拋丸機用鋼砂液力輸送試驗鋼板防腐除鏽方案

整個試驗裝置是由各個係（xì）統組（zǔ）成，各（gè）個係（xì）統之間相互影響（xiǎng），理（lǐ）想的試驗裝置是需（xū）要各個係統之間達到動態的平衡，即噴（pēn）射泵單位時間內向拋丸（wán）機輸送的鋼（gāng）砂量與拋丸機單位時間內消耗的拋丸量（liàng）需要達到平衡，同時還需要觀（guān）察拋丸機在對應（yīng）的拋丸量下帶鋼表層的氧化（huà）皮去除效果。

由於噴射泵內部流體流動屬於高（gāo）雷諾（nuò）數的強湍流流動，當雷諾（nuò）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，並未對流場中的漩渦等情況加（jiā）以考慮。而且在數值模擬時為（wéi）了方便計算、對許（xǔ）多實際條件加以約束，在噴射泵的製造加工過程，還存在（zài）製造誤差等問題，所以很有可能數值仿真得到結果與實（shí）際試驗的結果（guǒ）存在（zài）一定的差異。為（wéi）了驗（yàn）證上一章節數值仿真得到（dào）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（xiǎng）結（jié）果，所以需要進（jìn）行相關（guān）的試驗研究（jiū）。

1、試驗裝置與（yǔ）方法：

1.1、鋼丸液力輸運試驗：

1.2、試驗裝置：

由於經濟和實（shí）際操作不（bú）方便等原因，在（zài）鋼砂液力輸運的試驗中，鑄造不同結構參數的噴射（shè）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（suǒ）以在實際試驗過程中隻能通過更換不同尺寸（cùn）的噴嘴後，觀察供砂桶中鋼砂與（yǔ）水的混合物的體積（jī）變化情況，來驗證上（shàng）一章節中數值（zhí）仿真的結果。

其中（zhōng）為噴射泵提供工作液（yè）體（tǐ）的水泵其性能參數如表5.1所示。

表5. 1水泵（bèng）性能參數

2、試驗方法：

在試（shì）驗剛開始，*先將存砂桶（tǒng）中清理幹（gàn）淨，並關緊（jǐn）存砂桶底部的管夾閥，然後往存（cún）砂（shā）桶中加入（rù）定量的（de）鋼（gāng）砂和（hé）水。同（tóng）時將供砂桶清理幹（gàn）淨，並關緊供（gòng）砂（shā）桶底部（bù）的三（sān）個管夾閥。較後打開水泵為（wéi）噴射泵（bèng）提供工作液體。

快速地將存砂桶底部的管夾（jiá）閥完全（quán）打開，然後開始（shǐ）計時，當供砂桶中鋼（gāng）砂與水的混合物達到設定的體積之後，停止計（jì）時，並計算一共使（shǐ）用的時間。在這個過（guò）程中，需要向存砂桶中加（jiā）入鋼砂和水，來使得噴射泵吸入口的條件基本不（bú）發（fā）生變（biàn）化。

3、拋丸試驗：

3.1.試驗裝置：

如下圖所示（shì），此次拋丸試驗所涉及到的裝置（zhì）主要有供砂桶、管夾閥、拋丸器、拋丸室、帶鋼移動係統、噴射泵、水泵、螺旋輸送機、鋼砂輸送管路（lù）、電氣控製係統。

圖5. 3拋丸試（shì）驗裝（zhuāng）置

在試驗開始時，先關緊供砂桶底部的管夾閥（fá），然後打開水泵和噴射（shè）泵（bèng），將鋼砂輸送到供砂桶中，在工（gōng）作一段時間以後，打（dǎ）開拋丸器。當拋丸器（qì）達到（dào）設定（dìng）轉速之後，打開（kāi）供砂桶底部的管夾閥，使（shǐ）得鋼砂與（yǔ）水的混合物以一定流（liú）速進（jìn）入（rù）拋丸器。當（dāng）流速（sù）均勻時，打開帶鋼（gāng）移動小車，帶鋼以0.2m/s的速度運（yùn）動至拋丸室，觸碰到行程開關後，在（zài）拋丸室中停留約10s中後返回（huí）到起點。在拋丸室底部（bù）堆（duī）積的鋼砂、水（shuǐ）、氧化皮等混（hún）合物（wù）受到重力的作（zuò）用，逐漸流入螺旋輸送機中，打開螺（luó）旋輸送機之後，使得整個試驗係統（tǒng）能夠往複循環（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（wán）和鋼砂，具（jù）體形貌區別如下圖（tú）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（zhǔ）要（yào）加工工藝有下麵幾（jǐ）部分，*先是將廢鋼或者（zhě）廢合金鋼放入到中頻爐熔融，之後離心入水造粒，待鋼粒形成之後進行幹燥處理，之後再進行大（dà）小（xiǎo）篩分，將大小合格的鋼粒篩選出（chū）之（zhī）後（hòu）再進（jìn）行淬火，淬火完成後將鋼粒壓碎，再進行篩選，篩選後直（zhí）接（jiē）包裝出廠的為（wéi）GH鋼砂，篩選後再進行回火處理後包裝出（chū）廠的為GP, GL鋼（gāng）砂。

不同（tóng）種類（lèi）的鋼砂（shā）硬度也有（yǒu）一定的差異，GP鋼砂（shā）硬度(HRC)一（yī）般為4250, GL鋼（gāng）砂硬度（dù）(HRC)一般為（wéi）5660, GH鋼砂硬度(HRC)一般為6065。彈丸選（xuǎn）擇主要（yào）考（kǎo）慮以下幾（jǐ）點:

(1)由於鋼砂（shā）屬於易耗品，在（zài）選擇時要選用價（jià）格較低且壽命較（jiào）長。

(2)由於葉片屬於易損件，而對葉片影響較大的是鋼砂，故選擇時要考慮（lǜ）其（qí）對葉片的磨耗。

(3)根（gēn）據帶鋼表麵（miàn）處理要求（qiú），如帶鋼表麵（miàn）硬度（dù）及粗糙度要求，可以根據下（xià）麵的參考式(5-1)和式(5-2 )來選取鋼砂。

鋼砂當量直徑計（jì）算公式 鋼砂速度計算公式

(4)當（dāng）彈丸硬度較高，則比較脆，容易破碎，不僅加快消耗量，還容易造成帶鋼表麵劃痕;當彈丸硬度較（jiào）低，則（zé）容易變形，消耗能量，降低（dī）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（dāng）量直徑約為0.5mm左右的GL鋼砂，其SA〔標準（zhǔn）型（xíng）號為G50，由上海某公（gōng）司提供，具體形貌如圖5.5所示（shì）。

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（yòng）45鋼，厚度為5mm，如圖5.7所示，密度約（yuē）為7800kg加3，泊鬆比約為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（fèn）析：

由（yóu）於試驗（yàn）條件的限製，不能夠通過直接測量的（de）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（lǜ）直接驗證。根（gēn）據上一節的研究方（fāng）法，通過統計在固定工況下噴射（shè）泵將供砂桶裝滿所（suǒ）需要的時間，從（cóng）而間接地計算出鋼（gāng）砂單位時間的吸入量。

但是可以通多驗證噴射（shè）泵在（zài）不同結構參（cān）數下鋼砂的（de）實際吸入（rù）量，並與上一章模擬仿真的結果加以對比。

在試驗過程中由於，加工不同尺寸的噴射泵價（jià）格昂貴，且更換噴射泵（bèng）十分麻煩，所以噴射（shè）泵主體（tǐ）的（de）各結構參數采用上（shàng）一章中模擬（nǐ）得到的較優參數，即喉（hóu）管收縮角度為250、喉管（guǎn）長度為70mm。試驗中主要通過更換噴射泵噴嘴，驗證噴嘴到喉（hóu）管入口的距離和麵積（jī）比這兩個參數對噴射泵鋼砂吸入量的影響，己知供砂（shā）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（jì）算得到的結果對比，發（fā）現雖然在實（shí）際單位時間內（nèi），鋼砂吸入量的實驗值小於模擬（nǐ）值，但是（shì）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（mó）擬仿真的結果參數對實際噴射泵的鑄造即一（yī）定的指導意義。

實（shí）際試（shì）驗的結果與模擬仿真（zhēn）得到（dào）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（yǔ）鋼砂之間的碰撞，實際試驗中，由於鋼砂的體積分數加大，實際過（guò）程中鋼砂與鋼砂之間產生碰撞（zhuàng）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（cǎi）用鑄造工藝，內部表麵的粗（cū）糙度較大;(3)實際試驗（yàn）中管道布置會導致工（gōng）作流（liú）體的動能損失;(4)選用的（de）湍流模型可能在流場的局部區域不適（shì）用（yòng）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（pāo）丸工藝的合理性，需（xū）要對拋丸後的帶鋼表麵質量和成分（fèn）進行分析驗證。整個（gè）試（shì）驗裝置的工作參（cān）數如下，鋼砂以50}80m/s的速度擊打帶（dài）鋼表麵，帶鋼在拋（pāo）丸（wán）時中的移動速度約為0.2m/s，拋丸器單位時間（jiān）的拋丸量（liàng）約為8.5kg/s鋼砂的當量直徑約為（wéi）0.5mm，鋼砂入射角為600。帶鋼經過拋丸後的（de）拋打效果如圖5.8所示。

圖5. 8帶鋼表麵拋打（dǎ）效（xiào）果圖

為了進一步觀察被拋打後鋼砂形貌變化（huà）、帶鋼的表麵形（xíng）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（de）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麵在顯微掃描電鏡下的表麵形貌對比如（rú）圖5.10, 5.12所示。

圖5. 10帶鋼原表麵形貌圖

圖5. 11帶鋼原表（biǎo）麵能譜（pǔ）圖

圖5. 12帶鋼擊打後表麵形貌圖

圖5. 13帶鋼擊打後表麵能譜（pǔ）圖

根據上述的形（xíng）貌圖以及成分圖可以看出，帶鋼在未拋打前與拋打（dǎ）之後表（biǎo）麵形貌差異較大，可以明顯地看到在被拋打後的（de）帶鋼（gāng）表麵有各種（zhǒng）各樣的凹坑。根據帶鋼表麵的能譜圖（tú）5.11和圖5.13可以看出，帶鋼在拋丸後表麵的氧元素大幅降低，證明濕式拋丸對氧化（huà）皮（pí）的去除效果較好，但是氧元素含量並沒有完全降低至零，所以經過濕式拋丸拋打後的帶鋼表麵需（xū）要及時進行防鏽處（chù）理，以防止二次氧化。

5、本章小結：

1.采用自主（zhǔ）設計（jì）研發的濕式拋丸試驗裝置，通過更（gèng）換噴（pēn）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（gāng）砂（shā）吸入量（liàng）的影響。
2.通過拋丸試驗（yàn），驗證了濕式拋丸工藝及裝置的可行性，利用電子顯微（wēi）鏡對拋丸後的帶鋼表麵進行觀察，驗證了濕式拋丸對帶鋼表麵氧化皮有很好的去除效果。

帶鋼表麵處理是帶鋼生產（chǎn）過程中的重要工序，目前國內普遍采用酸洗工藝或（huò）幹式拋丸來清除帶鋼表麵氧化層。然而，酸洗對（duì）環境和員工身心健康存在較大的威脅。為了降低環境汙染，有效清理帶鋼表麵氧化層，本文開展了基於（yú）帶（dài）鋼（gāng）表麵處（chù）理的新型濕式拋丸工藝及設備的研究，得出如下結（jié）論和（hé）成果:

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

2、完成了濕式（shì）拋丸試驗裝置的設備開發。設計（jì）開發了拋丸係統、鋼砂輸運係統、帶鋼移（yí）動係統、電氣控製（zhì）係統。在拋（pāo）丸係統中，研究了與拋丸器的相關結（jié）構和運動參數，確定了合適的運動（dòng）參數，並設計了供砂桶和拋丸（wán）室;在（zài）鋼砂I係統中設計了兩種方案，以便於後期的對比和選用;在帶鋼移動係統中，根據現場實際需求，設計了（le）帶鋼牽引裝置、支架、導軌和移動小車（chē）的工作方案和具體結構;在電氣控製係統中，根（gēn）據各裝置的控製（zhì）要求，選擇合適型號的電氣元件，並完成相關電（diàn）氣控製方案設計;較後將各個係統進行總裝和調試。

3、在鋼砂輸運係統（tǒng）中（zhōng），本文設計了兩（liǎng）種鋼砂提升方案，並對比了兩種方案的（de）優缺點，針對鬥式提升機輸（shū）運鋼砂（shā）存在的一係（xì）列問題，確定了采用噴（pēn）射泵液力方式來輸運鋼砂。通過對噴射（shè）泵工作原（yuán）理的（de）研究，論（lùn）證此方法的（de）可行性，推導了噴射泵的性（xìng）能方程。完成了液力輸運方案設計、輸運係（xì）統中各個部件安裝布置（zhì）。

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（shè）泵內部流場進行仿真（zhēn），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、麵積比、喉管長度、喉管收縮角（jiǎo）度)對鋼砂吸入量的影響和噴射泵工作效率的影響。發現（xiàn）了噴嘴出（chū）口到喉管入口的距離、麵積比、喉管長度（dù）對（duì）噴射泵工作效率影響較（jiào）大。利用噴射泵性能方程（chéng）得到噴射泵在本文工況下較優解構參數分別為:噴嘴（zuǐ）出口到喉管入口距（jù）離為巧mm、較優麵積比為

4、較優喉管（guǎn）長度（dù）為70mm、較優喉管收縮角度（dù）為300

5、通過鋼砂液力輸運試驗（yàn），驗證了仿真結果的可（kě）靠性，並分析了試驗結果與（yǔ）仿真（zhēn）結果之間的存在（zài）差異的原因，驗證了仿真結果（guǒ）與試驗結果趨（qū）勢變化（huà）的一致性。通過拋丸試驗，驗證了拋丸器在噴射泵較（jiào）優結構參數下輸運的鋼砂量的情（qíng）況下，帶鋼鋼板氧化皮去除效果。通過電子顯微鏡，發現氧化（huà）皮的去除效（xiào）果較好，驗證了此工（gōng）藝參數的可行性。