CN107671733B - 利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法 - Google Patents

利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法 Download PDF

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Abstract

利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法，所述装置包括空压机、磨料罐、储水罐、液氮罐和至少1个储气罐；空压机的出气口连接储气罐的入口，储气罐的出口连接气体通道，气体通道上设有压力表；气体通道上连接有第一通道和第二通道，第一通道连接于储水罐、液氮罐和磨料罐的顶端气体入口；储水罐、液氮罐和磨料罐的底端均连接有下料管，储水罐的下料管上设有雾化喷嘴；下料管与第二通道连接；第二通道末端设有喷射管，喷射管末端设有喷嘴。本发明所述的装置及方法适用性广，对喷嘴的保护效果稳定，不会因为磨料特性的改变而产生较大起伏，尤其是硬度大，对喷嘴磨损较为严重的磨料，可以大大延长喷嘴的使用寿命。

Description

利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法
技术领域
本发明属于磨料气体射流领域，具体涉及一种利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法。
背景技术
磨料射流最早出现在60年代的美国，具体可以分为磨料水射流和磨料气体射流。由于磨料射流系统简单、成本低、切削效率比相同条件下的水射流高8-10倍，因此磨料射流在清洗、除锈、切割和破碎岩石作业中得到了广泛的应用。
在磨料射流作业过程中，喷嘴是决定射流工况的直接元件,是提高流体介质速度的主要装置。
高压管路内的低速流体流经喷嘴时，可带动磨料粒子在极短时间内一起被加速，获得较大动能，实现磨料射流。但由于喷嘴磨损快，寿命短的缺点严重影响了磨料射流的推广应用。
为此，国内外专家近年来在寻求特殊耐磨材料和喷嘴结构改进上，进行了一系列的研究工作，也取得了一定的成果。
但以上寻求特殊耐磨材料和喷嘴结构改进两种方法均有较大的局限性：特殊耐磨材料喷嘴的寿命会随着磨料的不同而改变，硬度较大的磨料会大大缩短喷嘴的使用寿命；喷嘴结构的改变会受到磨料射流工作效率的限制而不能有效延长喷嘴寿命。
发明内容
本发明旨在提供一种使用效果好的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置，包括空压机、磨料罐、储水罐、液氮罐和至少1个储气罐；空压机的出气口连接储气罐的入口，储气罐的出口连接气体通道，气体通道上设有压力表；气体通道上连接有第一通道和第二通道，第一通道连接于储水罐、液氮罐和磨料罐的顶端气体入口；储水罐、液氮罐和磨料罐的底端均连接有下料管，储水罐的下料管上设有雾化喷嘴；下料管与第二通道连接；第二通道末端设有喷射管，喷射管末端设有喷嘴。
储气罐的入口和出口上均设有阀门；储水罐、液氮罐和磨料罐的顶端气体入口上也均设有阀门；储水罐、液氮罐和磨料罐的下料管上也均设有阀门。
储水罐、液氮罐和磨料罐的下料管上均设有电磁流量计，喷射管上设有温度传感器，电磁流量计和温度传感器分别将采集到的信息传输到处理单元。
第二通道的前端设有调压阀。
所述喷嘴的内径朝向喷射管末端的方向先逐渐减小后逐渐增大。
气体通道通过三通管连接第一通道和第二通道。
储气罐的数量为3个，3个储气罐的入口均连接空压机的出气口；3个储气罐的出口均连接气体通道的入口。
还包括储气柜，储气罐设置于储气柜中。
一种利用上述装置进行的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，该方法依次包括如下步骤：
（1）向磨料罐、储水罐和液氮罐分别加入磨料、水和液氮；启动空压机，向储气罐中充入气体；
（2）当储气罐压力达到设置值时，打开储气罐的出口处阀门，保证空压机继续工作；
（3）先打开液氮罐的顶端气体入口处阀门，再打开液氮罐下料管上的阀门，液氮罐中的液氮在气体作用下从喷嘴中喷出；当喷射管内温度达到-60℃~-40℃时，打开储水罐入口阀门，再打开储水罐的下料管上的阀门；
（4）射流稳定后依次打开磨料罐的顶端气体入口处阀门和磨料罐的下料管上的阀门，磨料射流开始作业；
（5）磨料射流过程中，控制磨料、水和液氮的体积流量比为1:3:0.3；
（6）射流工作完成以后，等待磨料罐、储水罐和液氮罐中残余的磨料、水、液氮释放完毕后关闭空压机，待整个系统内的气体释放完毕后关闭所有阀门，整个过程结束。
在磨料射流过程中，需要时刻注意磨料、水或者液氮是否用完，当磨料、水或者液氮任一用完时，先关闭磨料罐、储水罐和液氮罐入口的阀门，再关闭储气罐的出口处的阀门；待磨料罐、储水罐和液氮罐内高压气体释放完毕，关闭磨料罐、储水罐或液氮罐下料管上的阀门，向磨料罐、储水罐或液氮罐中添加磨料、水或者液氮；完成加料工作后，重复（2）-（5）步骤操作即可。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明所述的装置适用性广，对喷嘴的保护效果稳定，不会因为磨料特性的改变而产生较大起伏，尤其是硬度大，对喷嘴磨损较为严重的磨料，可以大大延长喷嘴的使用寿命。2、本装置可以根据实际需要通过温度传感器反馈温度来调节磨料、水和液氮的流量，从而控制磨料的流量、表面冰膜的厚度和硬度，实现物料的合理高效使用。3、本装置在磨料射流中只引入了少量的水，不需要对其进行特别的处理，并且有良好的除尘效果，作业环境更好。4、本装置中设备的选取以及布置，能够有效的保证射流工作的连续性和稳定性，可以满足高要求的射流作业。
通过本发明所述的方法紧凑性高，通过工艺控制可以使得磨料颗粒表面布满一定厚度的水珠，在水的表面张力的作用下形成球形水膜包裹在磨料颗粒表面，在液氮的制冷作用下水膜凝固成为具有一定厚度的球形冰膜覆盖在磨料颗粒的表面形成冰裹磨料。球形冰层能够降低与喷嘴直接接触的磨料表层硬度，从而减少对喷嘴的磨损，而一定厚度的冰层在经过喷射管以及喷嘴内部挤压碰撞后，其硬度和结构稳定性进一步降低，在射流冲击靶体前或者冲击靶体的瞬间会破碎并暴露出内部的硬磨料及其棱角，从而达到与磨料射流相同的冲击效果。
附图说明
图1为本发明所述装置结构示意图；
图2为本发明原理框图。
具体实施方式
一种利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置，如图1和图2所述，包括空压机1、磨料罐5、储水罐6、液氮罐7和至少1个储气罐3，本实施例中储气罐3的数量为3个，为了便于使用本装置还包括储气柜2，3个储气罐3均设置于储气柜2中。空压机1为整个装置提供一定压力的气体，储气罐3用来储存工作需要的一定压力和数量的工作气体，并且储气罐3通过对气体的缓冲可以保证射流工作过程的连续性和整个装置气压的稳定性，三个或者多个储气罐3可以通过调节不同的阀门4组合形式为装置提供不同压力梯度的原始动力，适用范围广。
空压机1的出气口连接3个储气罐3的入口，3个储气罐3的出口均连接气体通道13，储气罐3的入口和出口上均设有阀门4，该阀门4可以调流量，为流量调节阀，通过阀门4可以方便的控制气体是否进入到储气罐3中或气体是否从储气罐3中出来，同时控制进入到出来的气体的流量。气体通道13上设有压力表11，通过压力表11可以读取到气体通道13上的压力值。
气体通道13末端连接有三通管，气体通道13通过三通管连接第一通道和第二通道1714。第一通道连接于储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的顶端气体入口，储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的顶端气体入口上均设有阀门4，该阀门4也是可以控制流量的，流量调节阀，便于控制气体是否进入到储水罐6、液氮罐7和磨料罐5中，以及进入到其中的气体的流量。第一通道连接于储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的顶端气体入口，从而使得气体进入到储水罐6、液氮罐7和磨料罐5中，从而可以平衡储水罐6、液氮罐7和磨料罐5中的压力，进而方便磨料、水和液氮从磨料罐5、储水罐6、液氮罐7中流出。
在储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的底端均连接有下料管18，储水罐6的下料管18上设有雾化喷嘴128，从而使得水雾化成小水滴。储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的下料管18上均设有阀门4，该阀门4也是可以控制流量的流量调节阀，从而控制水、液氮和磨料是否从储水罐6、液氮罐7和磨料罐5中出来，以及从储水罐6、液氮罐7和磨料罐5中出来的水、液氮和磨料的流量。
3个下料管18均与第二通道1714连接，第二通道1714的前端设有调压阀16，从而调整第二通道1714上的气体压力，第二通道1714末端设有喷射管19，喷射管19末端设有喷嘴12，所述喷嘴12的内径朝向喷射管19末端的方向先逐渐减小后逐渐增大，从而对进入到喷嘴12中的磨料进行加速，提高其工作效率。
为了实现装置的自动化，在储水罐6、液氮罐7和磨料罐5的下料管18上均设有电磁流量计9，通过电磁流量计9可以实时采集水、液氮和磨料的流量大小，便于流量的控制和调整。喷射管19上设有温度传感器10，电磁流量计9和温度传感器10分别将采集到的信息传输到处理单元，处理单元将接收到的参数传输到电脑15。通过温度传感器10可以准确监测喷射管19低温场的温度，并通过阀门4来控制液氮流量，以此来控制磨料颗粒表面冰膜的硬度。
实现方式为：处理单元包括单片机和无线传输模块，电磁流量计9和温度传感器10的信号输出端分别连接单片机的信号输入端，单片机通过无线传输模块将接收到的信号传输到电脑15的客户端上即可。
工作的时候，储水罐6中的水在不同压力气体和雾化喷嘴128的共同作用下雾化成均匀的小水滴；小水滴进入第二通道1714后与磨料均匀混合并黏着于磨料颗粒表面，在表面张力的作用下形成具有一定厚度的球形水膜，经过液氮制冷后水膜凝固成为磨料颗粒表面具有一定厚度的球形冰膜，从而形成了可以减少对喷嘴12磨损的冰裹磨料；经过喷嘴12加速后，冰裹磨料最终喷向工作面。
本发明还公开了一种利用上述装置进行的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，该方法依次包括如下步骤：
（1）向磨料罐、储水罐和液氮罐分别加入磨料、水和液氮；启动空压机，向储气罐中充入气体。
（2）当储气罐压力达到设置值时，打开储气罐的出口处阀门，保证空压机继续工作。
（3）先打开液氮罐的顶端气体入口处阀门，再打开液氮罐下料管上的阀门，液氮罐中的液氮在气体作用下从喷嘴中喷出；当喷射管内温度达到-60℃~-40℃时，优选为-50℃时，打开储水罐入口阀门，再打开储水罐的下料管上的阀门。
（4）射流稳定后依次打开磨料罐的顶端气体入口处阀门和磨料罐的下料管上的阀门，磨料射流开始作业；在磨料射流的过程中，通过电脑控制各个参数，下料管上的电磁流量计将磨料、水和液氮的流量传输到处理单元，同时，温度传感器将采集到的温度信号传输到处理单元，处理单元将上述参数传输到电脑，通过电脑实时监控上述参数是否在合适的范围内。
（5）磨料射流过程中，控制磨料、水和液氮的体积流量比为1:3:0.3。
（6）射流工作完成以后，等待磨料罐、储水罐和液氮罐中残余的磨料、水、液氮释放完毕后关闭空压机，待整个系统内的气体释放完毕后关闭所有阀门，整个过程结束。
在磨料射流过程中，需要时刻注意磨料、水或者液氮是否用完，当磨料、水或者液氮任一用完时，先关闭磨料罐、储水罐和液氮罐入口的阀门，再关闭储气罐的出口处的阀门；待磨料罐、储水罐和液氮罐内高压气体释放完毕，关闭磨料罐、储水罐或液氮罐下料管上的阀门，向磨料罐、储水罐或液氮罐中添加磨料、水或者液氮；完成加料工作后，重复（2）-（5）步骤操作即可。
本发明所述的装置及方法适用性广，对喷嘴的保护效果稳定，不会因为磨料特性的改变而产生较大起伏，尤其是硬度大，对喷嘴磨损较为严重的磨料，磨料表面的球形冰层能够降低与喷嘴直接接触的磨料表层硬度，从而减少对喷嘴的磨损，而一定厚度的冰层在经过喷射管以及喷嘴内部挤压碰撞后，其硬度和结构稳定性进一步降低，在射流冲击靶体前或者冲击靶体的瞬间会破碎并暴露出内部的硬磨料及其棱角，从而达到与磨料射流相同的冲击效果，同时大大延长喷嘴的使用寿命。

Claims (9)

1.一种利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：该方法采用的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流装置包括空压机、磨料罐、储水罐、液氮罐和至少1个储气罐；空压机的出气口连接储气罐的入口，储气罐的出口连接气体通道，气体通道上设有压力表；气体通道上连接有第一通道和第二通道，第一通道连接于储水罐、液氮罐和磨料罐的顶端气体入口；储水罐、液氮罐和磨料罐的底端均连接有下料管，储水罐的下料管上设有雾化喷嘴；下料管与第二通道连接；第二通道末端设有喷射管，喷射管末端设有喷嘴；该方法依次包括如下步骤：
（1）向磨料罐、储水罐和液氮罐分别加入磨料、水和液氮；启动空压机，向储气罐中充入气体；
（2）当储气罐压力达到设置值时，打开储气罐的出口处阀门，保证空压机继续工作；
（3）先打开液氮罐的顶端气体入口处阀门，再打开液氮罐下料管上的阀门，液氮罐中的液氮在气体作用下从喷嘴中喷出；当喷射管内温度达到-60℃~-40℃时，打开储水罐入口阀门，再打开储水罐的下料管上的阀门；
（4）射流稳定后依次打开磨料罐的顶端气体入口处阀门和磨料罐的下料管上的阀门，磨料射流开始作业；
（5）磨料射流过程中，控制磨料、水和液氮的体积流量比为1:3:0.3；
（6）射流工作完成以后，等待磨料罐、储水罐和液氮罐中残余的磨料、水、液氮释放完毕后关闭空压机，待整个系统内的气体释放完毕后关闭所有阀门，整个过程结束。
2.如权利要求1所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：储气罐的入口和出口上均设有阀门；储水罐、液氮罐和磨料罐的顶端气体入口上也均设有阀门；储水罐、液氮罐和磨料罐的下料管上也均设有阀门。
3.如权利要求2所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：储水罐、液氮罐和磨料罐的下料管上均设有电磁流量计，喷射管上设有温度传感器，电磁流量计和温度传感器分别将采集到的信息传输到处理单元。
4.如权利要求3所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：第二通道的前端设有调压阀。
5.如权利要求4所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：所述喷嘴的内径朝向喷射管末端的方向先逐渐减小后逐渐增大。
6.如权利要求5所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：气体通道通过三通管连接第一通道和第二通道。
7.如权利要求6所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：储气罐的数量为3个，3个储气罐的入口均连接空压机的出气口；3个储气罐的出口均连接气体通道的入口。
8.如权利要求7所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：还包括储气柜，储气罐设置于储气柜中。
9.如权利要求8所述的利用冰裹磨料减少喷嘴磨损的磨料气体射流方法，其特征在于：在磨料射流过程中，需要时刻注意磨料、水或者液氮是否用完，当磨料、水或者液氮任一用完时，先关闭磨料罐、储水罐和液氮罐入口的阀门，再关闭储气罐的出口处的阀门；待磨料罐、储水罐和液氮罐内高压气体释放完毕，关闭磨料罐、储水罐或液氮罐下料管上的阀门，向磨料罐、储水罐或液氮罐中添加磨料、水或者液氮；完成加料工作后，重复（2）-（5）步骤操作即可。
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