共軛環(huán)是我國自行開發(fā)的高效新型散堆填料，在氣液傳質(zhì)過程中具有通量大、阻力小、傳質(zhì)效率高等特點，已在石油、輕工、等行業(yè)的精餾、吸收過程中得到廣泛的應(yīng)用，并應(yīng)用于工藝的液液傳質(zhì)過程中¨ 。在過去提高填料傳質(zhì)效率的研究工作主要集中在填料宏觀結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計和加工方面，國內(nèi)外學(xué)者在建立光壁面填料塔內(nèi)流態(tài)模型及其應(yīng)用方面作了大量工作 “ ，使填料傳質(zhì)效率有所提高 。 目前大多數(shù)填料已比較接近理想填料，今后通過改進宏觀幾何尺寸來進一步提高傳質(zhì)效率是有限的。填料的表面特征的改善將是能否促進填料塔內(nèi)氣液相充分混合、提高傳質(zhì)效率的關(guān)鍵。對基料表面特征作進一步翅化改進，填料比表面積和空隙率，提高潤濕性，減小壓降，提高操作氣流速度，在填料表層主動誘導(dǎo)、互擾形成均勻湍流層，加強氣液傳質(zhì)相接觸混合機會，為提高傳質(zhì)效率創(chuàng)造條件。
 
1 不銹鋼薄板翅結(jié)構(gòu)的生成
 
1．1 不銹鋼板材表面的翅化加工
 
在不銹鋼板表層實現(xiàn)翅化加工 (所謂表面翅化加工，是指在填料的基料表層通過機械加工的方法生成類似于百葉窗狀的非貫穿性翼形結(jié)構(gòu))不同于通常在塑性金屬表面進行的以擠壓、塑性流動變形和劈斬、翻犁為主要特征的犁削翅化加工，在薄板材表層實現(xiàn)三維翅結(jié)構(gòu)的成形以及通過刀具幾何參數(shù)和加工工藝參數(shù)控制三維翅結(jié)構(gòu)形狀方面具有其性。筆者對在 0．1mm厚度的不銹鋼帶材表面翅結(jié)構(gòu)形成機理及成形技術(shù)進行了試驗探索。
 
在表層進行翅化加工時，關(guān)鍵是要能實現(xiàn)在薄板厚度內(nèi)的微量切削，要求切削運動方向與材料表面基本平行，沿垂直于料厚方向的切削分力要盡可能小，理論上趨于零。翅化加工的方式是類似于采用圓柱形銑刀順銑的斷續(xù)切削，加工過程分為：①刀一 工接觸滑擦、②刀具在材料表面耕犁和③翅結(jié)構(gòu)形成三個階段。在刀一工接觸滑擦的一階段里，刀具向材料表層切人，由于加工系統(tǒng)的變形，其中包括板料裝夾裝置的變形，機床系統(tǒng)的變形，刀具裝夾裝置的變形，刀具切削刃鈍圓部分對被加工板料擠壓使得被加工板料在刀具的作用下發(fā)生延展、彈塑性變形等因素，造成刀具切削刃不能切入被加工板料表層，只是在表面上滑擦、搓擠，被加工板料表層發(fā)生變形并伴有微量隆起；在刀具切人量進一步加深的情況下，二階段產(chǎn)生了，切削刃繼續(xù)向前方推擠材料，并將材料沿垂直于切削方向向兩側(cè)翻犁；當切削刃前方推擠的材料累積程度達到臨界值時，加工過程進入三階段，即翅結(jié)構(gòu)形成 (或稱切削起翅 )階段，切削刃切人材料中，一變形區(qū) (切屑形成變形區(qū))內(nèi)的材料經(jīng)過了彈性變形和塑性變形，在剪切應(yīng)力作用下，晶粒伸長呈纖維狀；在二變形區(qū)(前刀面上內(nèi)摩擦區(qū))靠近前刀面的切屑底層的流動速度非常低，流向幾乎與前刀面平行，部分粘附在前刀面上，切屑底層內(nèi)發(fā)生剪切應(yīng)變，出現(xiàn)滯流現(xiàn)象，切屑纖維中發(fā)生了顯著的彎曲，發(fā)生二次塑性變形；在前刀面上產(chǎn)生了微小的積屑瘤，有少量微小金屬碎塊脫落；在三變形區(qū)(刃前變形區(qū))刃前應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，應(yīng)力區(qū)很小，應(yīng)力數(shù)值卻很大，經(jīng)過刀刃的作用，使金屬產(chǎn)生塑性變形和滑移分離，在切削刃分流點以上的被切削層材料經(jīng)剪切區(qū)變成切屑流出(進而形成翅結(jié)構(gòu))，分流點以下的很小一部分材料經(jīng)受刀刃鈍圓部分強烈擠壓并由此產(chǎn)生很大的附加塑性變形后，留在已加工表面上，隨后由于里層材料的彈性恢復(fù)和后刀面與已加工表面摩擦，使已加工表面再次發(fā)生塑性變形。從前刀面上流出的短小切屑，并未與材料表面分離，而是在進給運動的配合下留存在材料表面形成了翹起的翅結(jié)構(gòu)，隨后，翹起的翅結(jié)構(gòu)進一步向材料表層翻起，翅的底層脫離前刀面，形成穩(wěn)定的翅結(jié)構(gòu)。翅結(jié)構(gòu)的外表面與基料表面呈夾角 75。一85。翻起 (刀具 前角 -y。=20。、后角 。=20。、刃傾角 ．=0。)，翻起高度為 0．2—0．3mm，翅間距為 3—4 mm，翅結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)隨刀具幾何參數(shù)、切削用量和材料表面特性而變化。
 
 當刃傾角 ks≠0。時 ，翅化加工過程就是斜角切削過程。采用斜角切削加工使流屑平面內(nèi)的有效前角增加，刀刃變得更加鋒利，使材料在剪切區(qū)的變形、切削力、摩擦系數(shù)等均較相應(yīng)條件下的直角切削時有所減小，斜角切削在切屑流出方向上不有垂直于切削刃方向上的金屬塑性流動分量，而且附加有平行于切削刃方向上的金屬塑性流動分量，兩者的合成運動形成了類似于鋸切的現(xiàn)象，使切削過程平穩(wěn)而輕快，有利于改善加工狀況。試驗證實，與直角切削相比較，當垂直于進給方向的切削刃寬度不變，刃傾角 ks=30。時，切削過程更平穩(wěn)，一、二階段的刀一工接觸過程更長，加工出的翅的上表面上鋸齒形缺口減少，減少了由此引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，切屑表面更為平滑，保證了翅結(jié)構(gòu)有較高的強度。在相同前角條件下，翅結(jié)構(gòu)的外表面相對于基料表面呈夾角 70。一75。，翻起高度為 0．2—0．3mm，翅間距減小為 2—3mil，單個翅的表面積更大，翅之間排列更為密集和均勻。
 
 
 
1．2 不銹鋼基料翅化加工中的刀具磨損
 
基料翅化加工采用了高速鋼刀具，刀具前角 -y。 = 20。，后角 。=20。，刃傾角有兩種規(guī)格 ．=0。和hs=30。。加工中隨著刀具運動軌跡的變化工作前角稍有，工作后角稍有減小。前后角的加大，使刀尖楔角減小，削弱了高速鋼刀具切削刃口部位的強度。在切削不銹鋼這樣的塑性、韌性都較高的難加工材料時，當切削厚度小時，作用在刀具刃口上的力成比例，刀具刃口上切削力的，加劇了刀具的磨損，使刀具切削刃口很快被磨損，呈鋸齒狀，伴隨著刀具的磨損和刀尖圓弧半徑的，工件表面明顯惡化，形成惡性，磨損了的刀具形態(tài)復(fù)制在了翅結(jié)構(gòu)和滑擦過的表面上，使得這些表面更為粗糙，布滿了縱向溝紋和橫向鱗刺(或皺褶 )。試驗觀察顯示，正是這些表面特征改善了填料的流體力學(xué)性能。在試驗中，刀具的主要失效形式是由材料硬化所引起的溝紋磨損。
 
2 翅結(jié)構(gòu)表面對提高傳質(zhì)性能的影響
 
2．1 翅結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)性能的影響
 
翅結(jié)構(gòu)表面對傳質(zhì)性能的影響是基于填料表面的茸態(tài)(宏觀與微觀的表面粗糙化)，先在基料表面生成三維翅結(jié)構(gòu)，然后再壓制成一定結(jié)構(gòu)形狀的共軛環(huán)。從對傳質(zhì)液體的水力學(xué)性能影響來看，粗糙化的表面擴大填料的比表面積，提高傳質(zhì)液體在填料表面的附著力，并使傳質(zhì)液體在填料表面充分潤濕，形成薄的能均勻分布的液膜，減少填料表面所持液體量，空隙率，減少壓降的上升，進而提高操作氣流速度，加強氣液的接觸混合，為傳質(zhì)效率的提高創(chuàng)造了條件。當傳質(zhì)氣體流過翅表面時，翻起的翅結(jié)構(gòu)了氣體流動，迫使氣流急劇改變流動速度的方向和大小，對傳質(zhì)氣體流動實現(xiàn)了主動誘導(dǎo)，促進氣液混合和接觸，使翅結(jié)構(gòu)表面上的液膜表面中的液體單元發(fā)生湍動，改善局部小規(guī)模不良液體分布，大大加速了總的擴散速率，促進了傳質(zhì)過程的進行，提高了傳質(zhì)效率。
 
2．2 翅結(jié)構(gòu)對提高共軛環(huán)填料性能的比較
 
填料的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能是評價填料使用性能的兩個宏觀指標，本文采用常溫常壓下，在300mil解吸塔內(nèi)以空氣解吸富氧水，通過測定上、下端溶解氧濃度和壓力差的方法來計算填料的傳質(zhì)和流體力學(xué)性能。測試樣品采用 16mm不銹鋼共軛環(huán) (光 滑表面，未翅化 )與翅化的 16 mm 金屬共軛環(huán)在相同外界條件下進行試驗對比測試。


對利用填料表面三維茸狀翅結(jié)構(gòu)提高填料性能進行的試驗結(jié)果分析認為：
 
(1)填料表面的三維翅結(jié)構(gòu)可提高液體在填料表面的潤濕性。翅化加工后的共軛環(huán)的液體力學(xué)和傳質(zhì)性能明顯于未加工的共軛環(huán)。翅化加工后的共軛環(huán)的傳質(zhì)單元高度 (H。)，比未翅化的降低10％一20％，翅化加工后的共軛環(huán)的液膜傳質(zhì)系數(shù)kI．比未翅化的提高 10％一15％。