濕法拋丸中漿體磨料的進(jìn)料機(jī)制及破壞機(jī)理分析

任玉軍 葛國(guó)軍 李 軍

(1:寶鋼股份煉鐵廠(chǎng) 上海201900;2:北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029)

1 前言

針對(duì)干式拋丸法清除氧化鐵皮時(shí)粉塵污染大、易損傷帶鋼表面等問(wèn)題，有學(xué)者開(kāi)發(fā)了濕法拋丸技術(shù)。將磨料與水混合成漿體后送入拋丸器，以高速漿體流形式射向帶鋼，清除表面氧化鐵皮;同時(shí)還可在水中加入清潔劑，以更有效地去除表面污物和抑制揚(yáng)塵。

要使磨料混合物在帶鋼寬度方向均勻分布，需研究磨料漿體進(jìn)入拋頭的方式、漿體離開(kāi)拋頭時(shí)獲得的能量?，F(xiàn)階段漿體射流一般是以脈沖的形式來(lái)進(jìn)行工作的，其工作原理是:壓力水帶動(dòng)細(xì)小磨料形成帶壓混合漿體，以高壓水為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，在高壓管道內(nèi)形成固液兩相的高速漿體流，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴以脈沖形式進(jìn)入拋丸葉片進(jìn)行拋射，完成對(duì)金屬表面的除銹、除鱗和材料破碎、切割等工作。

2 漿體磨料的進(jìn)料機(jī)制研究

2.1 固液兩相流漿體加速機(jī)理研究

漿體射流的作用形式是以高壓水作為動(dòng)力源和磨料載體，利用高速的水射流帶動(dòng)磨料顆粒在特別設(shè)計(jì)的噴嘴中混合形成漿體射流，輸送進(jìn)拋頭進(jìn)而被加速，最終被拋射到金屬表面。在固液兩相射流中，磨料顆粒以不連續(xù)的離散狀存在。漿體射流打到材料表面時(shí)，除沖擊壓力、漿體的高頻沖蝕和磨削外，還伴隨剪切應(yīng)力、微射流和楔劈等多重作用，加劇被沖擊材料表面的破壞。

如何使磨料均勻混合在水射流中，使磨料獲得更大的動(dòng)能是磨料射流技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。在磨料射流技術(shù)發(fā)展的早期，各國(guó)學(xué)者對(duì)后混合磨料射流噴嘴展開(kāi)了研究，如日本的小林良二設(shè)計(jì)了切向注入式磨料射流噴嘴，GA.Savanick、孫家駿等人設(shè)計(jì)了準(zhǔn)直管磨料射流噴嘴。這些研究和設(shè)計(jì)都取得了一定的效果，但是由于引射的水射流速度很高，磨料只能附著在水射流的邊界層，很難進(jìn)入水射流流束的中心，顆粒速度不能得到充分提高，使得后混合磨料射流的沖蝕能力提高受到了限制。

M.Abudaka、郭楚文利用兩相流理論提出了水射流加速顆粒的數(shù)學(xué)模型:

式中 D—顆粒直徑，m;

ρp—顆粒密度，kg/m3;

up—顆粒速度，m/s;

CD—阻力系數(shù);

ρ—水射流密度，kg/m3;

u—水射流速度，m/s。

式中忽略了管壁對(duì)水射流和顆粒的摩擦損失及顆粒對(duì)水射流的反作用，把磨料射流看作單顆粒在勻速流體中的運(yùn)動(dòng)。

磨料進(jìn)入水射流后受到的軸向力決定磨料軸向運(yùn)動(dòng)特性和軸向速度分布。磨料進(jìn)入水射流后因?yàn)閮烧叩乃俣炔?，將受到一個(gè)作用力:

式中 CD—為無(wú)量綱數(shù)，由顆粒雷諾數(shù)決定，磨

料射流中可以取CD=0.45;

ρ、u—水的密度、速度;

up、D—顆粒的速度、直徑。這個(gè)力就是磨料顆粒加速的原因。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨料以一定速度加到射流表面時(shí)，部分顆粒與射流發(fā)生碰撞而被彈回，不能進(jìn)入射流中;另一方面，顆粒進(jìn)入射流時(shí)，速度越小，碰撞越不明顯。顆粒與射流之間如何發(fā)生碰撞的機(jī)理很復(fù)雜，學(xué)者們致力于各種磨料噴嘴的研究，來(lái)減弱或利用這種碰撞，使磨料顆粒與射流能更好的混合。

2.2 漿體磨料的進(jìn)料仿真

2.2.1 入料混合裝置模型的建立

設(shè)計(jì)的入料混合裝置模型及剖面圖如圖2所示，由一個(gè)三通管道、錐形噴嘴和流線(xiàn)型擴(kuò)散管組成，管道一端稱(chēng)為液體入口，接高壓水，另一端為固體顆粒入口，接固體顆粒介質(zhì)。

圖1 入料混合裝置示意圖

圖2 入料混合裝置剖視圖

高壓水經(jīng)液體入口進(jìn)入三通管道中，固體顆粒由固體顆粒入口進(jìn)入管道，所述錐形噴嘴的內(nèi)部表面存在均布的條狀凸臺(tái)，且由于錐形噴嘴出口的內(nèi)徑較小，這有利于噴嘴出口渦流的形成，進(jìn)而在混合區(qū)中能夠更加充分地混合固體顆粒，形成漿體通過(guò)擴(kuò)散區(qū)噴射，擴(kuò)散區(qū)設(shè)有中間窄兩端寬的流線(xiàn)型擴(kuò)散管，一方面提高了管道的耐磨性，加速漿體噴射，另一方面流線(xiàn)形設(shè)計(jì)可以有效提高漿體的湍流效應(yīng)，防止固體顆粒堆積堵塞管道。

2.2.2 入料混合裝置內(nèi)部流場(chǎng)仿真

通過(guò)提取裝置內(nèi)壁形狀文件，生成的內(nèi)部流場(chǎng)如圖3所示;流場(chǎng)分為進(jìn)口與出口兩個(gè)部分，進(jìn)口流場(chǎng)包括流體與固體顆粒兩個(gè)部分，通過(guò)上述錐形噴嘴后，在入料裝置的混合腔形成固液兩相流漿體，并最終通過(guò)出口腔進(jìn)入拋頭。提取該模型文件導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行相關(guān)初始條件設(shè)置。

模型選用多相流模型，定義水流速度進(jìn)口大小為50m/s，壓力為1MPa，湍流強(qiáng)度為10%，管道直徑定義為50mm;定義顆粒進(jìn)口速度為1m/s，壓力為 0.1Pa，流量為 10kg/s。

圖3 入料裝置內(nèi)部流場(chǎng)示意圖

圖4 管道流場(chǎng)速度變化曲線(xiàn)

圖5 管道流場(chǎng)進(jìn)出口壓力變化曲線(xiàn)

圖6 入料混合裝置內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量云圖

通過(guò)仿真后發(fā)現(xiàn)，入料裝置內(nèi)部的錐形噴嘴有助于提高水流的入口速度和壓力，如圖4、圖5所示;通入高壓水射流后，裝置內(nèi)部流場(chǎng)很快達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，水流在噴射器中形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的射流中心，速度在錐形噴嘴處最大。流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度分別在噴嘴出口處和混合腔的入口處兩側(cè)的卷吸區(qū)最為強(qiáng)烈，如圖6所示。從流體速度矢量云圖中可以看出，液體射流有明顯的卷吸作用;混合腔靠近砂粒的一側(cè)有明顯的回流漩渦，靠近錐形噴嘴處的漩渦主要是由液體射流進(jìn)入錐形噴嘴時(shí)，管道半徑驟減所導(dǎo)致的卷吸回流。進(jìn)入出口腔的擴(kuò)散區(qū)后，射流速度有所下降，流線(xiàn)型的擴(kuò)散管提高了射流的密度，有利于形成湍流效應(yīng)，并促進(jìn)固液兩相流漿體的混合。

綜上所述，入料混合裝置的錐形噴嘴有助于液體射流的壓力和速度提高，并對(duì)固體砂粒形成卷吸作用，流線(xiàn)型的擴(kuò)散管利于形成湍流作用，促進(jìn)固液兩相流漿體的混合。

3 漿體磨料的破壞機(jī)理研究

3.1 磨料破壞機(jī)理分析

鋼板表面受磨料顆粒沖擊后，因彈塑性變形而引起的材料微體積損失過(guò)程稱(chēng)為變形磨損;鋼板表面在磨料尖角水平移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生接觸點(diǎn)的橫向塑性流動(dòng)，從而切出一定數(shù)量的微體積材料，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為微切削磨損。沖蝕是垂直沖擊變形磨損和水平微切削磨損復(fù)合作用的結(jié)果。

研究認(rèn)為射流的高能量密集在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，射流沖擊目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)沖擊壓力，此壓力將水壓入鱗皮原生裂紋，導(dǎo)致鱗皮破碎、脫落。沖擊壓力為:

式中 PS—沖擊壓力，Pa;

ρ—水射流密度，kg/m3;

u—射流速度，m/s。

該沖擊壓力就是水射流的軸向動(dòng)壓，會(huì)造成鱗皮的壓縮粉碎和水楔粉碎;鱗皮是由晶粒組成的，在晶粒的晶界上存在原生孔隙、裂紋、雜質(zhì)等缺陷，原生裂紋的長(zhǎng)度與晶粒尺寸為同一數(shù)量級(jí)，顆粒的壓縮強(qiáng)度與原生裂紋的長(zhǎng)度關(guān)系為:

式中 σc—晶粒的壓縮強(qiáng)度;

f—原生裂紋表面摩擦系數(shù);

k2—原生裂紋尖端2型應(yīng)力強(qiáng)度因子，N/m1.5;

a—原生裂紋長(zhǎng)度的一半。

當(dāng)沖擊壓力超過(guò)壓縮強(qiáng)度后，鱗皮被破碎。

式中 Vd—沖蝕量(kg/mm3);

M—磨料顆粒質(zhì)量(kg);

α—沖蝕角;

u—磨料顆粒速度(m/s);

P—材料的屈服應(yīng)力。

從上式可知，要提高固液兩相磨料射流對(duì)鋼板表面氧化皮的破壞作用，磨料顆粒的速度以及沖蝕角影響很大。

3.2 漿體磨料的沖擊仿真

將拋丸過(guò)程簡(jiǎn)化為磨料垂直沖擊工件表面，將磨料看作剛體，基于對(duì)鋼板表面氧化鐵皮的分析可知，鋼板表面氧化鐵皮一般分為三層，第一層為Fe2O3，第二層為Fe3O4，第三層直接附著在鋼鐵表面，其是富氏體(FeO和Fe3O4固溶體)。

基于上述磨料對(duì)氧化鐵皮的破壞機(jī)理分析，仿真過(guò)程中采用了氧化鐵皮脫落的臨界點(diǎn)的單元控制，即在磨料侵徹材料過(guò)程中，材料達(dá)到其屈服強(qiáng)度并產(chǎn)生塑性應(yīng)變時(shí)，相應(yīng)的單元被去除;仿真時(shí)間設(shè)置為30s。

建立磨料侵徹鋼板模型如圖7所示。磨料尺寸為:長(zhǎng)度0.14mm，寬度為0.1mm，磨料頭部半徑為0.05mm;以40～75m/s的速度侵徹0.5mm后的氧化鐵皮層，模型分為3層，第一層為鐵銹層即Fe2O3和Fe3O4，第二層為FeO，第三層為鋼板基體層。為了提高計(jì)算效率，取磨料與鋼板的1/4模型，在沖擊區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，以增加計(jì)算結(jié)果的精度。

通過(guò)不斷改變磨料的速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨料速度為45m/s時(shí)，磨料對(duì)氧化鐵皮的破壞最為合理;仿真得到的應(yīng)力最大處如圖8所示，可以看出最大應(yīng)力位于沖擊中心表面下層，磨料能完全地去除氧化鐵皮的第一層Fe2O3和Fe3O4，隨著磨料的不斷侵入，磨料動(dòng)能被消耗，分別轉(zhuǎn)化為磨料的內(nèi)能、鋼板侵蝕單元的動(dòng)能和內(nèi)能，30s時(shí)系統(tǒng)各部分能量不變即侵徹結(jié)束，磨料在第二層停留，并有部分氧化物被去除。

需要說(shuō)明的是，上述針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和砂粒破壞形式的仿真分析僅是對(duì)濕法拋丸工藝中宏觀規(guī)律性質(zhì)的探索，仿真設(shè)計(jì)的參數(shù)并未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由G L Sheldon的微切削理論，材料的沖蝕可由下式表示:

圖7 磨料顆粒侵徹鋼板模型

圖8 磨料顆粒侵徹表面破壞應(yīng)力分布

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)采用的入料混合裝置可以增強(qiáng)管道內(nèi)部流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度，有助于液體更為均勻、有效地混合固態(tài)砂粒，進(jìn)而順利進(jìn)入拋丸裝置。磨料對(duì)鋼板的撞擊作用可視為連續(xù)磨料流，通過(guò)磨料顆粒對(duì)鋼板表面的破壞形式仿真，得知磨料速度在45～50m/s時(shí)對(duì)氧化層的侵徹效果較為理想，此過(guò)程中磨料的動(dòng)能損失轉(zhuǎn)化為鋼板氧化層的內(nèi)能，即塑性變形能、彈性變形能、裂紋的傳播和擴(kuò)展，其中以氧化層的塑性變形能為主。

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