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        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組成,各個系統之間相互影響,理想的試驗裝置是需要各個系統之間達到動態的平衡,即噴射泵單位時間內向拋丸機輸送的鋼砂量與拋丸機單位時間內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的拋丸量下帶鋼表層的氧化皮去除效果。

        由于噴射泵內部流體流動屬于高雷諾數的強湍流流動,當雷諾數很大時,容易在流場中形成不規則運動,而且在理論研究和數值模擬過程中,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,所以很有可能數值仿真得到結果與實際試驗的結果存在一定的差異。為了驗證上一章節數值仿真得到的部分結構參數對噴射泵工作效率以及鋼砂吸入量的影響結果,所以需要進行相關的試驗研究。

        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,鑄造不同結構參數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,來驗證上一章節中數值仿真的結果。

        其中為噴射泵提供工作液體的水泵其性能參數如表5.1所示。


        表5. 1水泵性能參數

        2、試驗方法:

        在試驗剛開始,*先將存砂桶中清理干凈,并關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、噴射泵、水泵、螺旋輸送機、鋼砂輸送管路、電氣控制系統。

        圖5. 3拋丸試驗裝置

        在試驗開始時,先關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。當拋丸器達到設定轉速之后,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,使得整個試驗系統能夠往復循環,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,具體形貌區別如下圖所示。

        根據實際工況要求,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、試驗結果與分析:

        4.1、鋼丸液力輸運試驗結果與分析:

        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。根據上一節的研究方法,通過統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構參數下鋼砂的實際吸入量,并與上一章模擬仿真的結果加以對比。

        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構參數采用上一章中模擬得到的較優參數,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試驗結果

        通過實際試驗得到的結果與上一章仿真計算得到的結果對比,發現雖然在實際單位時間內,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果趨勢圖具有好的相似性,證明模擬仿真的結果參數對實際噴射泵的鑄造即一定的指導意義。

        實際試驗的結果與模擬仿真得到的結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加大,實際過程中鋼砂與鋼砂之間產生碰撞消耗能量;(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域不適用等。

        4.2、拋丸試驗結果分析:

        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量和成分進行分析驗證。整個試驗裝置的工作參數如下,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, 未經拋打的鋼板和經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:

        1.采用自主設計研發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過程中的重要工序,目前國內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,酸洗對環境和員工身心健康存在較大的威脅。為了降低環境污染,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備的研究,得出如下結論和成果:

        1、開展了濕式拋丸的工藝研究,確定了項目研究的預期目標與技術方案,提出了實驗平臺的工藝要求及設備組成。

        2、完成了濕式拋丸試驗裝置的設備開發。設計開發了拋丸系統、鋼砂輸運系統、帶鋼移動系統、電氣控制系統。在拋丸系統中,研究了與拋丸器的相關結構和運動參數,確定了合適的運動參數,并設計了供砂桶和拋丸室;在鋼砂I系統中設計了兩種方案,以便于后期的對比和選用;在帶鋼移動系統中,根據現場實際需求,設計了帶鋼牽引裝置、支架、導軌和移動小車的工作方案和具體結構;在電氣控制系統中,根據各裝置的控制要求,選擇合適型號的電氣元件,并完成相關電氣控制方案設計;較后將各個系統進行總裝和調試。

        3、在鋼砂輸運系統中,本文設計了兩種鋼砂提升方案,并對比了兩種方案的優缺點,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計、輸運系統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理論,通過有限元ANSYS-Fluent對噴射泵內部流場進行仿真,得出在一定工況條件下噴射泵內部各結構參數(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。發現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解構參數分別為:噴嘴出口到喉管入口距離為巧mm、較優面積比為

        4、較優喉管長度為70mm、較優喉管收縮角度為300

        5、通過鋼砂液力輸運試驗,驗證了仿真結果的可靠性,并分析了試驗結果與仿真結果之間的存在差異的原因,驗證了仿真結果與試驗結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結構參數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,發現氧化皮的去除效果較好,驗證了此工藝參數的可行性。

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