磨料水射流回收光盤試驗研究

劉力紅 羅玉琴 劉叢伍

摘要：為了提高廢舊光盤的回收，采用磨料水射流試驗的原理、設備及方案步驟，運用控制變量法進行反復多次試驗，并用Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理。利用三維建模軟件Solidworks建立噴頭組件的簡化模型，并用Fluent軟件對其進行仿真模擬，再結合公式推導得出最佳靶距的理論值。比較試驗數(shù)據(jù)處理值和理論推導值，可得出結論：光盤清洗效果最佳時的靶距約為220mm，壓力最佳范圍約為1～2.5MPa，且當靶距一定時，壓力越大，光盤回收的效果就越好。

關鍵詞：廢舊光盤回收；磨料水射流；Fluent；控制變量法

中圖分類號： TQ340.68文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2017）04-0006-06

Abstract： In this paper， a new method of abrasive water jet was used to recycle the waste disc. The principle， equipment and program procedures of the experiment were described. The control variable method was used to carry out repeated tests， and Matlab was used to process the test data. A simplified model of the nozzle assembly was established with the three-dimensional modeling software Solidworks and simulated with the software of Fluent. Thus， the theoretical value of the best target distance was derived by combining the formulas. Conclusions can be drawn by comparing the experimental value and the theoretical value： the target distance with the optimum cleaning effect of the disc was about 220mm and the optimum pressure ranged from 1 to 2.5 MPa. When the target distance was constant， the greater the pressure， the better the effect of recovery of recycling discs.

Key words：Recycling of waste discs； Abrasive Water Jet； Fluent； Control variable method

以只讀光盤為例，光盤的結構主要有印刷層、保護層、反射層及基板組成。其中反射層和基板具有回收價值，反射層含有金、銀、銅、鋁等成分，其貴重金屬價格較貴，基板材料為聚碳酸酯PC，具有極好的抗沖擊性能、耐蠕變性和尺寸穩(wěn)定性，且耐熱、吸水率低、無毒、介電性能優(yōu)良。聚碳酸酯用途廣泛，其應用范圍涵蓋光學材料、電子電氣、辦公自動化、擠出膜片、汽車、機械、醫(yī)療器械等眾多領域[1-2]。

目前對廢舊光盤的回收處理方法主要分為干法和濕法兩種，干法即是物理方法，主要是采用噴砂、打磨、刨除等方法去除光盤表層物質，再回收基材。此法存在較大的污染，且回收的基材也只能用來做一些要求較低的物品；濕法則是化學方法，采用適當?shù)娜軇┤コ獗P的表層物質，再回收基材[3-5]。光盤的各個功能層材料的性質相差很大，不同類型的光盤其制造材料也有所不同，化學溶劑需針對不同材質配制，這種方法對實驗室的設施和環(huán)境要求較高，生產復雜且操作不便。

本文采用磨料水射流清洗的方法去除廢舊光盤的功能層，直接得到基板材料，去除的功能層材料再經(jīng)過濾回收。采用磨料水射流對廢舊光盤進行回收，具有使用原料（水和柘榴石磨料）簡單、無需針對不同材質配比和效率高的優(yōu)點。

1試驗研究

1.1試驗原理

試驗所用光盤直徑為120mm。在本文的試驗研究中，光盤和噴嘴都固定不動，因此噴嘴噴出的射流要有一定的擴散度，才能將光盤表面上的功能層全部清除。為此試驗中采用的噴頭組件與前混和磨料射流用于切割時的組件不同，在噴頭組件里加入了加旋元件[6]，其結構如圖1所示。噴頭組件由加旋元件、噴嘴、噴嘴壓帽和噴頭體等組合而成，分為三段，第Ⅰ段為圓管進液段，第Ⅱ段內放置加旋元件，第Ⅲ段為一帶錐芯的錐形收縮段。加旋后的磨料漿體同時具有軸向速度、徑向速度和旋轉速度，即形成旋轉射流，旋轉射流的每一質點都具有三維速度，整個射流在旋轉前進的過程中向外擴散，從而在較小的靶距下即可獲得較大的射流清除面積[7]。

1.2試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖2所示。高壓水在混合腔與來自磨料罐的磨料混合形成磨料漿后，經(jīng)高壓軟管至噴頭，在噴頭內磨料漿經(jīng)加旋元件加旋后噴出[8]。清洗前，先調節(jié)好靶距，再將噴頭固定，光盤由夾持裝置固定不動。為防止飛濺，又便于觀察，由亞克力板制作了一個封閉式試驗臺，試驗臺實物圖如圖3所示。

1.3試驗步驟

檢查設備，安放好光盤，調節(jié)一定靶距，啟動開關按鈕；調整壓力，使其固定到某一值[9]，啟動秒表計時，觀察光盤表面；仔細觀察光盤表面狀況，待全部清除干凈，停止秒表計時；記錄下光盤完全清除干凈時的壓力、靶距、時間；對試驗后的光盤進行拍照與記錄。

2試驗結果及分析

2.1試驗效果表示

本試驗所用的光盤為廢舊的隨書光盤，清洗部位為光盤的印刷層，即光盤的封面。光盤處理前后的對比圖如圖4所示。光盤直徑為120mm，總面積為602π mm2；封面未涂漆部分的直徑為24mm，面積為122π mm2；故光盤封面涂漆部分的面積為（602-122）π mm2，約等于10 857.344 2mm2。試驗主要考察靶距和壓力對光盤清除效果的影響，光盤的清除效果用參數(shù)η表示，η的含義為射流清除涂漆后的面積與光盤封面涂漆部分的面積之比。

2.2試驗數(shù)據(jù)

本文試驗采用的磨料為80目柘榴石，磨料重量比濃度為26%。試驗時，光盤與噴頭呈垂直狀態(tài)[10]。采用控制變量法，即當靶距一定時，改變前混射流的壓力，進行多次反復試驗。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由于在清除光盤表面時，噴出的磨料細砂會遮擋住視線，故在時間讀取的過程中存在少許誤差。同時噴嘴的角度問題，以及其與光盤是否對正，需要在試驗過程中一步步調試，這也是表格中某些數(shù)據(jù)存在誤差的原因。分析處理試驗數(shù)據(jù)時需剔除不符合試驗要求的數(shù)據(jù)，如噴頭未對準光盤中心和噴頭偏斜時的試驗數(shù)據(jù)。

靶距太大，光盤內部有殘留；靶距太小，光盤外部無法清除；需找到一個能將光盤外緣及內部都能清洗干凈的最佳靶距。由表1可粗略估計最佳靶距在20～22cm左右。當靶距一定時，壓力越大，清洗時間越短，回收光盤的效率就越高。

2.3試驗數(shù)據(jù)處理

用軟件matlab處理試驗數(shù)據(jù)，得到圖5～圖6。

其中圖3是將靶距和壓力對光盤清洗效果的影響放在同一張圖上，從圖3可更清楚地看出，光盤清洗效果最佳時的靶距約為22cm；壓力最佳范圍約為1～2.5MPa。由圖4（a）（b）可知，當靶距一定時，壓力越大，光盤回收的效果就越好。

3最佳靶距理論分析

3.1仿真模擬速度分布

1） 三維模型和網(wǎng)格劃分

本試驗利用在噴頭組件中加入旋轉元件的方式產生射流[11]。首先利用SolidWorks軟件建立模型，為了更好地模擬噴頭組件內部流場，在建立實體模型時對噴頭進行了簡化[12]，簡化后的模型如圖7（a）所示。簡化的直段管直徑為190mm，長度為200mm；加旋元件的螺旋流槽頭數(shù)為雙頭，螺距為12mm，長度為25mm，外徑為190mm；錐形收縮段長度為30mm；噴嘴總長度為10mm，分三段，長度分別為4mm、5mm和1mm，直徑分別為10mm、2mm、4mm。

模型建成后，在SolidWorks中將該模型在指定目錄下保存為.STEP格式，文件名及文件保存路徑均用英文表示[13]。打開軟件Gambit，并將所建模型的.STEP文件導入進行前處理工作。網(wǎng)格劃分時，Element選用Tet/Hybrid類型[14]；Type選用TGrid[15]；interval size為0.5mm。最后定義邊界條件并保存[16]，網(wǎng)格劃分如圖7（b）所示。

2） Fluent仿真模擬

將網(wǎng)格導入軟件Fluent中，經(jīng)過檢查網(wǎng)格、選擇求解器與計算模型、設置邊界條件和求解計算等環(huán)節(jié)[17-18]，就可以得到理想的收斂殘差過程，經(jīng)310次迭代完成。經(jīng)過Fluent自帶的后處理分析可得噴嘴處的砂和水的旋轉速度（切向速度）和軸向速度分布圖，如圖8所示。

3.2噴嘴的噴射角

實驗采用在噴頭組件里加固定旋塞的方法，因流槽槽面附近流動較慢，旋塞對流動的干擾作用較小，出口紊動度低，基本上屬于勢渦流。如圖7所示，射流的邊界可近似看作線性擴展，其擴展角為β，它定義為射流邊界線和軸線之間的夾角。噴嘴的噴射角α近似為兩射流邊界線之間的夾角，即噴射角α近似為擴展角β的兩倍，即α=2β。

由經(jīng)驗可知，一般考慮噴嘴處砂的旋轉速度和軸向速度的最大值，即ωm0=4.25m/s，um0=5.25m/s，計算可得α=28.64°。

3.3垂直噴射高度

將射流邊界當作直線來進行估算，如圖8所示。射流的垂直噴射高度H，即為光盤清洗的最佳靶距；射流邊界寬度（或射流擴展直徑）為光盤的直徑，取120mm，即L=120mm；α為噴嘴的噴射角，α=28.64°。由公式H=L/2tan（α/2）可得，最佳靶距的理論值約為235.05mm，即23.505cm。

最佳靶距的理論值和試驗數(shù)據(jù)處理后的值相差1.505cm，誤差約為6.84%。誤差值在允許范圍內，故試驗研究所得數(shù)據(jù)基本合理[21]。

4結論

本文采用在噴頭體內安裝開有螺旋流槽的加旋元件，形成磨料旋轉射流，對清除光盤進行了試驗研究，并利用Fluent軟件進行了仿真模擬。本文的研究表明，光盤清除效果最佳靶距約為220mm，其射流的擴散度正好能覆蓋光盤的表面積，對應的壓力最佳范圍為1～2.5MPa。

本文研究僅考察了靶距和壓力對光盤清除效果的影響。實際上影響光盤清除效果的因素還有如加旋元件的結構、噴嘴的結構及磨料的粒徑等均對清除效果有影響，因此尚需作進一步的研究。

本文采用磨料水射流清洗方法去除廢舊光盤功能層，其特點在于非接觸式冷清除，既不會像打磨法，由于摩擦生熱使聚碳酸酯熔融，也可避免化學方法溶劑配比不當影響光盤材料的性能，因此值得應用推廣。

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（責任編輯：李麗）