利用電磁場實現預混合磨料射流的設想及驗證試驗

王巖　張國榮

摘要：隨著各國研究人員對高壓水射流技術基礎理論的深入研究和對應用設備的不斷開發，高壓水射流技術發展迅速，射流的品種已從純水射流逐漸擴展為磨料射流、空化射流等，并廣泛應用于煤炭、石油、化工、冶金、機械、軍事等多行業，用以完成清洗、除銹、除塵、切割、鉆孔、粉碎、注漿等作業。提出一種利用正交電磁場裝置實現高效、連續預混合磨料射流的設想，闡述預混合磨料射流技術的內涵，介紹其理論依據，分析其技術可行性，提出該技術實現及實用化所需解決的技術問題，進行初步試驗驗證，為磨料射流技術發展提供新思路。

關鍵詞：電磁場；預混合；磨料射流

中圖分類號：TQ051

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0060-04

磨料射流是普通水射流的發展，其實質是在高壓水射流中加入一定量的高硬度磨料顆粒而形成的固液兩相射流，根據磨料加入的位置不同，可以將其分為后混合磨料射流及前混合磨料射流¨J。

后混合磨料射流中磨料在高壓水形成高速射流之后混入，磨料幾乎不可能進入射流中心且濃度分布不均，降低了水介質對磨料的能量傳輸效率，磨料顆粒速度較低，系統能量轉化效率不高。前混合磨料射流中磨料在高壓水形成高速射流前混入，磨料顆粒與水介質的混合機理得到了改善，具有較高的能量傳輸效率和較大的磨料顆粒速度。但是受磨料罐體積限制，前混合磨料射流連續工作時間有限，需停止工作換罐裝沙，無法實現連續工作。

兩種形式的磨料射流技術均存在一定的缺點，究其根源在于：現有泵或增壓器設備因密封、磨損等問題無法對混有磨料的固液兩相流工作，使其產生足夠的工作壓力，磨料需在水介質具有一定的壓力或流速后混入形成磨料射流，而磨料混入方式致使其存在效率低、無法連續作業等問題。

針對這種情況，筆者提出實現低壓連續供料預混合磨料射流的新方法，以克服現有前、后混合磨料射流存在弊端。因磨料與水介質預先混合，根據磨料加入的位置，相對于現有的前混式磨料射流、后混式磨料射流，本文將其命名預混合磨料射流。

1.預混合磨料射流

利用正交電、磁場實現地低壓、連續供料預混合磨料射流的新方法，其實質是利用預先混有磨料的固液兩相流作為導體，利用磁體在通道建立磁場，通過電極向固液兩相流體供電，此時載流流體會在與它垂直的磁場中受到電磁力作用，流體受力時沿電磁力方向運動，經噴嘴，形成磨料射流。

預混合磨料系統主要包含三部分：磨料供給部分、高壓發生部分、射流形成部分，圖1為系統示意圖。磨料供給部分及射流形成部分不作贅述，本文主要闡述第二部分內容。

預混合磨料射流系統高壓發生部分為正交電磁場裝置，其工作原理為法拉第電磁力定律：處于磁場（磁場與電流方向不平行）中的通電導體會受到安培力作用。圖2a為使用左手定則表示的正交電磁場壓力發生裝置工作原理圖。將左手中指、食指、大拇指處于圖中相互垂直的位置，用食指指向表示磁場B方向，中指指向表示電流I方向，則大拇指指向即為電磁力F方向。

圖2b為壓力發生裝置工作區域模型。為簡便描述起見，通道截面以矩形表示。矩形通道左右兩側面內側安裝電極，向預先混有磨料的固液兩相流施加直流電流，上下兩面布置磁極產生垂直方向磁場，電流I方向、磁場B方向如圖1b所示。流體在通道內受到電磁力作用形成壓力并流動，當壓力達到一定值時即通過管道和噴嘴形成磨料射流。

2.形成射流的關鍵參數

2.1電磁力預混合磨料射流系統中，介質工作壓力源自其在高壓發生部分通道內受到的電磁力作用。介質受到電磁力為

值得注意的是，導電流體受到的推動力與固態導體受到的安培力在大小上有著明顯的差距。因流體中受電磁作用的為帶電離子可在流體內部較小阻力的流動，致使其電磁轉換效率η僅為13%左右。

當電流方向與磁通量夾角為90°且磁通量均強分布時，就矩形截面高壓發生部分通道而言，上式積分得

2.2工作壓力

理想情況下忽略通道內摩擦阻力損失，預混合磨料射流系統工作壓力Pe等于單位面積上的電磁力，即

上式說明，預混合磨料射流系統工作壓力取決于電流密度、磁通量密度及高壓發生部分通道長度，提高其中任一參數均能增加系統的工作壓力。

2.3其他參數

磨料濃度、流量、噴嘴直徑等是形成預混合磨料射流的重要參數，因其均符合磨料射流的一般規律，在此不做贅述。此外，電磁場增壓裝置能量轉換效率也是需要考慮重要參數之一。

3.預混合磨料射流優勢

因運動副動態密封存在的密封、磨損等問題，現有泵或增壓器無法使混有磨料的介質產生足夠的工作壓力。本文中所述方法利用電磁場產生壓力，裝置不存在動態密封，克服了現有泵或增壓器設備的弊端，可以對混有高硬度磨料顆粒的介質工作，使其產生足夠的工作壓力。

相對于現有的前、后混式磨料射流，具有明顯的優勢。首先，磨料常壓下連續供給，其與介質的混合更加充分且濃度可以調節，提高了水介質對磨料的能量傳輸效率，系統工作壓力相對于后混式磨料射流大幅降低，僅為其10%左右，系統可靠性、安全性及工作壽命得到提高。其次，磨料常壓下連續供給，系統取消了前混式磨料射流存在的停機換罐、裝沙步驟，實現了連續作業，提高了工作效率。預混合磨料射流在具有前混合磨料射流較高的能量傳輸效率前提下，實現后混合磨料的連續工作。

4.待解決的技術問題

預混合磨料射流為一種產生磨料射流的新方法，是磨料射流技術研究的新方向之一，它的實現以及實用化存在諸多亟待研究、解決的問題，主要概括為以下幾個方點。

4.1射流介質研究

預混合磨料射流系統中，射流介質作為導體在磁場中受到電磁力作用產生壓力，其壓力形成的原理要求介質須具有良好的導電性，同時為防止較大電流情況下發生顯著的電解效應而產生大量的氣泡影響射流效果，介質需有一定的穩定性特性，其成分的種類及配比非常關鍵。

具體而言主要如下四個方面，其一，為增加介質導電能力而加入的電解質種類及濃度研究；其二，電磁場條件下磨料與水介質的相互作用規律、磨料種類和濃度的研究；其三，電磁場條件下磨料與電解質的相互作用規律及對射流參數和效果的影響規律研究；其四，對有助于形成穩定的磨料與介質懸浮液的懸浮劑的研究。

4.2磁場研究

磁場強度是決定預混合磨料射流系統工作。