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第 8 卷
2020 年
6 月刊
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第 8 卷- 2020 年 6 月刊
抛丸除锈设备在线材表面清理工序的实际应用



表1:叶片宽度对应的线径 /mm


图1:抛丸器布置及抛射带示意图


图2:分区内置抛丸室结构可以降低运行费用


图3:酸洗与抛丸处理后的宏观表面


图4:酸洗与抛丸后粗糙度比较

采用传统化学酸洗工艺处理的线材表面质量不稳定,且环保运营成本高,作为替代的抛丸表面清理工艺近年来得到了快速的发展应用。介绍抛丸除锈设备工作原理、形式、结构及特点。着重对常用单线抛丸设备的结构、工艺参数和处理后线材表面质量进行分析。以Φ7.0 SUM24L快削钢为例,经单线抛丸的线材表面均匀一致,粗造度为Ra14.10,氧化物的残留为ASa2.5~3,符合线材产品后续加工要求。线材抛丸工艺技术解决了传统化学酸洗处理表面质量不易控制的难点,解决了广大中小企业环保不过关的续存难题,也为线材生产线实现在线探伤、热处理、连续拉拔等全工序、全流程的连续生产线的整合创造了条件。

1 问题提出

表面除锈是线材加工过程必不可少的重要工序。传统线材表面除锈工艺采用化学酸洗的方法,影响这种工艺的因素较多,如配酸比例、酸洗一定量后酸液中金属含量变化(俗称酸液钝化)、温度、时间等,线材的表面质量难以保证。此外,酸洗过程产生的酸雾、含酸废水需处理达标排放,不仅技术难度大且投资运行成本高。因此,这种传统的工艺逐渐被升级改造,甚至被替代。
基于抛丸技术可以避免酸洗工艺的诸多难点,作为一种替代工艺,其技术与装备已日趋成熟。目前,国内金属制品行业选择抛丸工艺用于线材表面除锈已被广大钢企所接受。

2 抛丸除锈设备原理及构成

2.1抛丸除锈原理
采用物理打击方式,利用抛射丸粒打击线材表面使附着在线材表面的氧化皮脱落,达到清理的要求。
线材进入抛丸区域时,定量的经过抛丸器高速旋转抛射出来的弹丸密集击打在钢材表面,造成对钢材表面的强力冲击和摩擦,使其表面的氧化皮、锈层及其它粘着的污物迅速被击打、脱落,线材表面获得一定粗糙度的光洁表面,达到所需要的清除表面氧化层的效果。

2.2抛丸设备结构
由于抛丸丸粒是高速抛射的,所以整个抛丸清理过程必须是在一个封闭的装置内进行。一般的抛丸除锈设备由抛丸机主机(包括抛丸室、弹丸循环输送机构、抛丸器等)、除尘装置及线材输送装置等组成。
抛丸机主机结构:抛丸室(清理室),钢结构件焊接而成,内壁衬有耐磨防护板形成分区内置结构;弹丸循环输送机构,由置于清理室底部的螺旋输送、提升机、弹丸分离机构及弹丸流量调整装置等组成;抛丸器,由溜丸管、分丸轮、定向套及叶轮装置等组成,按照所需清理的线材规格组距、进料形式,为达到全表面无死角的抛丸要求设计确定抛丸器的数量及布置[1-2]。

2.3抛丸设备工作原理
抛丸过程中,经弹丸流量调整装置定量供给的弹丸连续不断的由溜丸管进入分丸轮,分丸轮与叶轮同步高速旋转,弹丸经定向套上狭口无冲击地被分配到每一个叶轮的叶片上被加速后高速抛出。狭口的位置可通过转动定向套进行位置调整以决定弹丸流的抛射带方向,实际的弹丸流量根据电机负荷由电流表测出。
散落下来的弹丸、尘及被打击脱落的钢材表面氧化皮等混合物经螺旋输送机汇集于提升机下部,再提升到机器上部的分离器进行筛选后,纯净弹丸落入储料斗中,实现再次被循环使用。抛丸清理中产生尘埃,由抽风管送向除尘系统净化处理后,达到环保要求的粉尘被排放到大气中,由于粉尘均为颗粒状物,仅需选择合适的布袋除尘器即可达标排放[3-5]。

3 线材抛丸形式及应用

3.1整捆抛丸
线材在抛丸清理过程中,整捆线材作“上下起伏+左右摆动+正反旋转”的复合动作,使得整捆线材的每一根线材的全部外表面均能处于抛丸弹丸的抛射范围内,得到弹丸束的有效打击,抛丸室一般配置不同角度不同断面位置布置的6~8台抛丸器,电机功率22~30kW。弹丸抛射在整捆线材的外圈,并抛射到线材与线材间经线材起伏摆动产生的间隙中,完成对每圈线材全面的覆盖。
这种方式的抛丸处理效果受到线材直径影响较大,线材线径越小(小于10mm)依靠线材起伏摆动产生的间隙越难,导致成捆线材内圈的除锈效果越差,氧化皮局部残留不受控制;还会造成线材表面的硬度不均匀,被充分抛到的表面极易被氧化,生成一层薄薄的表面氧化膜,以至于影响到下道线材磷化处理工序中的钝化层。
因此,线材整捆抛丸不能与拉拔机联线使用,也不能完全替代酸洗。

3.2成组多线抛丸
工艺流程:放卷→热处理→水淬→空冷→多根抛丸处理(原酸洗工位)→磷化→收卷。
抛丸室一般配置不同角度不同断面位置布置的4~6台抛丸器,电机功率18.5~22kW,弹丸抛射的扇形面覆盖线材通过的整个宽度,一次最多40根。
这种方式的线材抛丸处理效果对每根线材都是全覆盖的,无死角,处理效果好、效率高,可以达到传统酸洗去除线材表面氧化皮的效果。
适合与热处理设备相结合,组成联合生产线。

3.3单线抛丸
线材经过开卷、放线、予矫直以单根形式进行抛丸处理,抛丸室一般配置不同角度不同断面位置布置的4台抛丸器,电机功率11~22kW,弹丸抛射可完全均匀覆盖线材的整个圆周表面,是目前较为广泛应用的线材表面处理(抛丸除锈)形式。
这种形式的线材抛丸表面处理,处理效果好、表面质量均匀统一,在实际生产中去除线材表面氧化皮的效果优于传统的酸洗工艺,设备操作简便,可通过调整丸粒量大小和抛射速度(抛丸器转速)来固化操作参数,可避免酸洗工艺(如过酸)带来的缺陷。
表面上看单根抛丸似乎效率较低,但可根据后续的工艺要求通过提高线材的输送速度来保持较高的生产效率。这种形式的抛丸机设备还可直接与联合拉拔机或倒立式拉丝机形成联合生产线,是无酸洗无磷化“精准抛丸”的首选。

4 单根在线线材抛丸机结构、工艺及使用效果

4.1结构

4.1.1抛丸器
配置四台11~22kW的内置抛丸器,适用线径3~40mm,可根据线径大小更换不同宽度的叶片(表1),有利于提高弹丸利用率,四台抛丸器分上下左右布置,抛射带对线材表面形成360°覆盖,如图1所示。

4.1.2清理室
清理室为大容腔板式箱形组焊结构,室体内壁衬有耐磨防护板,清理作业在密闭的容腔内进行。充分利用弹丸反弹功能,继续有效地击打线材表面,有利于提高清理质量与清理效率。装有4台内置式QY-120抛丸器,线材的每一个截面都能经受两次以上的抛射,杜绝阴阳面的产生。在抛丸直射部位加衬一层高锰铸钢护板形成分区内置结构,可以降低运行成本(图2),两端附室做加长处理,装有螺旋密封保证丸尘不外溢,同时还可消除弹丸与线材摩擦产生的弱磁性。

4.1.3弹丸循环输送机构
(1)分离器。由旋风+风选式分离器,分离效率不小于99%,保证洁净的钢丸回用。是抛丸机的关键部件,它直接影响抛丸器叶片的寿命及抛丸后的表面效果。
(2)提升机。提升机下部进料口与螺旋输送器连接,上部出料口通过溜槽与分离器相连,实现弹丸的垂直输送。
(3)螺旋输送器。将弹丸水平输送至提升机的下部,它是弹丸循环系统中的重要部件,螺旋轴要严格保证同轴度,螺旋叶片应保证耐磨性。螺旋输送器要输送彻底,正常的弹丸堆积不超过20%。
(4)弹丸流量调整装置。气缸控制,气缸行程可调,与抛丸器的转速配合实现手动或自动调整抛丸量和抛射速度,达到合适的表面粗糙度。主要由闸门、控制汽缸、传动螺杆。可根据钢种、线材规格和线材运行速度,并结合改变抛丸电机的频率,参考电机的负荷(电流值)自动将供丸量和抛射速度调整到合适,保证线材表面的清理效果。

4.2主要工艺参数
抛丸量。取决于电机功率和叶轮转速,是抛丸器性能的重要指标,决定了线材抛丸后的表面质量。在抛丸过程中需根据钢种、线径和线材运行速度来调整抛丸量,可通过调节气缸螺杆的行程手动调整抛丸量,手动调整对工人的操作水平要求较高;自动调整是通过改变抛丸电机的频率继而改变叶轮转速来实现抛丸量的调整,自动化程度高。XQ-II型线材抛丸机已经完全实现自动调整,工人只要从触摸屏的下拉菜单中选择钢种、线径和线材运行速度,抛丸电机自动对应相应的频率,从而实现“精准抛丸”。

4.3抛丸后表面质量

4.3.1表面粗糙度
实验采用Φ7.0 SUM24L快削钢,酸洗与抛丸处理后的表面如图3所示,肉眼可见抛丸后的表面比酸洗后表面光滑致密。

粗糙度是评定表面质量的重要参数,特别是抛丸后进行表面探伤的线材;表面粗糙度的大小取决于弹丸线速度和弹丸直径,合适的粗糙度也有利于后续的拉拔作业。抛丸后粗糙度为Ra14.10,符合GB/T 6060.3-2008对粗糙度的要求Ra12.5~25,经过后续拉拔、抛光等工序,粗糙度和酸洗处理后粗糙度基本相当,如图4所示。

4.3.2表面氧化物的去除率(表面清洁度)
氧化物的残留,特别是里层的氧化铁会直接缩短拉拔模具的寿命同时会影响拉拔后的产品精度。抛丸后一般可达ASa2.5~3。

4.3.3线材表面硬度
弹丸对线材表面的冲击会产生冲击硬化现象,通过控制弹丸的线速度可有效控制线材的表面硬度,一般抛丸后表面硬度增加≤2%。

5 结论
抛丸技术的不断发展不仅为钢企对于线材表面处理的手段提供了更可控、更环保、更经济的选择,也为线材生产线实现在线探伤、热处理、连续拉拔等全工序、全流程的连续生产线的整合创造了条件。



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