拋丸機(jī)用鋼砂液力輸送試驗(yàn)鋼板防腐除銹方案

整個(gè)試驗(yàn)裝置是由各個(gè)系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)之間相互影響，理想的試驗(yàn)裝置是需要各個(gè)系統(tǒng)之間達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，即噴射泵單位時(shí)間內(nèi)向拋丸機(jī)輸送的鋼砂量與拋丸機(jī)單位時(shí)間內(nèi)消耗的拋丸量需要達(dá)到平衡，同時(shí)還需要觀察拋丸機(jī)在對(duì)應(yīng)的拋丸量下帶鋼表層的氧化皮去除效果。

由于噴射泵內(nèi)部流體流動(dòng)屬于高雷諾數(shù)的強(qiáng)湍流流動(dòng)，當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)，容易在流場(chǎng)中形成不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而且在理論研究和數(shù)值模擬過(guò)程中，并未對(duì)流場(chǎng)中的漩渦等情況加以考慮。而且在數(shù)值模擬時(shí)為了方便計(jì)算、對(duì)許多實(shí)際條件加以約束，在噴射泵的制造加工過(guò)程，還存在制造誤差等問(wèn)題，所以很有可能數(shù)值仿真得到結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果存在一定的差異。為了驗(yàn)證上一章節(jié)數(shù)值仿真得到的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射泵工作效率以及鋼砂吸入量的影響結(jié)果，所以需要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。

1、試驗(yàn)裝置與方法：

1.1、鋼丸液力輸運(yùn)試驗(yàn)：

1.2、試驗(yàn)裝置：

由于經(jīng)濟(jì)和實(shí)際操作不方便等原因，在鋼砂液力輸運(yùn)的試驗(yàn)中，鑄造不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴射泵所需要的費(fèi)用較大，而且在實(shí)際過(guò)程中，拆卸和安裝噴射泵非常不方便，所以在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中只能通過(guò)更換不同尺寸的噴嘴后，觀察供砂桶中鋼砂與水的混合物的體積變化情況，來(lái)驗(yàn)證上一章節(jié)中數(shù)值仿真的結(jié)果。

其中為噴射泵提供工作液體的水泵其性能參數(shù)如表5.1所示。

表5. 1水泵性能參數(shù)

2、試驗(yàn)方法：

在試驗(yàn)剛開(kāi)始，*先將存砂桶中清理干凈，并關(guān)緊存砂桶底部的管夾閥，然后往存砂桶中加入定量的鋼砂和水。同時(shí)將供砂桶清理干凈，并關(guān)緊供砂桶底部的三個(gè)管夾閥。較后打開(kāi)水泵為噴射泵提供工作液體。

快速地將存砂桶底部的管夾閥完全打開(kāi)，然后開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)供砂桶中鋼砂與水的混合物達(dá)到設(shè)定的體積之后，停止計(jì)時(shí)，并計(jì)算一共使用的時(shí)間。在這個(gè)過(guò)程中，需要向存砂桶中加入鋼砂和水，來(lái)使得噴射泵吸入口的條件基本不發(fā)生變化。

3、拋丸試驗(yàn)：

3.1.試驗(yàn)裝置：

如下圖所示，此次拋丸試驗(yàn)所涉及到的裝置主要有供砂桶、管夾閥、拋丸器、拋丸室、帶鋼移動(dòng)系統(tǒng)、噴射泵、水泵、螺旋輸送機(jī)、鋼砂輸送管路、電氣控制系統(tǒng)。

圖5. 3拋丸試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先關(guān)緊供砂桶底部的管夾閥，然后打開(kāi)水泵和噴射泵，將鋼砂輸送到供砂桶中，在工作一段時(shí)間以后，打開(kāi)拋丸器。當(dāng)拋丸器達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速之后，打開(kāi)供砂桶底部的管夾閥，使得鋼砂與水的混合物以一定流速進(jìn)入拋丸器。當(dāng)流速均勻時(shí)，打開(kāi)帶鋼移動(dòng)小車，帶鋼以0.2m/s的速度運(yùn)動(dòng)至拋丸室，觸碰到行程開(kāi)關(guān)后，在拋丸室中停留約10s中后返回到起點(diǎn)。在拋丸室底部堆積的鋼砂、水、氧化皮等混合物受到重力的作用，逐漸流入螺旋輸送機(jī)中，打開(kāi)螺旋輸送機(jī)之后，使得整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)能夠往復(fù)循環(huán)，不間斷的工作。

3.2、試驗(yàn)鋼砂及帶鋼樣板的選擇：

一般鋼板拋丸使用的磨料有三種，分別是鋼絲切丸、鑄鋼丸和鋼砂，具體形貌區(qū)別如下圖所示。

根據(jù)實(shí)際工況要求，本文選用鋼砂作為拋丸器磨料，其主要加工工藝有下面幾部分，*先是將廢鋼或者廢合金鋼放入到中頻爐熔融，之后離心入水造粒，待鋼粒形成之后進(jìn)行干燥處理，之后再進(jìn)行大小篩分，將大小合格的鋼粒篩選出之后再進(jìn)行淬火，淬火完成后將鋼粒壓碎，再進(jìn)行篩選，篩選后直接包裝出廠的為GH鋼砂，篩選后再進(jìn)行回火處理后包裝出廠的為GP, GL鋼砂。

不同種類的鋼砂硬度也有一定的差異，GP鋼砂硬度(HRC)一般為4250, GL鋼砂硬度(HRC)一般為5660, GH鋼砂硬度(HRC)一般為6065。彈丸選擇主要考慮以下幾點(diǎn):

(1)由于鋼砂屬于易耗品，在選擇時(shí)要選用價(jià)格較低且壽命較長(zhǎng)。

(2)由于葉片屬于易損件，而對(duì)葉片影響較大的是鋼砂，故選擇時(shí)要考慮其對(duì)葉片的磨耗。

(3)根據(jù)帶鋼表面處理要求，如帶鋼表面硬度及粗糙度要求，可以根據(jù)下面的參考式(5-1)和式(5-2 )來(lái)選取鋼砂。

鋼砂當(dāng)量直徑計(jì)算公式 鋼砂速度計(jì)算公式

(4)當(dāng)彈丸硬度較高，則比較脆，容易破碎，不僅加快消耗量，還容易造成帶鋼表面劃痕;當(dāng)彈丸硬度較低，則容易變形，消耗能量，降低拋丸效果。故選擇時(shí)要考慮彈丸的硬度。

圖5. 4磨料分類

根據(jù)以上綜述，選擇當(dāng)量直徑約為0.5mm左右的GL鋼砂，其SA〔標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為G50，由上海某公司提供，具體形貌如圖5.5所示。

圖5. 5 G50鋼砂

圖5.6為G L50鋼砂電鏡掃描圖，由圖可以看出此鋼砂為多棱砂。

圖5. 6 GL50鋼砂電鏡掃描圖

帶鋼選用45鋼，厚度為5mm，如圖5.7所示，密度約為7800kg加3，泊松比約為0.269，彈性模量約為21000E/MPa

圖5. 7試驗(yàn)用帶鋼鋼板圖

4、試驗(yàn)結(jié)果與分析：

4.1、鋼丸液力輸運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果與分析：

由于試驗(yàn)條件的限制，不能夠通過(guò)直接測(cè)量的方法測(cè)出噴射泵各進(jìn)口和出口的壓力，所以試驗(yàn)中不能對(duì)噴射泵的工作效率直接驗(yàn)證。根據(jù)上一節(jié)的研究方法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)在固定工況下噴射泵將供砂桶裝滿所需要的時(shí)間，從而間接地計(jì)算出鋼砂單位時(shí)間的吸入量。

但是可以通多驗(yàn)證噴射泵在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下鋼砂的實(shí)際吸入量，并與上一章模擬仿真的結(jié)果加以對(duì)比。

在試驗(yàn)過(guò)程中由于，加工不同尺寸的噴射泵價(jià)格昂貴，且更換噴射泵十分麻煩，所以噴射泵主體的各結(jié)構(gòu)參數(shù)采用上一章中模擬得到的較優(yōu)參數(shù)，即喉管收縮角度為250、喉管長(zhǎng)度為70mm。試驗(yàn)中主要通過(guò)更換噴射泵噴嘴，驗(yàn)證噴嘴到喉管入口的距離和面積比這兩個(gè)參數(shù)對(duì)噴射泵鋼砂吸入量的影響，己知供砂桶的體積約為2.8m3。

表5. 2試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)得到的結(jié)果與上一章仿真計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雖然在實(shí)際單位時(shí)間內(nèi)，鋼砂吸入量的實(shí)驗(yàn)值小于模擬值，但是其得到的變化趨勢(shì)圖與模擬仿真的結(jié)果趨勢(shì)圖具有好的相似性，證明模擬仿真的結(jié)果參數(shù)對(duì)實(shí)際噴射泵的鑄造即一定的指導(dǎo)意義。

實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果與模擬仿真得到的結(jié)果存在差異的原因可能有以下幾點(diǎn):(1)在模擬仿真過(guò)程中忽略了鋼砂與鋼砂之間的碰撞，實(shí)際試驗(yàn)中，由于鋼砂的體積分?jǐn)?shù)加大，實(shí)際過(guò)程中鋼砂與鋼砂之間產(chǎn)生碰撞消耗能量;(2)噴射泵實(shí)際加工過(guò)程中，肯定存在加工誤差，而且噴射泵是采用鑄造工藝，內(nèi)部表面的粗糙度較大;(3)實(shí)際試驗(yàn)中管道布置會(huì)導(dǎo)致工作流體的動(dòng)能損失;(4)選用的湍流模型可能在流場(chǎng)的局部區(qū)域不適用等。

4.2、拋丸試驗(yàn)結(jié)果分析：

為了驗(yàn)證拋丸器、拋丸室和濕式拋丸工藝的合理性，需要對(duì)拋丸后的帶鋼表面質(zhì)量和成分進(jìn)行分析驗(yàn)證。整個(gè)試驗(yàn)裝置的工作參數(shù)如下，鋼砂以50}80m/s的速度擊打帶鋼表面，帶鋼在拋丸時(shí)中的移動(dòng)速度約為0.2m/s，拋丸器單位時(shí)間的拋丸量約為8.5kg/s鋼砂的當(dāng)量直徑約為0.5mm，鋼砂入射角為600。帶鋼經(jīng)過(guò)拋丸后的拋打效果如圖5.8所示。

圖5. 8帶鋼表面拋打效果圖

為了進(jìn)一步觀察被拋打后鋼砂形貌變化、帶鋼的表面形貌以元素成分變化，本文中對(duì)帶鋼、鋼砂進(jìn)行了電鏡掃描，使用的是日立電子顯微鏡，型號(hào)為S-3400N， 未經(jīng)拋打的鋼板和經(jīng)過(guò)濕式拋丸的帶鋼表面在顯微掃描電鏡下的表面形貌對(duì)比如圖5.10, 5.12所示。

圖5. 10帶鋼原表面形貌圖

圖5. 11帶鋼原表面能譜圖

圖5. 12帶鋼擊打后表面形貌圖

圖5. 13帶鋼擊打后表面能譜圖

根據(jù)上述的形貌圖以及成分圖可以看出，帶鋼在未拋打前與拋打之后表面形貌差異較大，可以明顯地看到在被拋打后的帶鋼表面有各種各樣的凹坑。根據(jù)帶鋼表面的能譜圖5.11和圖5.13可以看出，帶鋼在拋丸后表面的氧元素大幅降低，證明濕式拋丸對(duì)氧化皮的去除效果較好，但是氧元素含量并沒(méi)有完全降低至零，所以經(jīng)過(guò)濕式拋丸拋打后的帶鋼表面需要及時(shí)進(jìn)行防銹處理，以防止二次氧化。

5、本章小結(jié)：

1.采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的濕式拋丸試驗(yàn)裝置，通過(guò)更換噴射泵中的噴嘴來(lái)驗(yàn)證上一章:節(jié)得到的噴嘴到喉管距離對(duì)鋼砂吸入量的影響。
2.通過(guò)拋丸試驗(yàn)，驗(yàn)證了濕式拋丸工藝及裝置的可行性，利用電子顯微鏡對(duì)拋丸后的帶鋼表面進(jìn)行觀察，驗(yàn)證了濕式拋丸對(duì)帶鋼表面氧化皮有很好的去除效果。

帶鋼表面處理是帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序，目前國(guó)內(nèi)普遍采用酸洗工藝或干式拋丸來(lái)清除帶鋼表面氧化層。然而，酸洗對(duì)環(huán)境和員工身心健康存在較大的威脅。為了降低環(huán)境污染，有效清理帶鋼表面氧化層，本文開(kāi)展了基于帶鋼表面處理的新型濕式拋丸工藝及設(shè)備的研究，得出如下結(jié)論和成果:

1、開(kāi)展了濕式拋丸的工藝研究，確定了項(xiàng)目研究的預(yù)期目標(biāo)與技術(shù)方案，提出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝要求及設(shè)備組成。

2、完成了濕式拋丸試驗(yàn)裝置的設(shè)備開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了拋丸系統(tǒng)、鋼砂輸運(yùn)系統(tǒng)、帶鋼移動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。在拋丸系統(tǒng)中，研究了與拋丸器的相關(guān)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，確定了合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了供砂桶和拋丸室;在鋼砂I系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種方案，以便于后期的對(duì)比和選用;在帶鋼移動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了帶鋼牽引裝置、支架、導(dǎo)軌和移動(dòng)小車的工作方案和具體結(jié)構(gòu);在電氣控制系統(tǒng)中，根據(jù)各裝置的控制要求，選擇合適型號(hào)的電氣元件，并完成相關(guān)電氣控制方案設(shè)計(jì);較后將各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總裝和調(diào)試。

3、在鋼砂輸運(yùn)系統(tǒng)中，本文設(shè)計(jì)了兩種鋼砂提升方案，并對(duì)比了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)斗式提升機(jī)輸運(yùn)鋼砂存在的一系列問(wèn)題，確定了采用噴射泵液力方式來(lái)輸運(yùn)鋼砂。通過(guò)對(duì)噴射泵工作原理的研究，論證此方法的可行性，推導(dǎo)了噴射泵的性能方程。完成了液力輸運(yùn)方案設(shè)計(jì)、輸運(yùn)系統(tǒng)中各個(gè)部件安裝布置。

4、針對(duì)采用噴射泵液力輸運(yùn)鋼砂的工藝要求，研究了液固二相流相關(guān)理論，通過(guò)有限元ANSYS-Fluent對(duì)噴射泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，得出在一定工況條件下噴射泵內(nèi)部各結(jié)構(gòu)參數(shù)(噴嘴出口到喉管入口距離、面積比、喉管長(zhǎng)度、喉管收縮角度)對(duì)鋼砂吸入量的影響和噴射泵工作效率的影響。發(fā)現(xiàn)了噴嘴出口到喉管入口的距離、面積比、喉管長(zhǎng)度對(duì)噴射泵工作效率影響較大。利用噴射泵性能方程得到噴射泵在本文工況下較優(yōu)解構(gòu)參數(shù)分別為:噴嘴出口到喉管入口距離為巧mm、較優(yōu)面積比為

4、較優(yōu)喉管長(zhǎng)度為70mm、較優(yōu)喉管收縮角度為300

5、通過(guò)鋼砂液力輸運(yùn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，并分析了試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的存在差異的原因，驗(yàn)證了仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)變化的一致性。通過(guò)拋丸試驗(yàn)，驗(yàn)證了拋丸器在噴射泵較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下輸運(yùn)的鋼砂量的情況下，帶鋼鋼板氧化皮去除效果。通過(guò)電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)氧化皮的去除效果較好，驗(yàn)證了此工藝參數(shù)的可行性。