拋丸機用鋼砂液力輸送試驗鋼板防腐除銹方案

整個試驗裝置是由各個系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)之間相互影響，理想的試驗裝置是需要各個系統(tǒng)之間達到動態(tài)的平衡，即噴射泵單位時間內(nèi)向拋丸機輸送的鋼砂量與拋丸機單位時間內(nèi)消耗的拋丸量需要達到平衡，同時還需要觀察拋丸機在對應(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)部流體流動屬于高雷諾數(shù)的強湍流流動，當雷諾數(shù)很大時，容易在流場中形成不規(guī)則運動，而且在理論研究和數(shù)值模擬過程中，并未對流場中的漩渦等情況加以考慮。而且在數(shù)值模擬時為了方便計算、對許多實際條件加以約束，在噴射泵的制造加工過程，還存在制造誤差等問題，所以很有可能數(shù)值仿真得到結(jié)果與實際試驗的結(jié)果存在一定的差異。為了驗證上一章節(jié)數(shù)值仿真得到的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射泵工作效率以及鋼砂吸入量的影響結(jié)果，所以需要進行相關(guān)的試驗研究。

1、試驗裝置與方法：

1.1、鋼丸液力輸運試驗：

1.2、試驗裝置：

由于經(jīng)濟和實際操作不方便等原因，在鋼砂液力輸運的試驗中，鑄造不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴射泵所需要的費用較大，而且在實際過程中，拆卸和安裝噴射泵非常不方便，所以在實際試驗過程中只能通過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，來驗證上一章節(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、試驗方法：

在試驗剛開始，*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。同時將供砂桶清理干凈，并關(guān)緊供砂桶底部的三個管夾閥。較后打開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，然后開始計時，當供砂桶中鋼砂與水的混合物達到設(shè)定的體積之后，停止計時，并計算一共使用的時間。在這個過程中，需要向存砂桶中加入鋼砂和水，來使得噴射泵吸入口的條件基本不發(fā)生變化。

3、拋丸試驗：

3.1.試驗裝置：

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

圖5. 3拋丸試驗裝置

在試驗開始時，先關(guān)緊供砂桶底部的管夾閥，然后打開水泵和噴射泵，將鋼砂輸送到供砂桶中，在工作一段時間以后，打開拋丸器。當拋丸器達到設(shè)定轉(zhuǎn)速之后，打開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入拋丸器。當流速均勻時，打開帶鋼移動小車，帶鋼以0.2m/s的速度運動至拋丸室，觸碰到行程開關(guān)后，在拋丸室中停留約10s中后返回到起點。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中，打開螺旋輸送機之后，使得整個試驗系統(tǒng)能夠往復循環(huán)，不間斷的工作。

3.2、試驗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，待鋼粒形成之后進行干燥處理，之后再進行大小篩分，將大小合格的鋼粒篩選出之后再進行淬火，淬火完成后將鋼粒壓碎，再進行篩選，篩選后直接包裝出廠的為GH鋼砂，篩選后再進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:

(1)由于鋼砂屬于易耗品，在選擇時要選用價格較低且壽命較長。

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

(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 )來選取鋼砂。

鋼砂當量直徑計算公式 鋼砂速度計算公式

(4)當彈丸硬度較高，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，選擇當量直徑約為0.5mm左右的GL鋼砂，其SA〔標準型號為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試驗用帶鋼鋼板圖

4、試驗結(jié)果與分析：

4.1、鋼丸液力輸運試驗結(jié)果與分析：

由于試驗條件的限制，不能夠通過直接測量的方法測出噴射泵各進口和出口的壓力，所以試驗中不能對噴射泵的工作效率直接驗證。根據(jù)上一節(jié)的研究方法，通過統(tǒng)計在固定工況下噴射泵將供砂桶裝滿所需要的時間，從而間接地計算出鋼砂單位時間的吸入量。

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

在試驗過程中由于，加工不同尺寸的噴射泵價格昂貴，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、喉管長度為70mm。試驗中主要通過更換噴射泵噴嘴，驗證噴嘴到喉管入口的距離和面積比這兩個參數(shù)對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試驗結(jié)果

通過實際試驗得到的結(jié)果與上一章仿真計算得到的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)雖然在實際單位時間內(nèi)，鋼砂吸入量的實驗值小于模擬值，但是其得到的變化趨勢圖與模擬仿真的結(jié)果趨勢圖具有好的相似性，證明模擬仿真的結(jié)果參數(shù)對實際噴射泵的鑄造即一定的指導意義。

實際試驗的結(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:(1)在模擬仿真過程中忽略了鋼砂與鋼砂之間的碰撞，實際試驗中，由于鋼砂的體積分數(shù)加大，實際過程中鋼砂與鋼砂之間產(chǎn)生碰撞消耗能量;(2)噴射泵實際加工過程中，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)實際試驗中管道布置會導致工作流體的動能損失;(4)選用的湍流模型可能在流場的局部區(qū)域不適用等。

4.2、拋丸試驗結(jié)果分析：

為了驗證拋丸器、拋丸室和濕式拋丸工藝的合理性，需要對拋丸后的帶鋼表面質(zhì)量和成分進行分析驗證。整個試驗裝置的工作參數(shù)如下，鋼砂以50}80m/s的速度擊打帶鋼表面，帶鋼在拋丸時中的移動速度約為0.2m/s，拋丸器單位時間的拋丸量約為8.5kg/s鋼砂的當量直徑約為0.5mm，鋼砂入射角為600。帶鋼經(jīng)過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，本文中對帶鋼、鋼砂進行了電鏡掃描，使用的是日立電子顯微鏡，型號為S-3400N， 未經(jīng)拋打的鋼板和經(jīng)過濕式拋丸的帶鋼表面在顯微掃描電鏡下的表面形貌對比如圖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，證明濕式拋丸對氧化皮的去除效果較好，但是氧元素含量并沒有完全降低至零，所以經(jīng)過濕式拋丸拋打后的帶鋼表面需要及時進行防銹處理，以防止二次氧化。

5、本章小結(jié)：

1.采用自主設(shè)計研發(fā)的濕式拋丸試驗裝置，通過更換噴射泵中的噴嘴來驗證上一章:節(jié)得到的噴嘴到喉管距離對鋼砂吸入量的影響。
2.通過拋丸試驗，驗證了濕式拋丸工藝及裝置的可行性，利用電子顯微鏡對拋丸后的帶鋼表面進行觀察，驗證了濕式拋丸對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)過程中的重要工序，目前國內(nèi)普遍采用酸洗工藝或干式拋丸來清除帶鋼表面氧化層。然而，酸洗對環(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、開展了濕式拋丸的工藝研究，確定了項目研究的預(yù)期目標與技術(shù)方案，提出了實驗平臺的工藝要求及設(shè)備組成。

2、完成了濕式拋丸試驗裝置的設(shè)備開發(fā)。設(shè)計開發(fā)了拋丸系統(tǒng)、鋼砂輸運系統(tǒng)、帶鋼移動系統(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)和運動參數(shù)，確定了合適的運動參數(shù)，并設(shè)計了供砂桶和拋丸室;在鋼砂I系統(tǒng)中設(shè)計了兩種方案，以便于后期的對比和選用;在帶鋼移動系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)場實際需求，設(shè)計了帶鋼牽引裝置、支架、導軌和移動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，選擇合適型號的電氣元件，并完成相關(guān)電氣控制方案設(shè)計;較后將各個系統(tǒng)進行總裝和調(diào)試。

3、在鋼砂輸運系統(tǒng)中，本文設(shè)計了兩種鋼砂提升方案，并對比了兩種方案的優(yōu)缺點，針對斗式提升機輸運鋼砂存在的一系列問題，確定了采用噴射泵液力方式來輸運鋼砂。通過對噴射泵工作原理的研究，論證此方法的可行性，推導了噴射泵的性能方程。完成了液力輸運方案設(shè)計、輸運系統(tǒng)中各個部件安裝布置。

4、針對采用噴射泵液力輸運鋼砂的工藝要求，研究了液固二相流相關(guān)理論，通過有限元ANSYS-Fluent對噴射泵內(nèi)部流場進行仿真，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、喉管長度、喉管收縮角度)對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、喉管長度對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)喉管長度為70mm、較優(yōu)喉管收縮角度為300

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