郭 瑞 周存龍 韓賀永 張校誠(chéng) 李董超

(太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西太原030024)

高壓混合漿除鱗中噴射角和噴距對(duì)軋件沖擊力的影響研究①

郭 瑞②周存龍 韓賀永 張校誠(chéng) 李董超

(太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西太原030024)

在高壓混合漿去除氧化皮過(guò)程中，射流對(duì)軋件的沖擊力在一定程度上決定了氧化皮的去除效果。而噴射角和噴嘴到軋件的直線距離直接影響射流對(duì)軋件沖擊力，傳統(tǒng)的解析方法難以快速確定這兩個(gè)因素的作用效果?；诙嘞嗔鞯臍W拉模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，采用ANSYS-FLUENT軟件對(duì)噴嘴的外部?jī)上嗔鲌?chǎng)進(jìn)行仿真模擬，分析了噴射角分別為30°、45°、60°、90°和噴射距離分別為20mm、30mm、40mm、50mm時(shí)射流對(duì)軋件沖擊力的影響關(guān)系，結(jié)果表明，噴射角為60°時(shí)射流對(duì)鋼板表面的綜合沖擊壓力最大；在系統(tǒng)壓力滿足除鱗要求時(shí)，在25倍孔徑左右增加噴射距離可以節(jié)約成本。為高壓混合漿除鱗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較為可靠的幫助。

高壓混合漿 除鱗 沖擊力 噴射角 噴射距離

1 前言

用高壓水混合磨料除去金屬表面氧化鐵皮(又叫高壓混合漿除鱗)是替代酸洗除鱗的一種生態(tài)無(wú)酸除鱗技術(shù)[1]。

在高壓混合漿除鱗過(guò)程中，影響除鱗效果的因素有很多，如混合漿的濃度、磨料尺寸大小、噴嘴的尺寸和布置形式以及射流對(duì)軋件的沖擊力等等。對(duì)于一種已配置好的混合漿，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為由于噴嘴到軋件表面距離增大后噴射面積將會(huì)增大，可以用更少的噴嘴數(shù)量達(dá)到同樣的噴射面積，而噴嘴數(shù)量減小則會(huì)使高壓水泵的數(shù)量隨之減少。但是噴射距離的增大必然會(huì)引起射流沖擊壓力的減小，故想要達(dá)到相同的除鱗效果必須降低板帶的運(yùn)動(dòng)速度，這將引起除鱗效率的降低。同樣的，在批量生產(chǎn)過(guò)程中若要提高生產(chǎn)效率、加快板帶運(yùn)行速度，則需增加系統(tǒng)高壓水泵數(shù)量為更多的噴嘴提供足夠的流量，從而可以降低噴射距離以提高沖擊壓力。因此如何確定最佳的噴嘴及高壓泵的數(shù)量，是確定高壓混合漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壓磨料射流的研究在切割及破巖方面已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于在除鱗等清洗行業(yè)的研究還處于探索階段[2-8]。

研究表明，噴射角和噴射距離的設(shè)置對(duì)除鱗系統(tǒng)的投資成本和除鱗效率的影響很大，本文將通過(guò)有限元軟件FLUENT研究噴射角θ和噴射距離H兩個(gè)參數(shù)在高壓混合漿射流對(duì)軋件沖擊力影響的研究，從而確定除鱗的的理想噴射角和噴射距離，為噴嘴的布置和除鱗系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

扇形噴嘴與其他類型噴嘴相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以形成平坦均勻的扁平射流，射流致密性較好[9]，故噴嘴常采用扇形噴嘴。由于噴射過(guò)程的三維模型建立難度較大，為了簡(jiǎn)化分析，在Fluent專用前處理軟件Gambit中建立可模擬噴射過(guò)程的二維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本模擬中噴嘴尺寸、噴嘴出口形狀參照某工業(yè)用水切割裝置選取，噴嘴直徑d為2mm，噴嘴扇形角選取26°。

由于高壓混合漿固液兩相射流離開(kāi)噴嘴后首先進(jìn)入空氣場(chǎng)，因此需在噴嘴模型出口處建立一個(gè)相對(duì)較大的方形區(qū)域作為噴射流場(chǎng)。然后，在分析噴射角度和噴射距離對(duì)射流沖擊力的影響時(shí)，通過(guò)改變噴嘴軸線與軋件之間的角度和高度進(jìn)行建模。最后在射流沖擊軋件的過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置邊界條件，采用固定壁面邊界來(lái)等效軋件。

二維模型采用Map方式劃分網(wǎng)格，噴嘴距軋件的垂直噴射距離分別為20mm、30mm、40mm及50mm；與軋件的角度分別為30°、45°、60°及90°。噴嘴部分網(wǎng)格間距為0.1，噴射流場(chǎng)部分網(wǎng)格間距為0.2，不同噴射距離對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4636、11436、18236、25036個(gè)。圖1所示為噴射角90o，噴射距離為20mm的噴射示意圖，圖2為對(duì)應(yīng)的二維網(wǎng)格模型。

圖1 θ=90°，H=20mm的噴射示意圖

圖2 θ=90°，H=20mm的網(wǎng)格模型

2.2 求解設(shè)置

進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件，設(shè)置壓力為30MPa，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，壓力值為大氣壓101325Pa，軋件為壁面邊界條件。

模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程的湍流模型和Euler多相流模型，其中兩相流物質(zhì)分別為水和金剛砂，材料參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1。初始化后進(jìn)行迭代，計(jì)算結(jié)果收斂。

表1 材料參數(shù)設(shè)置

圖3 噴射距離為20mm時(shí)不同噴射角下的壓力云圖

3 結(jié)果分析

在FLUENT中通過(guò)對(duì)噴嘴進(jìn)行外部流場(chǎng)仿真，可以得到不同噴射角度和噴射距離時(shí)射流對(duì)軋件表面的沖擊力。

3.1 噴射角θ對(duì)軋件沖擊力的影響

噴射距離為H=20mm時(shí)，保持其他初始邊界條件不變，改變噴嘴射流和軋件之間的夾角θ，令θ分別為30°、45°、60°、90°，高壓水磨料兩相射流在沖擊軋件后的壓力云圖如圖3所示。

若忽略射流在傳播過(guò)程中的阻力損失，則靜壓力能都轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。當(dāng)射流到達(dá)軋件表面時(shí)，動(dòng)能都轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)軋件表面的沖擊動(dòng)壓。從圖3(a～d)可以看出，射流在軋件表面形成的沖擊壓力近似成正態(tài)分布，且軋件表面的壓力隨著噴射角的變化而發(fā)生很大變化，當(dāng)噴射角增大時(shí)壓力也呈增大趨勢(shì)。保持噴射距離為20mm，噴射角分別為30°、45°、60°、90°時(shí)對(duì)應(yīng)的最大壓力值分別為10.4MPa、17.3MPa、21.2MPa及28.8MPa。

提取噴射距離H為20mm時(shí)不同噴射角度θ下軋件表面的壓力數(shù)據(jù)，可以繪制出軋件表面的壓力分布曲線，如圖4所示。

圖4 20mm時(shí)不同噴射角下壓力沿軋件表面的分布情況

由圖4可知，最大壓力出現(xiàn)在噴嘴的軸線附近，90°時(shí)壓力分布曲線尖而窄，射流對(duì)軋件的沖擊壓力比較集中，并且數(shù)值較大，此時(shí)高壓混合漿射流的沖擊壓力全部沿軋件正向方向，故90°噴射角更適用于射流要求集中的水切割系統(tǒng)。隨著噴射角度的逐漸減小，軋件表面的正向沖擊壓力明顯呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明一部分射流能量轉(zhuǎn)化為沿軋件的切向壓力。

圖5所示為由不同工況時(shí)軋件表面的最大壓力值得到?jīng)_擊壓力隨噴射角度的變化情況。從中可以看出。沖擊軋件表面的最大壓力隨噴射角度的增加而增大。其中噴射角從60°減小到30°時(shí)，壓力減小的趨勢(shì)比較明顯，而當(dāng)噴射角度θ從90°變化到60°時(shí)，軋件表面的壓力基本變化很小，即60°時(shí)正向壓力與90°時(shí)差別不大，且在切向方向有一定的作用力。

圖5 不同噴距下軋件表面的最大沖擊壓力隨噴射角度的變化曲線

噴射角為60°對(duì)應(yīng)的正向壓力值與90°相比平均差3MPa，為系統(tǒng)壓力的10%；根據(jù)切向壓力pτ與正向壓力pN的關(guān)系:，可以得出，兩種噴射角的最大切向分力差為12.2MPa。由于在除鱗過(guò)程中軋件表面氧化鐵皮的去除是靠正向和切向沖擊力的共同作用完成的，故60°噴射角更適用于除鱗系統(tǒng)。

60°減小到30°時(shí)，壓力減小的趨勢(shì)比較明顯，而當(dāng)噴射角度θ從90°變化到60°時(shí)，軋件表面的壓力基本變化很小，即60°時(shí)正向壓力與90°時(shí)差別不大，且在切向方向有一定的作用力。由于在除鱗過(guò)程中軋件表面氧化鐵皮的去除是靠正向和切向沖擊力的共同作用完成的，故60°噴射角更適用于除鱗系統(tǒng)。

3.2 噴射距離H對(duì)軋件沖擊力的影響

噴射角θ=60°時(shí)，保持其他初始邊界條件不變，改變噴嘴射流到軋件的距離，令噴射距離H分別為20mm、30mm、40mm、50mm，初始化后進(jìn)行迭代，計(jì)算結(jié)果收斂，高壓水磨料兩相射流在沖擊軋件后的壓力云圖如圖6所示。

圖6a)～6d)中的壓力云圖可以看出，系統(tǒng)壓力為30MPa，保持噴射角度60°不變時(shí)，噴射距離增加，軋件表面的壓力呈下降趨勢(shì)。當(dāng)高度H分別為20mm、30mm、40mm、50mm時(shí)對(duì)應(yīng)的軋件表面最大沖擊壓力為21.2MPa、17.1MPa、13.6MPa、11MPa。

圖6 噴射角度為60°時(shí)不同噴射距離下的壓力云圖

圖7為對(duì)比四組不同角度在改變噴射距離后的壓力分布情況。噴射距離H從10d提高到15d時(shí)，沖擊壓力極速下降，從20d提高到25d時(shí)壓力下降幅度區(qū)域緩慢，平均壓力損失為2.1MPa，僅為系統(tǒng)壓力的7%。這是由于此時(shí)射流速度耗散已經(jīng)基本達(dá)到最大，故壓力減小的速度緩慢。

可以看到在該噴射距離左右的壓力若能滿足除鱗要求，不僅壓力損失很小，保證了除鱗速度，提高了工作效率，而且可以顯著增大噴射面積，從而減少噴嘴和高壓水泵的數(shù)量，節(jié)約投資成本。故除鱗的最佳噴射距離應(yīng)該大于25倍噴嘴孔徑。

圖7 不同噴射角度下軋件表面的最大沖擊壓力隨噴距的變化曲線

4 結(jié)論

1)基于多相流理論和湍流模型，利用Gambit軟件建立噴射模型，通過(guò)Fluent進(jìn)行仿真模擬，可以得到射流對(duì)軋件的沖擊壓力隨噴射角和噴射距離變化的規(guī)律。

2)系統(tǒng)壓力為30MPa時(shí)，60°噴射角對(duì)應(yīng)的正向壓力值與90°時(shí)相比平均差3MPa，為系統(tǒng)壓力的10%，但最大切向分力差12.2MPa，故60°噴射角更適用于除鱗系統(tǒng)。

3)當(dāng)噴射距離從20d增加到25d時(shí)，平均壓力損失2.1MPa，僅為系統(tǒng)壓力的7%，若系統(tǒng)壓力滿足除鱗效果要求時(shí)，此時(shí)增加噴射距離既可以節(jié)約成本，同時(shí)也保證了除鱗效率。

[1]Kevin Voges, Alan Mueth. Eco-pickled surface: an environmentally advantageous alternative to conventional acid pickling[J]. Iron & Steel Technology, 2008(4), 81-96.

[2]楊新樂(lè), 張永利, 陳偉雄. 固液兩相射流噴嘴外沖擊流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 煤礦機(jī)械,2008(8): 52-53.

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·業(yè)界動(dòng)態(tài)·

西門子發(fā)布Sirius 3SK2用戶友好型安全繼電器

西門子最新推出的Sirius 3SK2安全繼電器占用空間極小，能夠?qū)崿F(xiàn)諸多安全功能。該產(chǎn)品擁有用戶友好型的拖放式參數(shù)配置界面，因而可以輕松自如地創(chuàng)建各種安全功能，并可進(jìn)行擴(kuò)展以將測(cè)試和故障診斷功能包含在內(nèi)。Sirius 3SK2安全繼電器有兩款型號(hào)，一款寬22.5mm，最多可支持四種安全功能，與目前市面上其他可通過(guò)軟件配置參數(shù)的安全繼電器相比更纖巧；另一款寬45mm，最多可實(shí)現(xiàn)六種安全功能，該型號(hào)配備有故障診斷顯示屏。3SK2故障安全輸出端的功能可以獨(dú)立分配。

Sirius 3SK2裝置的典型應(yīng)用包括急停按鈕、帶鎖防護(hù)門以及配備光電式防護(hù)傳感器技術(shù)的送料系統(tǒng)。此外，該款安全繼電器還可以針對(duì)特定需求，輕松實(shí)現(xiàn)其他安全應(yīng)用。同時(shí)，視不同需要，用戶可以通過(guò)擴(kuò)展模塊的形式增加故障安全輸出點(diǎn)--甚至無(wú)需額外布線。Sirius 3SK2安全繼電器沿襲了Sirius 3SK1系列產(chǎn)品的一大優(yōu)點(diǎn)，可以與傳統(tǒng)工業(yè)控制器輕松結(jié)合，例如，可以通過(guò)裝置連接器輕松地集成Sirius 3RM1系列電機(jī)起動(dòng)器。Sirius 3SK 安全繼電器的作用舉足輕重。利用該全新安全繼電器系列，用戶可非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)本地安全功能。

Research on the Pressure Impact of the Jet Angle and Distance to Rolled Product in High-pressure Mixed Slurry Descaling

Guo Rui Zhou Cunlong Han Heyong Zhang Xiaocheng Li Dongchao

(Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallurgical Equipment Design and Technology, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024 )

The pressure on the rolled product from high-pressure abrasive jet to some extent influence the scale removal effect of the jet impact force in the process of descaling by high-pressure mixed slurry, and the impact force is influenced by the jet angle and jet distance between nozzle and rolled product, but it’s hard to determine the effects of these two factors by traditional analysis method. Based on the Euler model of multiphase flow and the standard k-epsilon equation, this paper use the finite element simulation software FLUENT to simulate the external flow field of the nozzle. And by analyzing the two factors jet angle and distance, which were set as 30°、45°、60°、90° and 20mm、30mm、40mm、50mm respectively, obtain their influence relation to the pressure on rolled product, thus to improve a more reliable help for design of the system of high-pressure mixed slurry.

High-pressure mixed slurry Descaling Impact force Jet angle Jet distance

國(guó)家“973計(jì)劃”(2012CB722801)，太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20134019)

郭瑞，女，1989年出生，太原科技大學(xué)畢業(yè)，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代軋制設(shè)備設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)

TG155.4

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.003

2015-03-13)