航天科技多相混合射流綠色清洗技術

我國是制造業大國，金屬表面處理屬剛性工藝需求，國內依然以空氣噴砂/噴丸為主的傳統處理工藝為主，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當中，對環境造成了嚴重污染，對操作人員身心健康造成了巨大傷害。

作為一個有社會責任感、使命感的航天品牌企業，在進行了大量內外部調研分析的基礎上，北京航天鳴鏑科技有限公司憑借氣動、環境與強度、結構設計及產品集成等專業為依托，開展環保型除油、除銹、除漆、除海生物等設備研制、自動清洗集成系統解決方案研究，目的是取代落后污染的空氣噴砂、酸洗、化學溶劑等清洗工藝，實現軍用先進專業技術成果轉化。

綠色清洗技術，采用氣固、氣液、氣固液混合的高速噴射清洗方法，實現對物體表面的微/無損傷清潔，相對傳統化學溶劑、空氣噴砂清洗，具有無毒、無殘留、無粉塵、無二次污染、高效等優點，是一種十分有前景的綠色、環保清洗手段之一。

三相融合射流清洗方法，本質上區別于傳統的噴丸噴砂技術原理，是一種氣、固、液三相前端混合清洗方式，主要是基于空氣動力學理論，革命性的通過腔體、管道、噴槍內部流場一體化設計，僅僅利用空氣動力完成氣、固、液三相流在預設流場內充分均勻混合，然后在空氣動力的帶動下，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，實現清除物體表面漆、銹、氧化皮、油垢等強力附著物，整個作業過程無塵、無化學污染、高效、節水、節能、綠色環保清洗。

該技術的核心原理是利用預設流場內的腔體、管道、噴槍及內部流場一體化設計，僅僅利用空氣動力完成氣、固、液三相流在預設流場內充分均勻混合，然后在空氣動力的帶動下，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，實現清除物體表面漆、銹、氧化皮、油垢等強力附著物。如下圖2-3為流場壓力仿真分布圖。

圖2-3

基于文丘里保壓噴射技術原理，預先注入液、固三相，結合高壓罐體、同心管路、氣體擾流結構等設計，以一定的平衡壓力引入氣體，實現液、固、氣三相劇烈翻滾、融合，起到預先混合并完成噴射清洗。創新研發罐體、同心管路、進氣與出氣、擾流結構等一體化設計，形成虹吸結構和負壓條件，避免管路氣、固、液三相不均勻而堵塞，最終實現持續均勻高速噴射，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

總結技術先進性包含以下幾點：

（1）建設成本低。約傳統空氣噴砂、噴丸的1/3，省卻了除塵、人員作業防護、干燥等三大系統建設，同時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75%，僅需常規工業壓縮氣體驅動，清洗效率、效果優于500Kg高壓水射流；

（3）研發投入低。主要為氣動結構、管路、噴槍設計及其流場仿真，人力、試制投入小。

（4）綜合對比已有技術，體現出明顯的優勢，詳見下表1：技術特點對著表

表1

該技術的研發經過了與多個不同行業金屬表面處理需求客戶的深入調研交流后立項實施、研發工程樣機三相融合射流技術普遍得到客戶認可，在客戶關注的表面粗糙度清潔度方面完全達到國標要求，同時無塵作業效果，符合我國環保要求，極大程度降低了職業健康風險，有效解決企業職業健康與環境安全問題；另一方面系統低能耗，磨料回收利用率高，實現了更好的經濟性。

該項技術推廣應用，能夠兼顧環保、工藝可實現性與經濟性、職業健康與環境安全，是除漆除銹除氧化膜等環保技術發展方向。現有客戶已涵蓋航天，船舶，車輛，金屬加工鑄造等多個代表性行業。

三相融合射流清洗技術是純氣動超音速噴射技術，無需外接電源。客戶單位現有氣源皆可滿足基本工作需求，因此占用資源少，同時不需再建供氣系統，減少客戶投資成本。

該技術利用普通清水及石英類硅鈣類磨料作為介質，同時可以實現混合后磨料的直接再利用，無需晾曬烘干，篩選分離等附加設備。回收簡單經濟性高。區別于傳統的噴砂拋丸，該技術不需附加除塵設備，分離干燥設備和人員供氧等附加設備，因此投資成本底，經濟性高。

該系統需要水和固體磨料作為介質，同時噴射作業后夾帶占總量不足1%比例的氧化皮，經多次循環后，將產生混合水，磨料（石英或硅鈣顆粒）的固體廢料。三相融合射流清洗系統耗水量為每小時50-60升，作業過程高速霧化的水將直接蒸發約30%，其余水體在循環過程中不斷蒸發，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，進行自然蒸發，不產生需集中排放的污水。最終該系統只產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，因此環境影響極小。

由于三相融合射流清洗技術是一項革命性的純氣動高速混合噴射技術，無需構建獨立的動力系統，磨料及水的消耗量僅為每小時50-60公斤固體磨料和50-60公升普通水，因此該技術對現有資源的消耗很少，基本上客戶現有資源就可滿足正常工作。

其次，該技術所產生的混合磨料無需干燥分離即可循環利用，從整體解決方案角度看，大大減少了附加設備的投入和能源消耗，增加了全系統的經濟性。

產生的水混磨料通過自然蒸發晾曬，排出水分，因此不對現有水處理系統構成壓力或增加排放。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勢。

綜上所述，三相融合射流清洗技術為純氣動噴射技術，在現有氣源條件下，幾乎不會增加客戶能源消耗。該技術通過優化的內部流場和噴射控制技術，做到利用最少的介質消耗量達到最優的噴射效果，且磨料皆可回收，閉環處理。因此對環境影響較小，經濟性高。

三相融合射流清洗技術，革命性的采用氣固、氣液、氣固液混合的高速噴射清洗方法，實現對物體表面的微/無損傷清潔，相對傳統化學溶劑、空氣噴砂清洗，具有無毒、無殘留、無粉塵、無二次污染、高效等優點，是一種十分有前景的綠色、環保清洗手段之一。通過罐體、管道、噴槍內部流場一體化設計，實現氣、固、液均勻混合，僅僅依靠壓縮空氣作為動力，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，實現物體表面漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉積等強力附著物的清除，是一種氣、固、液三相前端混合的清洗方式。該方式作業過程不產生揚塵污染，設備運行只需一般工業氣源即可，無需供電，耗用水及磨料都可達到循環利用。

三相融合射流清洗技術是一種新型、環保、高效、經濟的金屬表面處理技術，從技術工藝上完全可以替代干式噴砂技術，并且可以部分的替代噴丸技術和高壓水射流技術。環保型的清洗作業可提供更多就業機會同時也為工人提供了健康安全的作業環境。完美的解決了粉塵污染的問題，高度符合環保發展的理念和人民追求美好生活環境的要求。作業工人可以從高強度高污染的環境中解放出來，用人單位也可以不用擔心員工職業健康問題。

國家統計局及中國工業清洗行業協會數據，2017 年我國工業清洗市場約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、化學溶劑等清洗方式，可廣泛應用于汽車、船舶、鐵路、航空航天等金屬表面處理領域，市場潛力巨大，按照投入后2～3年內占5%的市場比例預估，可實現年產值5-7個億人民幣左右。因此具有極大的市場發展潛力。

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

三相融合清洗系統首批下線產品一經推出就成果交付了多個客戶，得到了客戶的認可，同時還開始利用三相融合射流清洗技術作為核心為客戶定制開發整體解決方案，包含基礎建設，回收系統，自動作業系統等設計實施。請見下圖10為整體清洗車間方案及自動化清洗方案。

圖10