航天科技多相混合射流綠色清洗技術(shù)

我國是制造業(yè)大國，金屬表面處理屬剛性工藝需求，國內(nèi)依然以空氣噴砂/噴丸為主的傳統(tǒng)處理工藝為主，仍普遍存在于車輛、船舶、航空、航天、鋼鐵等大型裝備制造加工企業(yè)當(dāng)中，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，對(duì)操作人員身心健康造成了巨大傷害。

作為一個(gè)有社會(huì)責(zé)任感、使命感的航天品牌企業(yè)，在進(jìn)行了大量?jī)?nèi)外部調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，北京航天鳴鏑科技有限公司憑借氣動(dòng)、環(huán)境與強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品集成等專業(yè)為依托，開展環(huán)保型除油、除銹、除漆、除海生物等設(shè)備研制、自動(dòng)清洗集成系統(tǒng)解決方案研究，目的是取代落后污染的空氣噴砂、酸洗、化學(xué)溶劑等清洗工藝，實(shí)現(xiàn)軍用先進(jìn)專業(yè)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

綠色清洗技術(shù)，采用氣固、氣液、氣固液混合的高速噴射清洗方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的微/無損傷清潔，相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)溶劑、空氣噴砂清洗，具有無毒、無殘留、無粉塵、無二次污染、高效等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分有前景的綠色、環(huán)保清洗手段之一。

三相融合射流清洗方法，本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)的噴丸噴砂技術(shù)原理，是一種氣、固、液三相前端混合清洗方式，主要是基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，革命性的通過腔體、管道、噴槍內(nèi)部流場(chǎng)一體化設(shè)計(jì)，僅僅利用空氣動(dòng)力完成氣、固、液三相流在預(yù)設(shè)流場(chǎng)內(nèi)充分均勻混合，然后在空氣動(dòng)力的帶動(dòng)下，高速噴射至待清洗物體表面，利用磨料的棱角的切割、摩擦以及水的浸潤、氣體的沖刷等綜合作用，實(shí)現(xiàn)清除物體表面漆、銹、氧化皮、油垢等強(qiáng)力附著物，整個(gè)作業(yè)過程無塵、無化學(xué)污染、高效、節(jié)水、節(jié)能、綠色環(huán)保清洗。

該技術(shù)的核心原理是利用預(yù)設(shè)流場(chǎng)內(nèi)的腔體、管道、噴槍及內(nèi)部流場(chǎng)一體化設(shè)計(jì)，僅僅利用空氣動(dòng)力完成氣、固、液三相流在預(yù)設(shè)流場(chǎng)內(nèi)充分均勻混合，然后在空氣動(dòng)力的帶動(dòng)下，高速噴射至待清洗物體表面，利用磨料的棱角的切割、摩擦以及水的浸潤、氣體的沖刷等綜合作用，實(shí)現(xiàn)清除物體表面漆、銹、氧化皮、油垢等強(qiáng)力附著物。如下圖2-3為流場(chǎng)壓力仿真分布圖。

圖2-3

基于文丘里保壓噴射技術(shù)原理，預(yù)先注入液、固三相，結(jié)合高壓罐體、同心管路、氣體擾流結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，以一定的平衡壓力引入氣體，實(shí)現(xiàn)液、固、氣三相劇烈翻滾、融合，起到預(yù)先混合并完成噴射清洗。創(chuàng)新研發(fā)罐體、同心管路、進(jìn)氣與出氣、擾流結(jié)構(gòu)等一體化設(shè)計(jì)，形成虹吸結(jié)構(gòu)和負(fù)壓條件，避免管路氣、固、液三相不均勻而堵塞，最終實(shí)現(xiàn)持續(xù)均勻高速噴射，保證清洗效果。

如下圖4-5-6為三相流混合分布圖

圖4-5-6

總結(jié)技術(shù)先進(jìn)性包含以下幾點(diǎn)：

（1）建設(shè)成本低。約傳統(tǒng)空氣噴砂、噴丸的1/3，省卻了除塵、人員作業(yè)防護(hù)、干燥等三大系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)極大降低了廠房密閉性要求；

（2）使用成本低。水、砂均可回收，石英砂回收率高達(dá)75%，僅需常規(guī)工業(yè)壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，清洗效率、效果優(yōu)于500Kg高壓水射流；

（3）研發(fā)投入低。主要為氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、管路、噴槍設(shè)計(jì)及其流場(chǎng)仿真，人力、試制投入小。

（4）綜合對(duì)比已有技術(shù)，體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，詳見下表1：技術(shù)特點(diǎn)對(duì)著表

表1

該技術(shù)的研發(fā)經(jīng)過了與多個(gè)不同行業(yè)金屬表面處理需求客戶的深入調(diào)研交流后立項(xiàng)實(shí)施、研發(fā)工程樣機(jī)三相融合射流技術(shù)普遍得到客戶認(rèn)可，在客戶關(guān)注的表面粗糙度清潔度方面完全達(dá)到國標(biāo)要求，同時(shí)無塵作業(yè)效果，符合我國環(huán)保要求，極大程度降低了職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，有效解決企業(yè)職業(yè)健康與環(huán)境安全問題；另一方面系統(tǒng)低能耗，磨料回收利用率高，實(shí)現(xiàn)了更好的經(jīng)濟(jì)性。

該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用，能夠兼顧環(huán)保、工藝可實(shí)現(xiàn)性與經(jīng)濟(jì)性、職業(yè)健康與環(huán)境安全，是除漆除銹除氧化膜等環(huán)保技術(shù)發(fā)展方向?，F(xiàn)有客戶已涵蓋航天，船舶，車輛，金屬加工鑄造等多個(gè)代表性行業(yè)。

三相融合射流清洗技術(shù)是純氣動(dòng)超音速噴射技術(shù)，無需外接電源?？蛻魡挝滑F(xiàn)有氣源皆可滿足基本工作需求，因此占用資源少，同時(shí)不需再建供氣系統(tǒng)，減少客戶投資成本。

該技術(shù)利用普通清水及石英類硅鈣類磨料作為介質(zhì)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)混合后磨料的直接再利用，無需晾曬烘干，篩選分離等附加設(shè)備?；厥蘸?jiǎn)單經(jīng)濟(jì)性高。區(qū)別于傳統(tǒng)的噴砂拋丸，該技術(shù)不需附加除塵設(shè)備，分離干燥設(shè)備和人員供氧等附加設(shè)備，因此投資成本底，經(jīng)濟(jì)性高。

該系統(tǒng)需要水和固體磨料作為介質(zhì)，同時(shí)噴射作業(yè)后夾帶占總量不足1%比例的氧化皮，經(jīng)多次循環(huán)后，將產(chǎn)生混合水，磨料（石英或硅鈣顆粒）的固體廢料。三相融合射流清洗系統(tǒng)耗水量為每小時(shí)50-60升，作業(yè)過程高速霧化的水將直接蒸發(fā)約30%，其余水體在循環(huán)過程中不斷蒸發(fā)，僅余50--60%的水將作為混合廢料的一部分排入封閉的廢料池內(nèi)，進(jìn)行自然蒸發(fā)，不產(chǎn)生需集中排放的污水。最終該系統(tǒng)只產(chǎn)生以石英硅鈣為主的的固體廢料。由于石英硅鈣都屬于礦石類，容易降解為一般土壤，因此環(huán)境影響極小。

由于三相融合射流清洗技術(shù)是一項(xiàng)革命性的純氣動(dòng)高速混合噴射技術(shù)，無需構(gòu)建獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，磨料及水的消耗量?jī)H為每小時(shí)50-60公斤固體磨料和50-60公升普通水，因此該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有資源的消耗很少，基本上客戶現(xiàn)有資源就可滿足正常工作。

其次，該技術(shù)所產(chǎn)生的混合磨料無需干燥分離即可循環(huán)利用，從整體解決方案角度看，大大減少了附加設(shè)備的投入和能源消耗，增加了全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

產(chǎn)生的水混磨料通過自然蒸發(fā)晾曬，排出水分，因此不對(duì)現(xiàn)有水處理系統(tǒng)構(gòu)成壓力或增加排放。剩余石英硅鈣類廢料本身就是礦石土壤成分，可以作為固體垃圾處理，且具有易降解污染小的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，三相融合射流清洗技術(shù)為純氣動(dòng)噴射技術(shù)，在現(xiàn)有氣源條件下，幾乎不會(huì)增加客戶能源消耗。該技術(shù)通過優(yōu)化的內(nèi)部流場(chǎng)和噴射控制技術(shù)，做到利用最少的介質(zhì)消耗量達(dá)到最優(yōu)的噴射效果，且磨料皆可回收，閉環(huán)處理。因此對(duì)環(huán)境影響較小，經(jīng)濟(jì)性高。

三相融合射流清洗技術(shù)，革命性的采用氣固、氣液、氣固液混合的高速噴射清洗方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的微/無損傷清潔，相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)溶劑、空氣噴砂清洗，具有無毒、無殘留、無粉塵、無二次污染、高效等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分有前景的綠色、環(huán)保清洗手段之一。通過罐體、管道、噴槍內(nèi)部流場(chǎng)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣、固、液均勻混合，僅僅依靠壓縮空氣作為動(dòng)力，以超音速高速噴射至待清洗物體表面，利用砂粒碰撞、摩擦、切割以及水的浸潤、空氣的沖刷等綜合作用，實(shí)現(xiàn)物體表面漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉積等強(qiáng)力附著物的清除，是一種氣、固、液三相前端混合的清洗方式。該方式作業(yè)過程不產(chǎn)生揚(yáng)塵污染，設(shè)備運(yùn)行只需一般工業(yè)氣源即可，無需供電，耗用水及磨料都可達(dá)到循環(huán)利用。

三相融合射流清洗技術(shù)是一種新型、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的金屬表面處理技術(shù)，從技術(shù)工藝上完全可以替代干式噴砂技術(shù)，并且可以部分的替代噴丸技術(shù)和高壓水射流技術(shù)。環(huán)保型的清洗作業(yè)可提供更多就業(yè)機(jī)會(huì)同時(shí)也為工人提供了健康安全的作業(yè)環(huán)境。完美的解決了粉塵污染的問題，高度符合環(huán)保發(fā)展的理念和人民追求美好生活環(huán)境的要求。作業(yè)工人可以從高強(qiáng)度高污染的環(huán)境中解放出來，用人單位也可以不用擔(dān)心員工職業(yè)健康問題。

國家統(tǒng)計(jì)局及中國工業(yè)清洗行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2017 年我國工業(yè)清洗市場(chǎng)約330億人民幣元左右，高壓水射流、空氣噴砂等約占20%，約65億人民幣左右。

三相融合射流清洗可替代高壓水射流、空氣噴砂/噴丸、化學(xué)溶劑等清洗方式，可廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、鐵路、航空航天等金屬表面處理領(lǐng)域，市場(chǎng)潛力巨大，按照投入后2～3年內(nèi)占5%的市場(chǎng)比例預(yù)估，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值5-7個(gè)億人民幣左右。因此具有極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

三相融合射流清洗對(duì)象包括銹、漆、油垢、油泥、水垢、泥沙沉渣等重度污物，可廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶車輛、加工鑄造等行業(yè)，比如船體除銹除漆除海生物、火車車皮翻新除銹除漆、金屬原材料機(jī)加前除氧化膜、鑄件除開模后殘留物等作業(yè)，表面處理等級(jí)優(yōu)于《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923-88）規(guī)定的表面清潔度Sa2.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照國標(biāo)（GB1031-2009)金屬表面粗糙度可以達(dá)到RA12-30MM。

三相融合清洗系統(tǒng)首批下線產(chǎn)品一經(jīng)推出就成果交付了多個(gè)客戶，得到了客戶的認(rèn)可，同時(shí)還開始利用三相融合射流清洗技術(shù)作為核心為客戶定制開發(fā)整體解決方案，包含基礎(chǔ)建設(shè)，回收系統(tǒng)，自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)等設(shè)計(jì)實(shí)施。請(qǐng)見下圖10為整體清洗車間方案及自動(dòng)化清洗方案。

圖10