風機葉片材料磨損試驗的研究分析論文
1引言
由于風機經常輸送含塵氣體，如除塵風機、循環風機等，葉輪因磨損其使用壽命僅為數月。尤其在燃煤發電廠使用的鍋爐引風機和煤粉風機，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，以保證發電廠能持續運行。為了避免由于風機動葉片和葉輪的磨損而破壞風機使發電廠停運，所以，對風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。
針對風機葉片磨損問題，有對葉輪內流計算，利用數值模擬技術，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用研究。
通過對影響葉片磨損的關鍵因素(葉片材料、噴射角、噴射物、耐磨材料及堆焊技術)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、結合兩相流計算或對材料噴涂工藝研究的驗證等，其試驗材料的重量損失能直觀地反映出相應的磨損量。試驗成果將有助于對風機葉片和葉輪采用更有效的耐磨技術，提高風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“可轉動蓋板”來調節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定在1.2kg/c廳，即相當于氣流速度為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的專業噴嘴，其內徑為10mm，這種噴嘴是經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，并有助于流道內兩相流數值模擬計算時，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，而且跟材料特性有關。塑性材料和脆性材料表現不同，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
用上海某發電廠的灰塵作為噴射物進行的試驗結果。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。
5. 2不同的噴射速度對磨損的影響
調整均壓罐壓力，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系曲線。
記錄了16Mn材料的體積磨損量與噴射速度的關系。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，與前幾個試驗結果相似。
6結論
(1)磨損與含粒子氣流的碰撞角有關。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。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，對葉片材料的表面進行處理，其磨損會發生變化。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。
在設計葉輪時，應結合葉輪兩相流理論，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、且比較密集的區域，應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機葉輪、葉片的設計和耐磨工藝應該有較好的參考價值。
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