連鑄機(jī)板坯噴號(hào)機(jī)參數(shù)調(diào)整的試驗(yàn)研究與分析

譚志強(qiáng)，熊 鋼

（武鋼股份設(shè)備維修總廠，湖北 武漢 430080）

武鋼某煉鋼廠熱坯標(biāo)記系統(tǒng)采用電弧噴涂噴號(hào)機(jī)。其原理如圖1所示：在噴涂時(shí)，兩根絲狀噴涂材料經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)均勻、連續(xù)地送進(jìn)噴槍的兩個(gè)導(dǎo)電嘴內(nèi)。導(dǎo)電嘴接入電源的正、負(fù)極，并保證兩根絲材端部接觸前的絕緣性。當(dāng)兩根絲材端部接觸時(shí)，產(chǎn)生電弧，其溫度約為6 000℃，可使絲材端部瞬間熔化。用壓縮空氣將熔化的金屬霧化并噴在基體表面冷卻、沉積而形成涂層。噴射速度可達(dá)200m／s。

噴號(hào)機(jī)經(jīng)常需要進(jìn)行調(diào)定的具體參數(shù)有電弧電源的電壓和電流等級(jí)、噴涂氣壓和走絲速度。這些參數(shù)直接影響著噴號(hào)的效果，以下從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

一、參數(shù)試驗(yàn)

1.電壓、電流對(duì)噴號(hào)效果的影響

試驗(yàn)在武鋼某煉鋼廠2流、4流噴號(hào)機(jī)上進(jìn)行：在其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)定的前提下，對(duì)噴號(hào)機(jī)電焊機(jī)的各檔位進(jìn)行調(diào)定，并在同一位置拍照比對(duì)噴號(hào)效果。試驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)4流噴號(hào)機(jī)電壓參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)見表1。噴號(hào)效果見圖2。

表1 4流噴號(hào)機(jī)電壓參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)

圖2 電壓電流參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)1

(2)2流噴號(hào)機(jī)電壓參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)見表2。噴號(hào)效果見圖3。

表2 2流噴號(hào)機(jī)電壓參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)

圖3 電壓電流參數(shù)調(diào)定試驗(yàn)2

圖4 電壓電流參數(shù)顆粒試驗(yàn)

2.電壓、電流對(duì)噴涂顆粒的影響

將4流噴號(hào)機(jī)固定在起弧點(diǎn)離板坯距離20mm處，分別用不同的電壓、電流檔位對(duì)板坯進(jìn)行手動(dòng)集中噴涂試驗(yàn)。噴號(hào)效果見圖4。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可以得出以下試驗(yàn)結(jié)果(表3)。

表3 電壓電流參數(shù)顆粒試驗(yàn)

從該試驗(yàn)可知，當(dāng)電壓、電流等級(jí)越高，其他參數(shù)相同下噴射到鑄坯上的顆粒越大。

3.氣壓對(duì)噴涂顆粒的影響

將4流噴號(hào)機(jī)在同等距離和同等電壓及電流等級(jí)下對(duì)噴射氣壓進(jìn)行不同級(jí)別的調(diào)定，并分別對(duì)鑄坯進(jìn)行手動(dòng)定點(diǎn)噴涂。效果見圖5。

圖5 氣壓顆粒試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可以得出以下試驗(yàn)結(jié)果(表4)。

表4 氣壓顆粒試驗(yàn)

隨著氣壓增加，其噴涂的顆粒越均勻和細(xì)膩。

二、理論分析

噴號(hào)機(jī)的噴涂包括兩個(gè)過(guò)程：第一是兩個(gè)金屬絲在噴涂電壓下被短接而產(chǎn)生熱量，將金屬絲融化成熔滴（簡(jiǎn)稱起弧過(guò)程）；第二是利用壓縮空氣將金屬熔滴吹到鑄坯表面的過(guò)程（簡(jiǎn)稱噴吹過(guò)程）。

1.起弧過(guò)程研究

(1)送絲速度

噴號(hào)機(jī)的走絲電機(jī)根據(jù)電機(jī)的既定轉(zhuǎn)速將金屬絲送到起弧點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)起弧點(diǎn)需熔化的金屬質(zhì)量為：

式中：v絲——金屬絲的走絲速度，

ρ——金屬絲的密度（現(xiàn)場(chǎng)中金屬絲為鋁絲，

d——金屬絲的直徑(現(xiàn)場(chǎng)中d=2×10-3m）。

根據(jù)該公式，v絲越高，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)起弧點(diǎn)的金屬絲越多，即噴射到鑄坯表面的金屬越多，噴涂效果越好。

(2)噴涂電壓、電流

兩根金屬絲在起弧點(diǎn)被短接升溫直至熔化為金屬液滴。這個(gè)過(guò)程中金屬絲從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)所需的最小熱量為：

式中：c——金屬絲的比熱容(鋁絲c=0.88×103J/(kg/℃)）；

△t——金屬絲由常溫升高到熔點(diǎn)的升高溫度(鋁的熔點(diǎn)為660.37℃，則△t=660.37-30=630.37℃）；

c——為金屬絲熔化熱(鋁絲c=3.98×105J/kg）。

將以上數(shù)值代入得出Qmin=1.62×104v絲。

金屬絲熔化為液滴過(guò)程所需的熱量由噴涂電源提供。噴涂電源有效功率為p=UgIg

式中：Ug——噴涂平均電壓；

Ig——噴涂平均電流。

則電弧的有效功率為Q弧=0.24ηUgIg

式中：η——噴涂電源有效熱系數(shù)。

若要噴涂持續(xù)有效，則要求電弧能提供金屬絲持續(xù)熔化所需的熱量Q弧≥Qmin，即0.24ηUgIg≥1.62×104v絲。從該公式可知，若送絲速度v絲提高，則對(duì)應(yīng)的最低電壓、電流等級(jí)需提高。如果Q?。糛min，則噴涂電源提供的熱量無(wú)法將鋁絲完全熔化，即鋁絲不能穩(wěn)定熔化，將出現(xiàn)火花時(shí)斷時(shí)續(xù)，甚至無(wú)法正常打火。

電弧有如下特性：當(dāng)弧長(zhǎng)保持一定調(diào)節(jié)電弧電流，電弧電壓幾乎不發(fā)生變化(如圖6a)；當(dāng)電弧電流保持一定改變弧長(zhǎng)大小，則電弧電壓隨弧長(zhǎng)增加而增加(如圖6b)。

圖6 電弧特性圖

噴涂電壓Ug實(shí)際上反映了兩根噴涂金屬絲尖端間距離的量度，電壓越高代表著金屬絲之間的間距離越大，霧化粒子的粒度越大且霧化粒子具有更高的高斯分布。另外，Ug越高，電源提供的熱量越高，高能量將導(dǎo)致更多的霧化粒子被燒損，尤其是易被氧化的元素，而減少了到達(dá)板坯表面的霧化粒子的數(shù)量，熔滴顆粒的沉積率降低。同時(shí)噴涂射流的方向性也變差。

噴涂過(guò)程中，電弧弧長(zhǎng)基本恒定，即噴涂電壓穩(wěn)定。電弧電流則是根據(jù)金屬線材送進(jìn)速度的變化來(lái)自調(diào)節(jié)的：送絲速度增加，電流會(huì)增加以提高金屬線材的熔化速度來(lái)保證電弧弧長(zhǎng)的一定；送絲速度減小，電流會(huì)降低以減少金屬線材的熔化。

(3)綜合匹配值

送絲速度、噴涂電壓、噴涂電流是噴涂三要素，對(duì)于每臺(tái)噴涂電源都有一個(gè)最佳的組合值。

該最佳的匹配值是在滿足可靠熔化鋁絲的前提下，單位重量的鋁絲所消耗的熔化熱量最小，即

需使得λ為最小時(shí)為最佳值。

2.噴吹過(guò)程研究

噴吹過(guò)程是由從噴嘴出來(lái)的壓縮空氣將金屬熔滴吹散并打到鑄坯的表面而形成沉積。供給的霧化壓縮空氣壓力高，則噴射粒子的霧化程度越高（粒子更細(xì)小），霧化粒子飛行速度也越高，噴涂粒子獲得動(dòng)能就越高，對(duì)噴涂粒子霧化和提高涂層與集體結(jié)合強(qiáng)度起積極作用。

提高霧化空氣時(shí)需注意，霧化空氣速度高，代表著空氣對(duì)電弧的沖擊和熱交換越劇烈，金屬溶液在空氣中逗留的時(shí)間越短。若空氣壓力超過(guò)了一定供絲速度所能提供的上限，將產(chǎn)生電弧被霧化空氣“吹滅”的現(xiàn)象。

三、結(jié)論

噴號(hào)機(jī)的走絲速度、電壓電流等級(jí)及噴射氣壓對(duì)噴號(hào)效果有直接影響。就單個(gè)參數(shù)而言，根據(jù)分析和試驗(yàn)可知走絲速度越快越好，但走絲速度提升時(shí)電流電壓等級(jí)也需要相應(yīng)提升。在滿足連續(xù)打火的條件下，電壓電流等級(jí)越低越好，噴射氣壓是越高越好。

但在生產(chǎn)中，要追求各參數(shù)的最佳匹配值，不能盲目追求某一參數(shù)的提高。首先，應(yīng)該根據(jù)噴號(hào)機(jī)的送絲速度和連續(xù)起弧的條件Q弧≥Qmin得出連續(xù)起弧電壓、電流等級(jí)；其次根據(jù)連續(xù)起弧電壓、電流等級(jí)選擇最小電壓、電流等級(jí)。另外，根據(jù)送絲速度和電壓、電流等級(jí)來(lái)調(diào)定氣壓，選擇最大的可能氣壓。

在生產(chǎn)實(shí)踐中獲得的最佳噴號(hào)機(jī)參數(shù)(表5)可作為噴號(hào)機(jī)日常調(diào)定的參考值。

表5 噴號(hào)機(jī)調(diào)定參考值

[1]王有喜，張勇，張春明，王超.電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010，224：26-29.

[2]黃偉.熱鋼坯電弧噴涂標(biāo)記系統(tǒng)的研制[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3]易春龍.電弧噴涂技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]董學(xué)良.熱鋼坯電弧噴涂標(biāo)記系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.