磨料水射流回收光盘试验研究

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  摘要:为了提高废旧光盘的回收,采用磨料水射流试验的原理、设备及方案步骤,运用控制变量法进行反复多次试验,并用Matlab软件对试验数据进行处理。利用三维建模软件Solidworks建立喷头组件的简化模型,并用Fluent软件对其进行仿真模拟,再结合公式推导得出最佳靶距的理论值。比较试验数据处理值和理论推导值,可得出结论:光盘清洗效果最佳时的靶距约为220mm,压力最佳范围约为1~2.5MPa,且当靶距一定时,压力越大,光盘回收的效果就越好。
  关键词:废旧光盘回收;磨料水射流;Fluent;控制变量法
  中图分类号: TQ340.68文献标志码:A文章编号: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
  以只读光盘为例,光盘的结构主要有印刷层、保护层、反射层及基板组成。其中反射层和基板具有回收价值,反射层含有金、银、铜、铝等成分,其贵重金属价格较贵,基板材料为聚碳酸酯PC,具有极好的抗冲击性能、耐蠕变性和尺寸稳定性,且耐热、吸水率低、无毒、介电性能优良。聚碳酸酯用途广泛,其应用范围涵盖光学材料、电子电气、办公自动化、挤出膜片、汽车、机械、医疗器械等众多领域[1-2]。
  目前对废旧光盘的回收处理方法主要分为干法和湿法两种,干法即是物理方法,主要是采用喷砂、打磨、刨除等方法去除光盘表层物质,再回收基材。此法存在较大的污染,且回收的基材也只能用来做一些要求较低的物品;湿法则是化学方法,采用适当的溶剂去除光盘的表层物质,再回收基材[3-5]。光盘的各个功能层材料的性质相差很大,不同类型的光盘其制造材料也有所不同,化学溶剂需针对不同材质配制,这种方法对实验室的设施和环境要求较高,生产复杂且操作不便。


  本文采用磨料水射流清洗的方法去除废旧光盘的功能层,直接得到基板材料,去除的功能层材料再经过滤回收。采用磨料水射流对废旧光盘进行回收,具有使用原料(水和柘榴石磨料)简单、无需针对不同材质配比和效率高的优点。

1试验研究


  1.1试验原理
  试验所用光盘直径为120mm。在本文的试验研究中,光盘和喷嘴都固定不动,因此喷嘴喷出的射流要有一定的扩散度,才能将光盘表面上的功能层全部清除。为此试验中采用的喷头组件与前混和磨料射流用于切割时的组件不同,在喷头组件里加入了加旋元件[6],其结构如图1所示。喷头组件由加旋元件、喷嘴、喷嘴压帽和喷头体等组合而成,分为三段,第Ⅰ段为圆管进液段,第Ⅱ段内放置加旋元件,第Ⅲ段为一带锥芯的锥形收缩段。加旋后的磨料浆体同时具有轴向速度、径向速度和旋转速度,即形成旋转射流,旋转射流的每一质点都具有三维速度,整个射流在旋转前进的过程中向外扩散,从而在较小的靶距下即可获得较大的射流清除面积[7]。
  1.2试验系统
  试验系统如图2所示。高压水在混合腔与来自磨料罐的磨料混合形成磨料浆后,经高压软管至喷头,在喷头内磨料浆经加旋元件加旋后喷出[8]。清洗前,先調节好靶距,再将喷头固定,光盘由夹持装置固定不动。为防止飞溅,又便于观察,由亚克力板制作了一个封闭式试验台,试验台实物图如图3所示。
  1.3试验步骤


  检查设备,安放好光盘,调节一定靶距,启动开关按钮;调整压力,使其固定到某一值[9],启动秒表计时,观察光盘表面;仔细观察光盘表面状况,待全部清除干净,停止秒表计时;记录下光盘完全清除干净时的压力、靶距、时间;对试验后的光盘进行拍照与记录。

2试验结果及分析


  2.1试验效果表示
  本试验所用的光盘为废旧的随书光盘,清洗部位为光盘的印刷层,即光盘的封面。光盘处理前后的对比图如图4所示。光盘直径为120mm,总面积为602π mm2;封面未涂漆部分的直径为24mm,面积为122π mm2;故光盘封面涂漆部分的面积为(602-122)π mm2,约等于10 857.344 2mm2。试验主要考察靶距和压力对光盘清除效果的影响,光盘的清除效果用参数η表示,η的含义为射流清除涂漆后的面积与光盘封面涂漆部分的面积之比。
  2.2试验数据
  本文试验采用的磨料为80目柘榴石,磨料重量比浓度为26%。试验时,光盘与喷头呈垂直状态[10]。采用控制变量法,即当靶距一定时,改变前混射流的压力,进行多次反复试验。试验数据如表1所示。


  由于在清除光盘表面时,喷出的磨料细砂会遮挡住视线,故在时间读取的过程中存在少许误差。同时喷嘴的角度问题,以及其与光盘是否对正,需要在试验过程中一步步调试,这也是表格中某些数据存在误差的原因。分析处理试验数据时需剔除不符合试验要求的数据,如喷头未对准光盘中心和喷头偏斜时的试验数据。
  靶距太大,光盘内部有残留;靶距太小,光盘外部无法清除;需找到一个能将光盘外缘及内部都能清洗干净的最佳靶距。由表1可粗略估计最佳靶距在20~22cm左右。当靶距一定时,压力越大,清洗时间越短,回收光盘的效率就越高。
  2.3试验数据处理
  用软件matlab处理试验数据,得到图5~图6。
  其中图3是将靶距和压力对光盘清洗效果的影响放在同一张图上,从图3可更清楚地看出,光盘清洗效果最佳时的靶距约为22cm;压力最佳范围约为1~2.5MPa。由图4(a)(b)可知,当靶距一定时,压力越大,光盘回收的效果就越好。

3最佳靶距理论分析


  3.1仿真模拟速度分布
  1) 三维模型和网格划分


  本试验利用在喷头组件中加入旋转元件的方式产生射流[11]。首先利用SolidWorks软件建立模型,为了更好地模拟喷头组件内部流场,在建立实体模型时对喷头进行了简化[12],简化后的模型如图7(a)所示。简化的直段管直径为190mm,长度为200mm;加旋元件的螺旋流槽头数为双头,螺距为12mm,长度为25mm,外径为190mm;锥形收缩段长度为30mm;喷嘴总长度为10mm,分三段,长度分别为4mm、5mm和1mm,直径分别为10mm、2mm、4mm。
  模型建成后,在SolidWorks中将该模型在指定目录下保存为.STEP格式,文件名及文件保存路径均用英文表示[13]。打开软件Gambit,并将所建模型的.STEP文件导入进行前处理工作。网格划分时,Element选用Tet/Hybrid类型[14];Type选用TGrid[15];interval size为0.5mm。最后定义边界条件并保存[16],网格划分如图7(b)所示。
  2) Fluent仿真模拟
  将网格导入软件Fluent中,经过检查网格、选择求解器与计算模型、设置边界条件和求解计算等环节[17-18],就可以得到理想的收敛残差过程,经310次迭代完成。经过Fluent自带的后处理分析可得喷嘴处的砂和水的旋转速度(切向速度)和轴向速度分布图,如图8所示。
  3.2喷嘴的喷射角
  实验采用在喷头组件里加固定旋塞的方法,因流槽槽面附近流动较慢,旋塞对流动的干扰作用较小,出口紊动度低,基本上属于势涡流。如图7所示,射流的边界可近似看作线性扩展,其扩展角为β,它定义为射流边界线和轴线之间的夹角。喷嘴的喷射角α近似为两射流边界线之间的夹角,即喷射角α近似为扩展角β的两倍,即α=2β。
  由经验可知,一般考虑喷嘴处砂的旋转速度和轴向速度的最大值,即ωm0=4.25m/s,um0=5.25m/s,计算可得α=28.64°。
  3.3垂直喷射高度
  将射流边界当作直线来进行估算,如图8所示。射流的垂直喷射高度H,即为光盘清洗的最佳靶距;射流边界宽度(或射流扩展直径)为光盘的直径,取120mm,即L=120mm;α为喷嘴的喷射角,α=28.64°。由公式H=L/2tan(α/2)可得,最佳靶距的理论值约为235.05mm,即23.505cm。
  最佳靶距的理论值和试验数据处理后的值相差1.505cm,误差约为6.84%。误差值在允许范围内,故试验研究所得数据基本合理[21]。

4结论


  本文采用在喷头体内安装开有螺旋流槽的加旋元件,形成磨料旋转射流,对清除光盘进行了试验研究,并利用Fluent软件进行了仿真模拟。本文的研究表明,光盘清除效果最佳靶距约为220mm,其射流的扩散度正好能覆盖光盘的表面积,对应的压力最佳范围为1~2.5MPa。
  本文研究僅考察了靶距和压力对光盘清除效果的影响。实际上影响光盘清除效果的因素还有如加旋元件的结构、喷嘴的结构及磨料的粒径等均对清除效果有影响,因此尚需作进一步的研究。
  本文采用磨料水射流清洗方法去除废旧光盘功能层,其特点在于非接触式冷清除,既不会像打磨法,由于摩擦生热使聚碳酸酯熔融,也可避免化学方法溶剂配比不当影响光盘材料的性能,因此值得应用推广。
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  (责任编辑:李丽)
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