郭 瑞 周存龍 韓賀永 張校誠 李董超

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室 山西太原030024)

高壓混合漿除鱗中噴射角和噴距對軋件沖擊力的影響研究①

郭 瑞②周存龍 韓賀永 張校誠 李董超

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室 山西太原030024)

在高壓混合漿去除氧化皮過程中，射流對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軋件沖擊力，傳統(tǒng)的解析方法難以快速確定這兩個因素的作用效果?；诙嘞嗔鞯臍W拉模型和標準k-ε方程，采用ANSYS-FLUENT軟件對噴嘴的外部兩相流場進行仿真模擬，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時射流對軋件沖擊力的影響關系，結果表明，噴射角為60°時射流對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，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)設計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)無酸除鱗技術[1]。

在高壓混合漿除鱗過程中，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軋件的沖擊力等等。對于一種已配置好的混合漿，文獻[1]認為由于噴嘴到軋件表面距離增大后噴射面積將會增大，可以用更少的噴嘴數量達到同樣的噴射面積，而噴嘴數量減小則會使高壓水泵的數量隨之減少。但是噴射距離的增大必然會引起射流沖擊壓力的減小，故想要達到相同的除鱗效果必須降低板帶的運動速度，這將引起除鱗效率的降低。同樣的，在批量生產過程中若要提高生產效率、加快板帶運行速度，則需增加系統(tǒng)高壓水泵數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量，是確定高壓混合漿系統(tǒng)設計的關鍵，目前國內外關于高壓磨料射流的研究在切割及破巖方面已經較為成熟，但對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置對除鱗系統(tǒng)的投資成本和除鱗效率的影響很大，本文將通過有限元軟件FLUENT研究噴射角θ和噴射距離H兩個參數在高壓混合漿射流對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)參數的設計提供理論基礎。

2 數值模擬

2.1 幾何模型建立與網格劃分

扇形噴嘴與其他類型噴嘴相比具有獨特的優(yōu)勢，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。由于噴射過程的三維模型建立難度較大，為了簡化分析，在Fluent專用前處理軟件Gambit中建立可模擬噴射過程的二維模型，并進行網格劃分。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噴嘴后首先進入空氣場，因此需在噴嘴模型出口處建立一個相對較大的方形區(qū)域作為噴射流場。然后，在分析噴射角度和噴射距離對射流沖擊力的影響時，通過改變噴嘴軸線與軋件之間的角度和高度進行建模。最后在射流沖擊軋件的過程中，通過設置邊界條件，采用固定壁面邊界來等效軋件。

二維模型采用Map方式劃分網格，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°。噴嘴部分網格間距為0.1，噴射流場部分網格間距為0.2，不同噴射距離對應的網格節(jié)點數分別為4636、11436、18236、25036個。圖1所示為噴射角90o，噴射距離為20mm的噴射示意圖，圖2為對應的二維網格模型。

圖1 θ=90°，H=20mm的噴射示意圖

圖2 θ=90°，H=20mm的網格模型

2.2 求解設置

進口采用壓力進口邊界條件，設置壓力為30MPa，出口設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。

模擬采用標準k-ε方程的湍流模型和Euler多相流模型，其中兩相流物質分別為水和金剛砂，材料參數設置詳見表1。初始化后進行迭代，計算結果收斂。

表1 材料參數設置

圖3 噴射距離為20mm時不同噴射角下的壓力云圖

3 結果分析

在FLUENT中通過對噴嘴進行外部流場仿真，可以得到不同噴射角度和噴射距離時射流對軋件表面的沖擊力。

3.1 噴射角θ對軋件沖擊力的影響

噴射距離為H=20mm時，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程中的阻力損失，則靜壓力能都轉化成動能。當射流到達軋件表面時，動能都轉變?yōu)閷埣砻娴臎_擊動壓。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，當噴射角增大時壓力也呈增大趨勢。保持噴射距離為20mm，噴射角分別為30°、45°、60°、90°時對應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時不同噴射角度θ下軋件表面的壓力數據，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，最大壓力出現在噴嘴的軸線附近，90°時壓力分布曲線尖而窄，射流對軋件的沖擊壓力比較集中，并且數值較大，此時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，說明一部分射流能量轉化為沿軋件的切向壓力。

圖5所示為由不同工況時軋件表面的最大壓力值得到沖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，壓力減小的趨勢比較明顯，而當噴射角度θ從90°變化到60°時，軋件表面的壓力基本變化很小，即60°時正向壓力與90°時差別不大，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°對應的正向壓力值與90°相比平均差3MPa，為系統(tǒng)壓力的10%；根據切向壓力pτ與正向壓力pN的關系:，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，壓力減小的趨勢比較明顯，而當噴射角度θ從90°變化到60°時，軋件表面的壓力基本變化很小，即60°時正向壓力與90°時差別不大，且在切向方向有一定的作用力。由于在除鱗過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對軋件沖擊力的影響

噴射角θ=60°時，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，初始化后進行迭代，計算結果收斂，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，噴射距離增加，軋件表面的壓力呈下降趨勢。當高度H分別為20mm、30mm、40mm、50mm時對應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°時不同噴射距離下的壓力云圖

圖7為對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，沖擊壓力極速下降，從20d提高到25d時壓力下降幅度區(qū)域緩慢，平均壓力損失為2.1MPa，僅為系統(tǒng)壓力的7%。這是由于此時射流速度耗散已經基本達到最大，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量，節(jié)約投資成本。故除鱗的最佳噴射距離應該大于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Fluent進行仿真模擬，可以得到射流對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，60°噴射角對應的正向壓力值與90°時相比平均差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)當噴射距離從20d增加到25d時，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，此時增加噴射距離既可以節(jié)約成本，同時也保證了除鱗效率。

[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, 張永利, 陳偉雄. 固液兩相射流噴嘴外沖擊流場的數值模擬[J]. 煤礦機械,2008(8): 52-53.

[3]崔俊奎, 趙軍, 李國威等. 前混合式磨料水射流噴嘴外流場仿真與實驗[J]. 煤炭學報,2009(3): 410-414.

[4]衣正堯, 王興如, 劉富強等. 純水射流沖擊性能的CFD建模與仿真分析[J]. 液壓氣動與密封,2012(1): 54-57.

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[9]山天涯, 黃蕓, 安琦. 軋輥冷卻用扇形噴嘴的射流性能[J]. 華東理工大學學報(自然科學版),2012(2): 259-264.

·業(yè)界動態(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，能夠實現諸多安全功能。該產品擁有用戶友好型的拖放式參數配置界面，因而可以輕松自如地創(chuàng)建各種安全功能，并可進行擴展以將測試和故障診斷功能包含在內。Sirius 3SK2安全繼電器有兩款型號，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軟件配置參數的安全繼電器相比更纖巧；另一款寬45mm，最多可實現六種安全功能，該型號配備有故障診斷顯示屏。3SK2故障安全輸出端的功能可以獨立分配。

Sirius 3SK2裝置的典型應用包括急停按鈕、帶鎖防護門以及配備光電式防護傳感器技術的送料系統(tǒng)。此外，該款安全繼電器還可以針對特定需求，輕松實現其他安全應用。同時，視不同需要，用戶可以通過擴展模塊的形式增加故障安全輸出點--甚至無需額外布線。Sirius 3SK2安全繼電器沿襲了Sirius 3SK1系列產品的一大優(yōu)點，可以與傳統(tǒng)工業(yè)控制器輕松結合，例如，可以通過裝置連接器輕松地集成Sirius 3RM1系列電機起動器。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，用戶可非常簡便地實現本地安全功能。

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

國家“973計劃”(2012CB722801)，太原科技大學研究生科技創(chuàng)新項目(20134019)

郭瑞，女，1989年出生，太原科技大學畢業(yè)，碩士研究生，研究方向為現代軋制設備設計理論與關鍵技術

TG155.4

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.003

2015-03-13)