抛丸机用钢砂液力输送试验钢板防腐除锈方案

整个试验装置是由各个系统组成，各个系统之间相互影响，理想的试验装置是需要各个系统之间达到动态的平衡，即喷射泵单位时间内向抛丸机输送的钢砂量与抛丸机单位时间内消耗的抛丸量需要达到平衡，同时还需要观察抛丸机在对应的抛丸量下带钢表层的氧化皮去除效果。

由于喷射泵内部流体流动属于高雷诺数的强湍流流动，当雷诺数很大时，容易在流场中形成不规则运动，而且在理论研究和数值模拟过程中，并未对流场中的漩涡等情况加以考虑。而且在数值模拟时为了方便计算、对许多实际条件加以约束，在喷射泵的制造加工过程，还存在制造误差等问题，所以很有可能数值仿真得到结果与实际试验的结果存在一定的差异。为了验证上一章节数值仿真得到的部分结构参数对喷射泵工作效率以及钢砂吸入量的影响结果，所以需要进行相关的试验研究。

1、试验装置与方法：

1.1、钢丸液力输运试验：

1.2、试验装置：

由于经济和实际操作不方便等原因，在钢砂液力输运的试验中，铸造不同结构参数的喷射泵所需要的费用较大，而且在实际过程中，拆卸和安装喷射泵非常不方便，所以在实际试验过程中只能通过更换不同尺寸的喷嘴后，观察供砂桶中钢砂与水的混合物的体积变化情况，来验证上一章节中数值仿真的结果。

其中为喷射泵提供工作液体的水泵其性能参数如表5.1所示。

表5. 1水泵性能参数

2、试验方法：

在试验刚开始，*先将存砂桶中清理干净，并关紧存砂桶底部的管夹阀，然后往存砂桶中加入定量的钢砂和水。同时将供砂桶清理干净，并关紧供砂桶底部的三个管夹阀。较后打开水泵为喷射泵提供工作液体。

快速地将存砂桶底部的管夹阀完全打开，然后开始计时，当供砂桶中钢砂与水的混合物达到设定的体积之后，停止计时，并计算一共使用的时间。在这个过程中，需要向存砂桶中加入钢砂和水，来使得喷射泵吸入口的条件基本不发生变化。

3、抛丸试验：

3.1.试验装置：

如下图所示，此次抛丸试验所涉及到的装置主要有供砂桶、管夹阀、抛丸器、抛丸室、带钢移动系统、喷射泵、水泵、螺旋输送机、钢砂输送管路、电气控制系统。

图5. 3抛丸试验装置

在试验开始时，先关紧供砂桶底部的管夹阀，然后打开水泵和喷射泵，将钢砂输送到供砂桶中，在工作一段时间以后，打开抛丸器。当抛丸器达到设定转速之后，打开供砂桶底部的管夹阀，使得钢砂与水的混合物以一定流速进入抛丸器。当流速均匀时，打开带钢移动小车，带钢以0.2m/s的速度运动至抛丸室，触碰到行程开关后，在抛丸室中停留约10s中后返回到起点。在抛丸室底部堆积的钢砂、水、氧化皮等混合物受到重力的作用，逐渐流入螺旋输送机中，打开螺旋输送机之后，使得整个试验系统能够往复循环，不间断的工作。

3.2、试验钢砂及带钢样板的选择：

一般钢板抛丸使用的磨料有三种，分别是钢丝切丸、铸钢丸和钢砂，具体形貌区别如下图所示。

根据实际工况要求，本文选用钢砂作为抛丸器磨料，其主要加工工艺有下面几部分，*先是将废钢或者废合金钢放入到中频炉熔融，之后离心入水造粒，待钢粒形成之后进行干燥处理，之后再进行大小筛分，将大小合格的钢粒筛选出之后再进行淬火，淬火完成后将钢粒压碎，再进行筛选，筛选后直接包装出厂的为GH钢砂，筛选后再进行回火处理后包装出厂的为GP, GL钢砂。

不同种类的钢砂硬度也有一定的差异，GP钢砂硬度(HRC)一般为4250, GL钢砂硬度(HRC)一般为5660, GH钢砂硬度(HRC)一般为6065。弹丸选择主要考虑以下几点:

(1)由于钢砂属于易耗品，在选择时要选用价格较低且寿命较长。

(2)由于叶片属于易损件，而对叶片影响较大的是钢砂，故选择时要考虑其对叶片的磨耗。

(3)根据带钢表面处理要求，如带钢表面硬度及粗糙度要求，可以根据下面的参考式(5-1)和式(5-2 )来选取钢砂。

钢砂当量直径计算公式 钢砂速度计算公式

(4)当弹丸硬度较高，则比较脆，容易破碎，不仅加快消耗量，还容易造成带钢表面划痕;当弹丸硬度较低，则容易变形，消耗能量，降低抛丸效果。故选择时要考虑弹丸的硬度。

图5. 4磨料分类

根据以上综述，选择当量直径约为0.5mm左右的GL钢砂，其SA〔标准型号为G50，由上海某公司提供，具体形貌如图5.5所示。

图5. 5 G50钢砂

图5.6为G L50钢砂电镜扫描图，由图可以看出此钢砂为多棱砂。

图5. 6 GL50钢砂电镜扫描图

带钢选用45钢，厚度为5mm，如图5.7所示，密度约为7800kg加3，泊松比约为0.269，弹性模量约为21000E/MPa

图5. 7试验用带钢钢板图

4、试验结果与分析：

4.1、钢丸液力输运试验结果与分析：

由于试验条件的限制，不能够通过直接测量的方法测出喷射泵各进口和出口的压力，所以试验中不能对喷射泵的工作效率直接验证。根据上一节的研究方法，通过统计在固定工况下喷射泵将供砂桶装满所需要的时间，从而间接地计算出钢砂单位时间的吸入量。

但是可以通多验证喷射泵在不同结构参数下钢砂的实际吸入量，并与上一章模拟仿真的结果加以对比。

在试验过程中由于，加工不同尺寸的喷射泵价格昂贵，且更换喷射泵十分麻烦，所以喷射泵主体的各结构参数采用上一章中模拟得到的较优参数，即喉管收缩角度为250、喉管长度为70mm。试验中主要通过更换喷射泵喷嘴，验证喷嘴到喉管入口的距离和面积比这两个参数对喷射泵钢砂吸入量的影响，己知供砂桶的体积约为2.8m3。

表5. 2试验结果

通过实际试验得到的结果与上一章仿真计算得到的结果对比，发现虽然在实际单位时间内，钢砂吸入量的实验值小于模拟值，但是其得到的变化趋势图与模拟仿真的结果趋势图具有好的相似性，证明模拟仿真的结果参数对实际喷射泵的铸造即一定的指导意义。

实际试验的结果与模拟仿真得到的结果存在差异的原因可能有以下几点:(1)在模拟仿真过程中忽略了钢砂与钢砂之间的碰撞，实际试验中，由于钢砂的体积分数加大，实际过程中钢砂与钢砂之间产生碰撞消耗能量;(2)喷射泵实际加工过程中，肯定存在加工误差，而且喷射泵是采用铸造工艺，内部表面的粗糙度较大;(3)实际试验中管道布置会导致工作流体的动能损失;(4)选用的湍流模型可能在流场的局部区域不适用等。

4.2、抛丸试验结果分析：

为了验证抛丸器、抛丸室和湿式抛丸工艺的合理性，需要对抛丸后的带钢表面质量和成分进行分析验证。整个试验装置的工作参数如下，钢砂以50}80m/s的速度击打带钢表面，带钢在抛丸时中的移动速度约为0.2m/s，抛丸器单位时间的抛丸量约为8.5kg/s钢砂的当量直径约为0.5mm，钢砂入射角为600。带钢经过抛丸后的抛打效果如图5.8所示。

图5. 8带钢表面抛打效果图

为了进一步观察被抛打后钢砂形貌变化、带钢的表面形貌以元素成分变化，本文中对带钢、钢砂进行了电镜扫描，使用的是日立电子显微镜，型号为S-3400N， 未经抛打的钢板和经过湿式抛丸的带钢表面在显微扫描电镜下的表面形貌对比如图5.10, 5.12所示。

图5. 10带钢原表面形貌图

图5. 11带钢原表面能谱图

图5. 12带钢击打后表面形貌图

图5. 13带钢击打后表面能谱图

根据上述的形貌图以及成分图可以看出，带钢在未抛打前与抛打之后表面形貌差异较大，可以明显地看到在被抛打后的带钢表面有各种各样的凹坑。根据带钢表面的能谱图5.11和图5.13可以看出，带钢在抛丸后表面的氧元素大幅降低，证明湿式抛丸对氧化皮的去除效果较好，但是氧元素含量并没有完全降低至零，所以经过湿式抛丸抛打后的带钢表面需要及时进行防锈处理，以防止二次氧化。

5、本章小结：

1.采用自主设计研发的湿式抛丸试验装置，通过更换喷射泵中的喷嘴来验证上一章:节得到的喷嘴到喉管距离对钢砂吸入量的影响。
2.通过抛丸试验，验证了湿式抛丸工艺及装置的可行性，利用电子显微镜对抛丸后的带钢表面进行观察，验证了湿式抛丸对带钢表面氧化皮有很好的去除效果。

带钢表面处理是带钢生产过程中的重要工序，目前国内普遍采用酸洗工艺或干式抛丸来清除带钢表面氧化层。然而，酸洗对环境和员工身心健康存在较大的威胁。为了降低环境污染，有效清理带钢表面氧化层，本文开展了基于带钢表面处理的新型湿式抛丸工艺及设备的研究，得出如下结论和成果:

1、开展了湿式抛丸的工艺研究，确定了项目研究的预期目标与技术方案，提出了实验平台的工艺要求及设备组成。

2、完成了湿式抛丸试验装置的设备开发。设计开发了抛丸系统、钢砂输运系统、带钢移动系统、电气控制系统。在抛丸系统中，研究了与抛丸器的相关结构和运动参数，确定了合适的运动参数，并设计了供砂桶和抛丸室;在钢砂I系统中设计了两种方案，以便于后期的对比和选用;在带钢移动系统中，根据现场实际需求，设计了带钢牵引装置、支架、导轨和移动小车的工作方案和具体结构;在电气控制系统中，根据各装置的控制要求，选择合适型号的电气元件，并完成相关电气控制方案设计;较后将各个系统进行总装和调试。

3、在钢砂输运系统中，本文设计了两种钢砂提升方案，并对比了两种方案的优缺点，针对斗式提升机输运钢砂存在的一系列问题，确定了采用喷射泵液力方式来输运钢砂。通过对喷射泵工作原理的研究，论证此方法的可行性，推导了喷射泵的性能方程。完成了液力输运方案设计、输运系统中各个部件安装布置。

4、针对采用喷射泵液力输运钢砂的工艺要求，研究了液固二相流相关理论，通过有限元ANSYS-Fluent对喷射泵内部流场进行仿真，得出在一定工况条件下喷射泵内部各结构参数(喷嘴出口到喉管入口距离、面积比、喉管长度、喉管收缩角度)对钢砂吸入量的影响和喷射泵工作效率的影响。发现了喷嘴出口到喉管入口的距离、面积比、喉管长度对喷射泵工作效率影响较大。利用喷射泵性能方程得到喷射泵在本文工况下较优解构参数分别为:喷嘴出口到喉管入口距离为巧mm、较优面积比为

4、较优喉管长度为70mm、较优喉管收缩角度为300

5、通过钢砂液力输运试验，验证了仿真结果的可靠性，并分析了试验结果与仿真结果之间的存在差异的原因，验证了仿真结果与试验结果趋势变化的一致性。通过抛丸试验，验证了抛丸器在喷射泵较优结构参数下输运的钢砂量的情况下，带钢钢板氧化皮去除效果。通过电子显微镜，发现氧化皮的去除效果较好，验证了此工艺参数的可行性。