射流清洗等几十种形式。日本、欧美等西方发达国家在70年代以前主要采用化学方法清洗,自70年代末开始发展高压水射流清洗技术。

到目前为止，高压水射流清洗已经成为西方发达国家的主流清洗技术，占到了清洗业市场份额的80%以上，在美国，高压水射流清洗已占到了清洗业的90%。

我国的清洗行业多年来一直处于化学和手工清洗的落后状态，据估计，我国工业清洗目前80%是用化学方法。无论是化学清洗还是人工清洗都存在着清洗成本高、效率低、污染环境等问题，远远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗要求。

高压水射流清洗技术自80年代中期传入我国后，在90年代中期得到迅速普及。目前，高压水射流清洗在我国工业清洗中已超过10%，并且正在迅速增长。

由“水刀坊”纪新刚为代表的一些中国水射流技术也逐渐成为行业主流。随着现代社会对清洗行业提出的效率、洁净率及环保要求的不断提高，高压水射流清洗技术在我国的普及应用是必然趋势。

高压水射流"是指通过高压水发生装置将水加压至数百个大气压以上，再通过具有细小孔径的喷射装置转换为高速的微细"水射流"。

这种"水射流"的速度一般都在一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量，可以完成不同种类的任务。将这种高度聚能的水射流用来完成各种清洗作业的技术称为"高压水射流清洗技术"。

高压水射流用于清洗，具有效率高、成本低、不损伤工件、不污染环境、操作方便、安全等优点。德国,美国,日本等工业发达国家在1980年后高压水技术已经普及应用,作为环保高新技术取代污染环境的化学清洗,在发电，石油，化工，铸造，核电厂，机场，水泥等行业，深受市场欢迎。