鋼渣用于噴砂磨料的試驗(yàn)研究

饒 磊，陳廣言，周晨輝，周 俐，張耀輝，馬孟臣

(1.馬鋼股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山243003；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002)

鋼渣用于噴砂磨料的試驗(yàn)研究

饒 磊1，陳廣言1，周晨輝1，周 俐2，張耀輝1，馬孟臣1

(1.馬鋼股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山243003；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002)

在比較分析風(fēng)碎渣(鋼渣)與其他常用磨料物理性能的基礎(chǔ)上，選擇風(fēng)碎渣進(jìn)行鋼渣噴砂試驗(yàn)，分別研究噴吹壓力、噴吹時(shí)間與噴吹距離對(duì)試樣表面光潔度和粗糙度的影響，并與其他常用磨料的效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，風(fēng)碎渣用于噴砂磨料，當(dāng)噴吹壓力0.8 MPa，噴吹距離150 mm，噴吹時(shí)間10 s時(shí)，被處理工件表面光潔度和粗糙度能獲得良好效果，表面光潔度和粗糙度分別在Sa2.5和40 μm以上，滿足涂裝要求，與PS球、石榴石噴吹效果相當(dāng)，較銅爐渣噴吹效果略差，原因是銅爐渣顆粒具有鋒利的尖角和較大的顆粒度。

噴砂；鋼渣；光潔度；粗糙度

煉鋼廠每年產(chǎn)生大量的鋼渣，一般為粗鋼的18%左右。鋼渣成分復(fù)雜，且隨著冶煉方法的不同，成分波動(dòng)較大，但一般由5種以上的化合物組成，其中含一定量的膠凝性礦物如f-CaO和MgO等，這些礦物易引起鋼渣制品的體積安定性問(wèn)題，也使鋼渣的綜合利用比較困難。目前，我國(guó)僅有10%～15%的鋼渣能得到再次利用[1]，開(kāi)發(fā)鋼渣資源的綜合利用迫在眉睫。

沈蓓紅等[2]從鋼渣的理化性能、環(huán)保性等角度分析寶鋼滾筒鋼渣作為非金屬磨料的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)解決方案。易承波等[3]從鋼渣來(lái)源、含塵量、游離SiO2含量、粒度、棱角、硬度、除銹效果等方面探討了在船體噴砂除銹中采用鋼渣磨料的可行性。美國(guó)學(xué)者Kambhamd等[4]分析了銅爐渣作為噴砂磨料具有硬度大、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，并研究了銅爐渣用作噴砂磨料，不同噴吹工藝參數(shù)對(duì)噴吹效果的影響及優(yōu)化措施。目前國(guó)內(nèi)研究者主要基于滾筒鋼渣的理化特性，對(duì)鋼渣用作噴砂磨料的可行性進(jìn)行了分析，針對(duì)風(fēng)碎鋼渣用作噴砂磨料的試驗(yàn)研究較少。為此，文中以馬鋼風(fēng)碎渣為研究對(duì)象，研究其作為噴砂磨料的噴吹效果，并與銅爐渣、PS球及石榴石的噴吹效果進(jìn)行對(duì)比分析，為風(fēng)碎渣在噴砂磨料方面的應(yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 鋼渣噴砂試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為馬鋼風(fēng)碎渣。風(fēng)碎渣與其他常用磨料PS球、石榴石、銅爐渣的物性參數(shù)如表1。

表1 不同渣料的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of different materials

從表1可以看出：風(fēng)碎渣的硬度和PS球、石榴石相當(dāng)，優(yōu)于銅爐渣。硬度是衡量磨料質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)，硬度大，抗變形能力強(qiáng)，可降低因沖擊時(shí)磨料變形而造成的能量損失，在相同噴吹條件下，作用在工件上的沖量大、除銹效果明顯；風(fēng)碎渣的容重和密度稍大于PS球和銅爐渣，低于石榴石。密度是保證磨料在一定速度下具有較大能量的首要條件，是衡量磨料優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)之一，密度大，同等尺寸的顆粒條件下，利于增加磨料的沖擊力；風(fēng)碎渣和PS球均接近球形，銅爐渣和石榴石帶有一定棱角，致使風(fēng)碎渣的切削能力稍遜于銅爐渣和石榴石，相對(duì)不利于提高工件表面的粗糙度。綜上分析可看出，風(fēng)碎渣具備作為磨料的先決條件。

1.2 試驗(yàn)條件

1)磨料粒徑的選擇

磨料粒徑不能過(guò)大，否則，單位時(shí)間內(nèi)噴打在工件表面的顆粒數(shù)較少，降低噴砂效率，且易導(dǎo)致工件表面粗糙度增大[5-6]；粒徑過(guò)小，則沖擊力小，效率低。不同顆粒大小磨料的表面粗糙度如表2。從表2可看出，磨料的顆粒度一般在0.25～2.00 mm之間，結(jié)合某公司噴砂機(jī)噴頭內(nèi)徑尺寸，本試驗(yàn)選用0.60～1.18 mm的顆粒風(fēng)碎渣。

2)噴砂壓力的選擇

噴吹壓力越大，清理效率越高，但壓力過(guò)大，對(duì)噴砂管道的磨損加劇，縮短噴頭的使用壽命，而且會(huì)降低噴吹作業(yè)安全性；壓力過(guò)小，不僅降低了噴射效率，甚至造成不能?chē)姵觥＝?jīng)驗(yàn)表明[7]，工業(yè)上經(jīng)濟(jì)安全的噴吹壓力一般控制在0.7 MPa以下。但是隨著科技的發(fā)展，加上必備的防護(hù)措施，可以逐漸實(shí)現(xiàn)高壓操作來(lái)增加噴砂效率。本試驗(yàn)基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及噴砂儀器的實(shí)際情況，選擇壓縮空氣壓力為0.6，0.7，0.8 MPa。

3)噴吹距離

噴吹距離一般在100～500 mm之間，本試驗(yàn)初步選擇噴砂距離為100，150，200 mm，具體噴吹距離視試驗(yàn)結(jié)果作進(jìn)一步調(diào)整。

4)噴吹時(shí)間

噴吹時(shí)間對(duì)工件表面粗糙度影響不大，但直接影響磨料的消耗和表面的光潔度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際噴砂經(jīng)驗(yàn)，選擇10，20 s 2個(gè)時(shí)間參數(shù)。

5)噴吹角度

噴吹角度對(duì)工件表面粗糙度影響較小，且實(shí)際應(yīng)用中噴吹角度均較大，因此本試驗(yàn)固定噴吹角度在75°～85°之間。

1.3 試驗(yàn)方案

鋼渣噴砂試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表2 不同顆粒大小磨料表面粗糙度/μmTab.2 Surface roughness of different particle size of abrasive/μm

表3 鋼渣噴砂試驗(yàn)方案Tab.3 Steel slag sand-blasting experimental scheme

2 鋼渣噴砂試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 光潔度

按表3方案進(jìn)行鋼渣噴砂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可看出，在選用的參數(shù)條件下，試樣的表面光潔度均良好，光潔度在Sa2.5以上(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的ISO8501-1標(biāo)準(zhǔn))以上，說(shuō)明采用風(fēng)碎渣可作為噴丸磨料使用。

1)噴吹距離對(duì)光潔度的影響

對(duì)比試樣1#～6#照片發(fā)現(xiàn)，噴吹距離150 mm時(shí)(試樣2#及5#)的試樣表面光潔度比噴吹距離為100，200 mm時(shí)的更好，因?yàn)?50 mm的噴吹距離時(shí)，磨料達(dá)到試樣表面的速度最大，動(dòng)能最大，除銹效果最理想[8]。這也說(shuō)明噴吹距離從100 mm變化到150 mm時(shí)，磨料到達(dá)試樣表面的動(dòng)能逐漸增加，超過(guò)150 mm時(shí)，磨料的動(dòng)能逐漸減小。

2)噴吹時(shí)間對(duì)光潔度的影響

從圖1可看出，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著噴吹時(shí)間的增加，光潔度增加，但是噴吹時(shí)間增加，意味著磨料的消耗也增加。盡管?chē)姶?0 s的效果比20 s稍差，但是光潔度大部分在Sa2.5級(jí)以上，從節(jié)省磨料角度考慮，噴吹10 s即可。

3)噴吹壓力對(duì)光潔度的影響

從圖1可看出，在其他參數(shù)相同，不同壓力下，隨著壓力的增加，試樣表面光潔度逐漸增加，如圖1中的試樣5#，11#，17#。當(dāng)壓力從0.6 MPa增至0.8 MPa時(shí)，同時(shí)噴吹時(shí)間從20 s降至10 s，仍可獲得良好的光潔度(試樣2#)，一般來(lái)說(shuō)，壓力越大，效果越好。

2.2 粗糙度

1)噴吹壓力與粗糙度的關(guān)系

2種噴吹時(shí)間條件下，噴吹壓力與粗糙度的關(guān)系如圖2。從圖2可發(fā)現(xiàn)，噴吹時(shí)間10，20 s時(shí)，粗糙度均隨噴吹壓力的增加整體上呈增加趨勢(shì)，部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示噴吹壓力增加粗糙度下降，這是測(cè)試誤差所致。噴吹壓力增大，磨料到達(dá)工件表面的動(dòng)能也增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為撞擊力后，撞擊工件表面的力變大，導(dǎo)致粗糙度增加。

2)噴吹距離與粗糙度的關(guān)系

2種噴吹時(shí)間條件下，噴吹距離與粗糙度的關(guān)系如圖3。從圖3可以看出，隨著噴吹距離的增加，粗糙度先增加、后降低，說(shuō)明噴吹過(guò)程中存在1個(gè)最佳距離。試驗(yàn)中噴吹距離150 mm時(shí)粗糙度最大，說(shuō)明在100～150 mm，磨料達(dá)到工件表面的動(dòng)能逐漸增大；而在150～200 mm，磨料達(dá)到工件表面的動(dòng)能逐漸降低。

3)噴吹時(shí)間與粗糙度的關(guān)系

不同噴吹壓力下，噴吹時(shí)間與粗糙度的關(guān)系如圖4。從圖4看出，噴吹時(shí)間與粗糙度沒(méi)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明噴吹時(shí)間對(duì)粗糙度的影響不大。為進(jìn)一步觀察鋼渣磨料的處理效果，針對(duì)鑄鐵件進(jìn)行噴砂處理。結(jié)果如圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)噴砂處理后，試樣表面干凈，清潔度達(dá)Sa2.5級(jí)以上。表明鋼渣對(duì)鑄件的處理效果好。

綜上，當(dāng)噴吹壓力0.8 MPa、噴吹距離150 mm、噴吹時(shí)間10 s時(shí)，風(fēng)碎渣作為噴砂磨料，試樣的表面光潔度和粗糙度效果最好，光潔度達(dá)到Sa2.5以上，粗糙度達(dá)到40 μm以上。我國(guó)工業(yè)涂裝要求表面光潔度Sa2.0以上，粗糙度達(dá)40 μm以上，表明風(fēng)碎渣作為噴砂磨料，可滿足工業(yè)涂裝要求。

3 不同磨料對(duì)比噴砂試驗(yàn)

為進(jìn)一步評(píng)估鋼渣的噴砂處理效果，進(jìn)行不同磨料的噴砂試驗(yàn)。

3.1 不同磨料的噴砂效果

分別采用石榴石、銅爐渣、PS球、風(fēng)碎渣4種磨料進(jìn)行噴砂試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為噴吹距離100～150 mm，噴吹壓力0.7～0.8 MPa，噴嘴直徑5 mm。銅爐渣顆粒度與PS球類似，風(fēng)碎渣、石榴石顆粒度稍小。觀察不同磨料處理后試樣表面光潔度發(fā)現(xiàn)，采用銅爐渣處理的工件表面最亮(白色)，其次為PS球，再次為馬鋼風(fēng)碎渣，最后為石榴石。不同磨料處理后工件表面粗糙度如表4。

從表4看出，銅爐渣處理過(guò)的粗糙度最大，其次為PS球、風(fēng)碎渣、石榴石。主要原因?yàn)椋恒~爐渣帶有較鋒利的棱角，切削作用強(qiáng)于球形的風(fēng)碎渣，相對(duì)風(fēng)碎渣，更易提高工件的粗糙度；試驗(yàn)過(guò)程中銅爐渣顆粒度最大，其它依次為PS球、鋼渣、石榴石，磨料的顆粒度對(duì)粗糙度影響較大，磨料顆粒尺度越大，使得料丸與工件接觸面積越大，進(jìn)一步促使粗糙度變大[9]。表4中石榴石和風(fēng)碎渣處理的工件表面粗糙度小于銅爐渣和PS球，較好地說(shuō)明了粗糙度和顆粒度的關(guān)系。故一定程度上提高風(fēng)碎渣磨料的顆粒尺寸，可以有效改善工件表面的粗糙程度。

3.2 不同磨料的抗破碎性

抗破碎性亦是衡量磨料特性的指標(biāo)之一。磨料抗破碎性強(qiáng)，可循環(huán)次數(shù)多，可降低工件處理成本[10]。選擇PS球、馬鋼風(fēng)碎渣及銅爐渣3種樣品，顆粒尺寸在0.60～1.18 mm之間，噴吹壓力0.8 MPa，其余噴砂條件相同，進(jìn)行噴砂試驗(yàn)。噴砂前后，分別對(duì)3種磨料進(jìn)行篩分稱重，計(jì)算不同粒級(jí)顆粒含量，結(jié)果如表5。

表4 不同磨料處理后工件表面的粗糙度對(duì)比Tab.4 Different abrasive processing after the workpiece surface roughness of the contrast

表5 噴砂前后磨料的粒徑變化Tab.5 Before and after sandblasting abrasive particle size change

從表5可知，同等條件下，銅爐渣、馬鋼風(fēng)碎渣和PS球3種磨料噴砂后與噴砂前相比，1 mm以上部分損失比例分別為68%、66%、65%，相差不大。表明風(fēng)碎渣的抗破碎能力與銅爐渣及PS球相當(dāng)，可以被循環(huán)利用。

上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明風(fēng)碎渣完全可以用作噴砂清理磨料。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)馬鋼風(fēng)碎渣處理后的工件表面光潔度隨噴吹壓力和噴吹時(shí)間的增加而增加，而工件表面粗糙度和噴吹時(shí)間關(guān)系不大，隨噴吹壓力增加而增加，但光潔度和粗糙度的最佳噴吹距離均為150 mm左右。

2)通過(guò)風(fēng)碎渣、銅爐渣、PS球、石榴石的噴砂對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅爐渣噴吹效果最好，PS球、風(fēng)碎渣、石榴石效果稍差。但風(fēng)碎渣處理后的工件表面光潔度均在Sa2.5級(jí)以上，表面粗糙度在40 μm以上，足以滿足一般的工業(yè)涂裝需求；同時(shí)被處理的工件表面光潔度和粗糙度均與風(fēng)碎渣粒徑有關(guān)，隨其粒徑的增加而增加。風(fēng)碎渣具有一定的抗破碎能力，可以被循環(huán)利用。由此表明，風(fēng)碎渣完全可以用作噴砂磨料。

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責(zé)任編輯：何莉

Experimental Research on Steel Slag as Sand-blastingAbrasive

RAO Lei1,CHEN Guangyan1,ZHOU Chenhui1,ZHOU Li2,ZHANG Yaohui1,MAMengchen1
(1.Technology Center,Ma'anshan Iron and Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243003，China；2.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Comparing physical properties of wind quenching steel slag and other commonly used abrasive,experiments of the steel slag blasting were carried out.The effects of injection pressure,injection time and injection distance on surface finish and roughness of sample were respectively analyzed,and different abrasive effects were compared.The results show when the injection pressure is 0.6 MPa,injection distance is 150 mm and injection time is 10 s,if the abrasive is wind quenching slag,surface finish and roughness of sample are good,the surface finish can reach above Sa2.5 and value of roughness is more than 40 μm,which can meet coating requirements, the injection effect of wind quenching slag is as well as that of PS ball and garnet,worse than that of copper,the main reason is that the copper slag particles have sharp angle,and larger particles size.

sand blasting;steel slag;cleanliness;roughness

TQ639.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.004

2014-08-08

饒磊(1983-)，男，湖北武穴人，工程師，主要研究方向冶金固廢資源綜合利用。

1671-7872(2015)-01-0016-06