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钢板表面除锈抛丸机,钢板表面无酸处理设备

2017-07-10 10:34:14 青岛鼎铸重工机械有限公司 阅读

摘要:主要对钢板氧化铁皮抛丸机表面处理技术进行了对比分析,提出了可替代酸洗的钢板表面无酸处理新技术的原理、结构分析及技术特点和广泛的市场前景。

1、前言:

  热轧生产过程中,经终轧及层流冷却后会在表面形成一层由金属氧化物组成的致密覆盖物 ( 俗称“鳞皮”或“锈”) 。氧化铁皮的存在对进一步加工处理会造成影响: 一方面使材料的表面裂缝不易被提前发现,从而使加工出的成品存在质量问题; 另一方面易将氧化铁皮压入金属表面,造成表面质量问题; 此外,坚硬的氧化物的存在,会加速轧辊或拉拔机等后续设备的磨损。

  热轧板卷钢材表面氧化铁皮一般由三层结构组成,最上层为红色三氧化二铁 Fe2 O3 即铁锈层,约占 2% ,中间层为磁性四氧化三铁 Fe3 O4 ,约占18% 和最下层的维氏体( 主要是氧化亚铁 FeO) 约占 80% 。带钢氧化铁皮厚度一般为 7. 5 ~ 15μm,氧化铁皮以下为钢材基体层,其结构如图 1 所示。

图 1	热轧钢材的氧化铁结	放大氧化层结构

图 1 热轧钢材的氧化铁结 放大氧化层结构

为了消除氧化铁皮对金属产品质量的影响,国内外普遍采用硫酸、盐酸及氢氟酸的溶液,通过化学反应溶解金属表面的氧化物( “除鳞”) ,酸洗除鳞产生的酸雾对周边环境产生污染,对生产设施防腐要求高; 排放的酸液处理成本高,会污染周边环境; 采用酸洗除鳞容易造成除鳞不均匀,且金属损失大。为了解决酸洗引起的环境污染问题,科研工作者进行了大量的研究,研制了多种技术和设备,以替代酸洗去除金属表面的氧化铁皮,如电解除鳞、电解研削除鳞、放电除鳞、电子束除鳞、激光除鳞、研磨除鳞、液体喷丸除鳞( 又称高压水喷砂除鳞) 、抛丸除鳞、反复弯曲除鳞以及上述不同方法组合的除鳞方法。从钢材表面单位面积的除鳞量与能耗的关系的角度来讲,这些除鳞方法中以切削法最优,其次是研削法和高压水喷砂除鳞。然而在大规模工业生产中从技术经济综合比较来讲,切削法除鳞难以实现,研削法也因费用高而至今未被广泛应用,酸洗除鳞方法的最大问题是环境污染严重,抛丸法会造成表面凹凸不平,并会对环境造成粉尘污染,反复弯曲法因除鳞率太低,限制了该方法的推广应用,高压水喷砂除鳞因具有环保,厂房和设备要求简单而被受到很大关注,国内部分民营企业和不锈钢生产单位曾实施过该方法,但是其生产效率低也限制了该方法的广泛推广。

  在国外,也有很多国家为改进和提高这些工艺在进行研究和攻关,并寻找有效的新技术和新工艺。其中美国 TMW( The Material Works) 公司经过多年卓有成效的研究和不断改进首先取得了成功,终于在 2007 年 6 月开发并成功应用 EPS( Eco Pickled Surface) 专利新技术,EPS 技术在产品质量、产量以及应用范围上都在表面无酸处理技术领域取得了革命性的进展。

 

2、国内外同类技术的发展情况:

2 .1 、在抛丸技术方面的研究情况:

  抛丸技术是利用高速旋转的叶轮把直径约为1 ~ 2mm 的弹丸抛掷出去,高速撞击零件表面,利用离心力去除零件表面的氧化层。弹丸高速撞击零件表面的同时,造成零件表面的晶格扭曲变形,使表面硬度增高,因而抛丸常用来对铸件进行表面清理或强化。

  由于传统抛丸工艺经过多年的发展已日趋成熟,并已形成了一套抛丸机的制造标准,但局限于各厂家设备制造质量和精度的不足,导致抛丸处理的效率并不很高,同时应用也并不广泛。国内抛丸设备技术水平较低,总体达到国外上世纪 80年代初期到中期水平。存在的问题是: 可靠性差,故障率高; 能耗高; 作业环境差,环境污染严重; 设备控制水平较低; 易损备件不过关,寿命大概是国外的 1 /5 不到。目前这种传统抛丸技术很难应用在板卷钢材表面除磷方面。

 

2. 2、在高压水喷砂除磷技术方面国内外的研究情况:

  1975 年 4 月,新日铁公司与石川岛播磨重工业公司开始研究 NID 法,即高压水喷砂除鳞和 PV轧机( 前苏联发明的一种异步轧机) 配合的机械除鳞法。1978 年 3 月完成试验研究工作,1979 年正式应用于日本东芝电气公司横滨厂,用来对特殊钢带和铜合金带进行除鳞,1986 年 11 月新日铁公司、广田钢铁厂建设投产了世界上第一套除鳞—冷轧—退火联合机组,其除鳞设备由 PV 轧机和 N ID 装置组成。当 PV 机组延伸率为 3% ~7% 时,除鳞时间可缩短 1 /4 ~ 1 /5。采用 PV 轧机与 N ID 设备配合除鳞所需要的费用,比传统盐酸酸洗低 60% 左右,除鳞机组长度缩短约 1 /3,此后,美国、西德、英国、法国、意大利等相继在冷轧生产中应用高压水喷砂除鳞技术。

  在国内,长砂矿山研究院在对高压水射流技术的应用研究上积累了丰富的现场经验,并在1990 年开始研究高压水喷砂除鳞技术,1994 年在湖南涟源钢铁集团公司五轧厂成功地用于钢坯、圆钢的除鳞。高压水喷砂除鳞技术在涟钢五轧厂的成功应用,不仅为圆钢和钢坯提供了一种在常温下实现高质高效除鳞的方法,而且也为带钢、钢板、线材除鳞采用先进工艺提供了经验。

图 2	高压水喷砂除鳞工作原理


图 2 高压水喷砂除鳞工作原理

  高压水喷砂除鳞装置由高压泵产生的高压水射流在喷射到金属表面之前,与磨料混合在一起,打击到金属表面,利用高压水的能量,使磨料猛烈冲击钢材表面,将钢材表面的氧化铁皮清除干净,其工作原理见图 2。

  高压水喷砂除鳞技术目前在国内已有很广泛的研究,并取得一些研究成果和专利技术,并有部分小型企业采用该方法除磷。在 2011 年 6 月投产的长海不锈钢有限公司年产 60 万 t 不锈钢薄板项目上采用了该高压水喷砂除磷技术。

 

3、无酸处理新技术( EPS) 的研究:

3 . 1 、EPS 工作原理:

  钢材表面无酸处理新技术是在通过不断的试验基础上发展而来的,其原理是在一个或多个密闭的空间内,采用无酸处理装置进行表面处理,由工作介质即钢砂和水的混合物对板卷钢材上下表面进行喷射处理,在一定喷射力的作用下去除钢材表面的杂物或氧化铁皮,因此,能使钢材表面成为光滑、清洁的无酸表面,更主要的是在无酸处理工艺后还可继续进行冷轧、连续热镀锌等工艺,从而使其应用范围更加广泛,生产能力也将进一步得到提高。其工作原理如图 3 所示。

图 3	EPS 工作原理图            图 4	钢砂形状

图 3 EPS 工作原理图  图 4 钢砂形状

喷射的介质是特殊的很硬的钢砂和水,钢砂具有很高的硬度,大小在 0. 30 ~ 0. 71mm 之内,可以自动循环使用 1000 次,并且与水混和,由专门的装置通过管道供给旋转叶轮,分别对钢板上下表面同时进行喷射,由于喷射介质是由水和细小的钢砂组成,形成的 EPS 介质喷射幕能均匀喷射到钢板表面上,介质产生喷射力使表面氧化铁皮完全清除,并形成绿色清洁表面。喷射介质中的钢砂大小形状如图 4 所示。

 

3. 2、结构研究:

  EPS 专机是钢板表面无酸处理新技术的核心设备,图 5 是 EPS 专机外形布置图,每套 EPS 专机配置有上下二个喷射系统,一个喷上表面,一个喷下表面和共用介质喷射循环系统、分离系统等。喷射系统由八套湿法抛砂机和入料喷射装置组成,上下各四套。

图 5	EPS 专机


图 5 EPS 专机

3. 2. 1、湿法抛砂机的结构参数:

  湿法抛砂机主要由驱动电机、分丸轮、定向套、叶片、进丸管等构成。主要是参考了现有抛丸器产品,并对其结构进行了改造以满足湿法抛砂工艺的机械要求,参数的选取与设计,采用经验法和分析综合法,主要参数如下:

( 1) 叶片: 叶片宽度 b 由标准选定,我国的标准 有 62mm、80mm、100mm、120mm 四种,规格62mm 的叶片在市场较为常见。

( 2) 叶轮直径: 叶轮外径 DH 由标准选定,目前我国抛丸器外径标准主要有 360mm,420mm,500mm,560mm 四种。叶轮外径不但决定了抛砂机的结构大小,更是影响砂浆的抛射速度的重要参数,因此也是决定板材表面处理效果的重要因素。

叶轮内径 D0 ,由RH R0 ,并考虑结构因素,取D0 = 0. 4DH叶轮内径会影响到定向套及分丸轮规格的选取,进而影响到抛砂量及抛射效率。

( 3) 定向套: 定向套的作用是使分丸轮中的弹丸只能通过定向套窗口被喂送给抛丸叶片,经抛丸叶片加速后被抛射出去,使抛出去的弹丸喷射至在某一特定范围内。

定向套外径 dT ,依据下式选取:

dT = D0 - 6ds式中 ds —砂粒直径。

  定向套外径要与叶轮内径保留一定间隙,以免叶轮高速旋转时产生振动与定向套发生干涉;但间隙不能过大,过大的间隙会导致砂浆粒从定向套窗口飞出时没有被叶片承接住而从间隙内逃逸,造成砂浆堵塞在定向套与叶片根部的现象。

  定向套窗口宽度 B 及窗口开度 αT : 我国目前主要有两种 αT = 55°和 αT = 60°,窗口宽度 B 则按照经验公式计算:

B = ( 0. 9 ~ 0. 95) b

窗口过小,则叶片磨损不够均匀,叶片没有被完全利用; 如果窗口过大,那么窗口飞出的部分砂浆将不被叶片承接,无法加速抛出,降低了弹丸的使用率。

( 4) 分丸轮: 弹丸进入分丸轮后,在离心力的作用之下,从分丸轮窗口壁的表面滑过。其中一部分弹丸从定向套窗口被喂送到叶轮叶片上,然而随着分丸轮的转动将有一部分弹丸没能飞出定向套窗口而到达分丸轮和定向套之间的间隙,形成阿克肖诺夫弹丸堆,其截面为等腰直角三角形,柱长等于分丸轮窗口的宽。

分丸轮外径 dH 由下式计算确定 dH = dT - 2δ - 6ds式中 δ—定向套壁厚。

 根据目前制作叶片及定向套材料来看,通常壁厚取 6 ~ 10mm; 分丸轮与定向套之间要留出足够的间隙,以为砂浆要在这个空间内进行加速,间隙过小会产生砂粒之间的挤压与碰撞,从而导致砂浆的动能损失,并消耗了电机的功率。

分丸轮内径: d0 = ( 2 /3 ~ 3 /4) dH 分丸轮的内径决定了抛丸器的抛丸量,因此在保证结构紧凑的情况下,尽量选择大的分丸轮内径,提高抛砂量和抛射效率。

( 5) 叶轮圆盘: 叶轮圆盘直径: D1 = 0. 75DH ;目前国内主要有两种叶片圆盘: 单叶轮圆盘和双叶轮圆盘。

( 6) 最大抛丸量 Q: 根据经验数,对于叶片宽度为 62mm 的抛丸量: Q = 10( d0 - 40) ( kg /min)由上式可看出,当已知抛丸量时,可反推算出抛砂器抛头的各结构参数。

( 7) 进丸管: 进丸管下口的内径: d1  = ( 1. 05~ 1. 1) d0 ( mm)进丸管下口内径应该要比分丸轮内径稍大,如果进丸口内径小于分丸轮内径,那么分丸轮将不能被充分利用,达不到最大抛丸量。进丸管上口的直径: d2 = kd1式中 k—扩张系数。为了不产生堵砂现象,进丸管上口一般要大于下口直径,k 通常取 1. 3 ~ 1. 5。

( 8) 抛丸器所需电动机功率: 可按下式进行近似计算,查[1]现代机械设备设计手册( 第三卷)公式N = 4. 428Qn2 DH 2 C × 10 - 8式中 N—抛丸器所需电动机功率 /kW;Q—抛丸量 /kg /min; n—抛丸器叶轮转速 /r /min;DH —抛丸器叶片旋转圆外径 /m;C—修正系数,取为 1. 3 ~ 1. 4。

( 9) 浆体初速度 v0 : 近似计算,查[1]公式v0 = 0. 068DH n式中 v0 —弹丸初速度 /m·s - 1 ;DH —抛丸器叶片旋转圆外径 /m; n—抛丸器叶轮的转速 /r·min - 1 。

  综上述,取抛砂量 Q = 771kg /min,砂浆抛射速度 v = 45m /s,砂粒直径取 d = 1mm,则代入以上各公式得:

   分丸轮内径 d0 = 117mm,分丸轮外径 dH = 156mm; 叶轮内径 D0 = 184mm; 叶轮外径 DH = 460mm; 定向套外径 dT = 178mm; 叶轮圆盘直径D1 = 150mm。

   参考已有抛丸器产品,取国家标准叶轮外径DH = 500mm,则逆向推出 D0 = 200mm,dH = 172mm,d0 = 129mm,dT = 194mm,理论抛丸量 Q = 890kg /min; 则设计的抛砂机理论模型如图 6所示。

 

3. 2. 2、入料喷射装置:

  设计的入料喷射装置如图 7 所示,由一个三通管道、锥形喷嘴和流线型扩散管组成,管道一端称为液体入口,接循环水,另一端为固体颗粒入口,接固体颗粒介质。

 图 6	抛砂机模型 图 7	入料喷射装置示意图及剖视图  1-三通管道; 2-液体入口; 3-固体颗粒入口; 4-浆体出口; 5-锥形喷嘴; 6-流线型扩散管; 7-混合区; 8-扩散区; 9-喷嘴条状凸台; 10-锥形喷嘴出口


图 6 抛砂机模型   图 7 入料喷射装置示意图及剖视图

 1-三通管道; 2-液体入口; 3-固体颗粒入口; 4-浆体出口; 5-锥形喷嘴; 6-流线型扩散管; 7-混合区;

8-扩散区; 9-喷嘴条状凸台; 10-锥形喷嘴出口

  循环水经液体入口进入三通管道中,固体颗粒由固体颗粒入口进入管道,所述锥形喷嘴的内部表面存在均布的条状凸台,且由于锥形喷嘴出口的内径较小,这有利于喷嘴出口涡流的形成,进而在混合区中能够更加充分地混合固体颗粒,形成浆体通过扩散区喷射,扩散区设有中间窄两端宽的流线型扩散管,一方面提高了管道的耐磨性,加速浆体喷射,另一方面流线形设计可以有效提高浆体的湍流效应,防止固体颗粒堆积堵塞管道。

 

4、无酸处理新技术( EPS) 的特点:

4 . 1、EPS 研究成果与其他钢板的比较:

  同一卷热轧板经酸洗和 EPS 处理的表面效果比较如图 8 所示( 左侧为热轧后表面,中间为酸洗,右侧为 EPS 后表面) 。

 图 8	EPS 产品与其它产品表面质量比较

图 8 EPS 产品与其它产品表面质量比较

根据用光谱对热轧板氧化物去除情况确认如图 9 所示。同样通过光谱对酸洗和 EPS 后的表面进行检测也得到相同结论,EPS 后的表面波纹要比酸洗后的表面波纹小,如图 10 所示。

图 9	热轧板表面含氧	处理后氧量峰值没有了  图 10	酸洗后表面波纹	EPS 后表面波纹

图 9 热轧板表面含氧 处理后氧量峰值没有了  图 10 酸洗后表面波纹 EPS 后表面波纹

4. 2、EPS 技术的优点:

1) 经 EPS 加工的表面能达到更清洁,光滑的表面。

2) 能达到完全环保的产品,可替代酸洗,消除了酸洗过程中有危害的盐酸。

3) 设备及生产运行总成本大大低于酸洗和涂油生产线。

4) EPS 生产线占地面积也比酸洗和涂油生产线小的多。

5) 经 EPS 处理的钢板表面不需要做任何涂油处理,钢板在一般情况下保存 180 天不会生锈。

6) 部分热轧板经 EPS 处理后可直接替代冷轧板使用,可以实现以热代冷的效果。

7) EPS 产品可经冷轧加工,也可与冷轧组成生产线,甚至可在大型酸洗冷轧生产线上增加EPS 机,使生产效率更高,更加灵活,方便。

8) EPS 产品也可经连续热镀锌,更有利于以热代冷的推广。

9) EPS 板具有更优越的抗腐性能。


5、结语:

  随着市场对热轧板卷表面质量要求的不断提高,清洁生产及生态产品等环保理念的逐渐深入,为彻底消除带钢酸洗生产线中酸性物质对环境的污染,减少传统带钢表面处理过程中的经济投入,采用无酸表面处理新技术将成为行业未来发展的必然趋势。

    EPS是当前板卷钢材表面加工的最新工艺,由于它加工出来的产品质量好,成本低,又可完全替代酸洗等,更是一项全环保型的新工艺、新技术。通过EPS技术生产出来的钢铁产品至今己在北美、欧洲和澳洲等国家和地区开始推广应用。因此,作为一项能对钢铁产业产生革命性影响的技术,该技术将具有比较广阔的推广前景。

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