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風(fēng)機葉片材料磨損試驗的研究分析論文
1引言
由于風(fēng)機經(jīng)常輸送含塵氣體，如除塵風(fēng)機、循環(huán)風(fēng)機等，葉輪因磨損其使用壽命僅為數(shù)月。尤其在燃煤發(fā)電廠使用的鍋爐引風(fēng)機和煤粉風(fēng)機，雖然含塵粒度和含塵量小很多，但對葉片和葉輪材料的耐磨性提出了特別高的要求，以保證發(fā)電廠能持續(xù)運行。為了避免由于風(fēng)機動葉片和葉輪的磨損而破壞風(fēng)機使發(fā)電廠停運，所以，對風(fēng)機葉片和葉輪材料及附加的耐磨措施進行研究顯得尤為重要。
針對風(fēng)機葉片磨損問題，有對葉輪內(nèi)流計算，利用數(shù)值模擬技術(shù)，研究葉片磨損機理;有研制葉輪耐磨材料，也有進行噴涂工藝的應(yīng)用研究。
通過對影響葉片磨損的關(guān)鍵因素(葉片材料、噴射角、噴射物、耐磨材料及堆焊技術(shù))進行試驗分析。以往耐磨研究范圍較小，一般是理論上的兩相流計算，也有單一領(lǐng)域的試驗研究。然而，材料磨損試驗臺的最大特點是可以進行大范圍的各種對比磨損試驗:改變氣流速度和噴射角、改變材料的表面特性、結(jié)合兩相流計算或?qū)Σ牧蠂娡抗に囇芯康尿炞C等，其試驗材料的重量損失能直觀地反映出相應(yīng)的磨損量。試驗成果將有助于對風(fēng)機葉片和葉輪采用更有效的耐磨技術(shù)，提高風(fēng)機動葉片和葉輪的使用壽命。
2試驗原理
磨損試驗的工作原理是當(dāng)一股具有一定壓力的壓縮空氣進入混合器時，砂箱中的粒子由于重力和虹吸的作用也進入混合器，氣流和粒子的混合體經(jīng)過噴嘴噴射在試驗箱中的試驗材料上。試驗材料可以隨“可移動蓋板”和“可轉(zhuǎn)動蓋板”來調(diào)節(jié)離噴嘴的距離和噴射角度，以便測得不同速度和不同入射角下，粒子對材料的磨損狀況。廢棄可通過除塵器來凈化，最后被風(fēng)機排出管道。
3試驗條件
3. 1試樣的尺寸和材料
所有試樣的磨損面尺寸均為150mm x150mm x 10mm;試樣的材料選用普通葉輪的基本材料:Q235A,16Mn、球墨鑄鐵、鑄鋁合金;噴焊耐磨試驗材料選用動葉片的常用材料:16Mn和15 上噴焊1.2 mm厚度的耐磨材料Hagtel-lite8粉末;堆焊試驗材料選用葉輪基本材料Q235 A上堆焊焊條材料為717,856 517和Fe –O2。
3.2噴嘴速度
為了進行對比試驗，在所有試驗中，要使均壓罐中壓力保持穩(wěn)定在1.2kg/c廳，即相當(dāng)于氣流速度為85m/s(此值是在噴嘴后180mm處測得的)。
3.3噴射物
為了遵守同樣的試驗條件，噴射物只可以使用一次。噴射物為石英砂，其化學(xué)成分為:99.5%SiOZ，其粒度分布如下:200-300 m占15% ;100-200m占70% ;100m以下占15% 。
3.4噴嘴
噴嘴采用德國某公司生產(chǎn)的專業(yè)噴嘴，其內(nèi)徑為10mm，這種噴嘴是經(jīng)過碳化硼硬化處理的，由此而達到較長的壽命，能保證均勻的噴射和相同的試驗條件。
3.5噴射距離和噴射物量
在所有試驗中，噴射與試驗面的距離為180mm，噴射物每次為6kg，因此，在所有試驗中均具備相同的條件。
3.6噴射角度
沖擊式噴射磨損主要產(chǎn)生在動葉片的前緣部分，而傾斜式和平射式噴射磨損是在動葉片的壓力面上最易發(fā)生。本文對各材料選典型的噴射角為150,300,450,600,75傾斜式噴射磨損和噴射角為90的沖擊式噴射磨損的情況下進行，以獲得各噴射角下的試驗曲線，并有助于流道內(nèi)兩相流數(shù)值模擬計算時，避免含塵氣流在磨損量較大的噴射角下撞擊葉輪和動葉片。
4耐磨特性的分析
4.1葉片基本材料的耐磨性比較
記錄了各種試驗材料在不同噴射角下所發(fā)生的體積磨損。
此外，若在整個噴射角范圍按耐磨性來編排試驗材料，則次序為:(1) 16Mn; (2) Q235A; (3)球墨鑄鐵;(4)鑄鋁合金(ZL104)。
由此可得:在氣流速度、粒子顆粒等其他條件不變的情況下，材料的磨損量不僅與噴射角有關(guān)，而且跟材料特性有關(guān)。塑性材料和脆性材料表現(xiàn)不同，在噴射角小于300時，脆性材料(鑄鋁合金、球墨鑄鐵)比塑性材料(Q235 A,16Mn)磨損量更大。
4.2葉片基本材料加上磨損保護層后的耐磨性比較
對葉片基本材料16Mn和15 MnTi鍍上耐磨層后，與基材進行耐磨試驗比較。當(dāng)噴射角大于45時，加保護層的材料抵抗磨損的能力要比不加保護層的材料小，只有在噴射角小于45時，加保護層的材料抵抗磨損的能力比不加保護層的材料要大。由此可得，材料加保護層，只有在小的噴射角下，耐磨層才能發(fā)揮作用，改善材料的耐磨性。
4. 3堆焊材料的耐磨性比較
對材料為Q235 A及在其表面堆焊耐磨材料進行的試驗比較。采用相同方式的堆焊，其焊條材料分別是717,856,517和Fe-O2 .
當(dāng)噴射角小于40時，堆焊材料后的耐磨性明顯比不堆焊的Q235 A材料要好，特別是用焊條517和Fe-O2做成的堆焊，它們的耐磨性在所有噴射角中始終比不堆焊的Q235 A材料好很多。從各種堆焊材料的耐磨性來看，按耐磨性較好的依次排隊是:Fe -05517，856和717。
從所有Q235 A加上堆焊材料的磨損試驗曲線來看，所有堆焊材料在35-45時，其磨損量達到最大。
5顆粒物和速度對磨損的影響
5. 1噴射物對磨損的影響
用上海某發(fā)電廠的灰塵作為噴射物進行的試驗結(jié)果。從圖可以看出，葉片基本材料的耐磨性情況與采用石英砂進行的試驗結(jié)果相類似。由于灰塵的粒度要比石英砂的粒度小得多，硬度亦小，因而磨損量也相應(yīng)減小。由此可見，材料的耐磨性與噴射物的粒度大小和硬度有關(guān)。
5. 2不同的噴射速度對磨損的影響
調(diào)整均壓罐壓力，改變噴射氣流速度，選用噴射速度40m/s和110m/s，對比原噴射速度85m/s獲得體積磨損量和噴射速度的關(guān)系曲線。
記錄了16Mn材料的體積磨損量與噴射速度的關(guān)系。噴射速度對磨損的影響較大，速度越高，其磨損量也越大，這與通常的理論計算的結(jié)果相吻合。另外，在圖中還可以看出，在相同的速度下，噴射角為300和45時的磨損量較大，與前幾個試驗結(jié)果相似。
6結(jié)論
(1)磨損與含粒子氣流的碰撞角有關(guān)。對一般不加處理的葉片材料而言，如果氣流能平緩地沿著葉片流動，即碰撞角很小，那么，其磨損相對就小;如果氣流碰撞角較大，尤其是處于45時，其磨損就會達到最大。因而，在設(shè)計葉輪時，盡量避免較大的氣流沖角。
(2)磨損與粒子的顆粒直徑、硬度以及氣流速度有關(guān)。兩組試驗曲線對比可以得知，氣流中粒子的顆粒直徑愈大、硬度愈高(如石英砂)，對葉片的磨損就會比顆粒直徑較小、硬度也較低(如電廠煤灰)的磨損大得多。
磨損與氣流速度成正比，氣流速度越大，氣流中的粒子對葉片的磨損也越大;氣流速度越小，氣流中的粒子對葉片的磨損影響就相對小些。
(3)磨損與葉片材料的表面特性有關(guān)，對葉片材料的表面進行處理，其磨損會發(fā)生變化。對葉片材料表面噴焊耐磨層或堆焊，其表面硬度就會提高，在碰撞角較小時，對磨損有較大的改善。而在碰撞角較大時，改善效果不明顯，有時會產(chǎn)生更大的磨損。因此，對葉片材料進行表面處理，只有在氣流碰撞角較小時才適應(yīng)。
在設(shè)計葉輪時，應(yīng)結(jié)合葉輪兩相流理論，分析計算粒子碰撞葉片的速度和角度，以便對葉片分段采取耐磨措施。在粒子的碰撞角較小、且比較密集的區(qū)域，應(yīng)采用噴焊耐磨層或堆焊Fe – O2等材料的方法，使表面硬度提高，改善磨損性能。而在粒子碰撞角較大處，可采用堆焊硬度較低的材料來改善磨損。本文的試驗研究成果對輸送含塵氣體的風(fēng)機葉輪、葉片的設(shè)計和耐磨工藝應(yīng)該有較好的參考價值。
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