濕法拋丸中漿體磨料的進料機制及破壞機理分析

任玉軍 葛國軍 李 軍

(1:寶鋼股份煉鐵廠 上海201900;2:北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029)

1 前言

針對干式拋丸法清除氧化鐵皮時粉塵污染大、易損傷帶鋼表面等問題，有學者開發了濕法拋丸技術。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，需研究磨料漿體進入拋頭的方式、漿體離開拋頭時獲得的能量。現階段漿體射流一般是以脈沖的形式來進行工作的，其工作原理是:壓力水帶動細小磨料形成帶壓混合漿體，以高壓水為驅動動力，在高壓管道內形成固液兩相的高速漿體流，通過特殊設計的噴嘴以脈沖形式進入拋丸葉片進行拋射，完成對金屬表面的除銹、除鱗和材料破碎、切割等工作。

2 漿體磨料的進料機制研究

2.1 固液兩相流漿體加速機理研究

漿體射流的作用形式是以高壓水作為動力源和磨料載體，利用高速的水射流帶動磨料顆粒在特別設計的噴嘴中混合形成漿體射流，輸送進拋頭進而被加速，最終被拋射到金屬表面。在固液兩相射流中，磨料顆粒以不連續的離散狀存在。漿體射流打到材料表面時，除沖擊壓力、漿體的高頻沖蝕和磨削外，還伴隨剪切應力、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能是磨料射流技術的關鍵問題。在磨料射流技術發展的早期，各國學者對后混合磨料射流噴嘴展開了研究，如日本的小林良二設計了切向注入式磨料射流噴嘴，GA.Savanick、孫家駿等人設計了準直管磨料射流噴嘴。這些研究和設計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學模型:

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;

ρ—水射流密度，kg/m3;

u—水射流速度，m/s。

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

磨料進入水射流后受到的軸向力決定磨料軸向運動特性和軸向速度分布。磨料進入水射流后因為兩者的速度差，將受到一個作用力:

式中 CD—為無量綱數，由顆粒雷諾數決定，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。這個力就是磨料顆粒加速的原因。

通過實驗發現，磨料以一定速度加到射流表面時，部分顆粒與射流發生碰撞而被彈回，不能進入射流中;另一方面，顆粒進入射流時，速度越小，碰撞越不明顯。顆粒與射流之間如何發生碰撞的機理很復雜，學者們致力于各種磨料噴嘴的研究，來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 漿體磨料的進料仿真

2.2.1 入料混合裝置模型的建立

設計的入料混合裝置模型及剖面圖如圖2所示，由一個三通管道、錐形噴嘴和流線型擴散管組成，管道一端稱為液體入口，接高壓水，另一端為固體顆粒入口，接固體顆粒介質。

圖1 入料混合裝置示意圖

圖2 入料混合裝置剖視圖

高壓水經液體入口進入三通管道中，固體顆粒由固體顆粒入口進入管道，所述錐形噴嘴的內部表面存在均布的條狀凸臺，且由于錐形噴嘴出口的內徑較小，這有利于噴嘴出口渦流的形成，進而在混合區中能夠更加充分地混合固體顆粒，形成漿體通過擴散區噴射，擴散區設有中間窄兩端寬的流線型擴散管，一方面提高了管道的耐磨性，加速漿體噴射，另一方面流線形設計可以有效提高漿體的湍流效應，防止固體顆粒堆積堵塞管道。

2.2.2 入料混合裝置內部流場仿真

通過提取裝置內壁形狀文件，生成的內部流場如圖3所示;流場分為進口與出口兩個部分，進口流場包括流體與固體顆粒兩個部分，通過上述錐形噴嘴后，在入料裝置的混合腔形成固液兩相流漿體，并最終通過出口腔進入拋頭。提取該模型文件導入到Fluent軟件中進行網格劃分并進行相關初始條件設置。

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

圖3 入料裝置內部流場示意圖

圖4 管道流場速度變化曲線

圖5 管道流場進出口壓力變化曲線

圖6 入料混合裝置內部流場速度矢量云圖

通過仿真后發現，入料裝置內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，裝置內部流場很快達到一個相對穩定的狀態，水流在噴射器中形成一個相對穩定的射流中心，速度在錐形噴嘴處最大。流場的湍流強度分別在噴嘴出口處和混合腔的入口處兩側的卷吸區最為強烈，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入錐形噴嘴時，管道半徑驟減所導致的卷吸回流。進入出口腔的擴散區后，射流速度有所下降，流線型的擴散管提高了射流的密度，有利于形成湍流效應，并促進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，并對固體砂粒形成卷吸作用，流線型的擴散管利于形成湍流作用，促進固液兩相流漿體的混合。

3 漿體磨料的破壞機理研究

3.1 磨料破壞機理分析

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程稱為變形磨損;鋼板表面在磨料尖角水平移動時產生接觸點的橫向塑性流動，從而切出一定數量的微體積材料，這個過程稱為微切削磨損。沖蝕是垂直沖擊變形磨損和水平微切削磨損復合作用的結果。

研究認為射流的高能量密集在一個很小的區域內，射流沖擊目標時產生一個沖擊壓力，此壓力將水壓入鱗皮原生裂紋，導致鱗皮破碎、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壓，會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、雜質等缺陷，原生裂紋的長度與晶粒尺寸為同一數量級，顆粒的壓縮強度與原生裂紋的長度關系為:

式中 σc—晶粒的壓縮強度;

f—原生裂紋表面摩擦系數;

k2—原生裂紋尖端2型應力強度因子，N/m1.5;

a—原生裂紋長度的一半。

當沖擊壓力超過壓縮強度后，鱗皮被破碎。

式中 Vd—沖蝕量(kg/mm3);

M—磨料顆粒質量(kg);

α—沖蝕角;

u—磨料顆粒速度(m/s);

P—材料的屈服應力。

從上式可知，要提高固液兩相磨料射流對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

將拋丸過程簡化為磨料垂直沖擊工件表面，將磨料看作剛體，基于對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)。

基于上述磨料對氧化鐵皮的破壞機理分析，仿真過程中采用了氧化鐵皮脫落的臨界點的單元控制，即在磨料侵徹材料過程中，材料達到其屈服強度并產生塑性應變時，相應的單元被去除;仿真時間設置為30s。

建立磨料侵徹鋼板模型如圖7所示。磨料尺寸為:長度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。為了提高計算效率，取磨料與鋼板的1/4模型，在沖擊區域進行局部網格細化，以增加計算結果的精度。

通過不斷改變磨料的速度進行分析，發現當磨料速度為45m/s時，磨料對氧化鐵皮的破壞最為合理;仿真得到的應力最大處如圖8所示，可以看出最大應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，磨料動能被消耗，分別轉化為磨料的內能、鋼板侵蝕單元的動能和內能，30s時系統各部分能量不變即侵徹結束，磨料在第二層停留，并有部分氧化物被去除。

需要說明的是，上述針對流體運動學和砂粒破壞形式的仿真分析僅是對濕法拋丸工藝中宏觀規律性質的探索，仿真設計的參數并未經實驗驗證。

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力分布

4 結論

仿真結果表明，設計采用的入料混合裝置可以增強管道內部流場的湍流強度，有助于液體更為均勻、有效地混合固態砂粒，進而順利進入拋丸裝置。磨料對鋼板的撞擊作用可視為連續磨料流，通過磨料顆粒對鋼板表面的破壞形式仿真，得知磨料速度在45～50m/s時對氧化層的侵徹效果較為理想，此過程中磨料的動能損失轉化為鋼板氧化層的內能，即塑性變形能、彈性變形能、裂紋的傳播和擴展，其中以氧化層的塑性變形能為主。

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