連鑄機板坯噴號機參數(shù)調(diào)整的試驗研究與分析

譚志強，熊 鋼

（武鋼股份設(shè)備維修總廠，湖北 武漢 430080）

武鋼某煉鋼廠熱坯標(biāo)記系統(tǒng)采用電弧噴涂噴號機。其原理如圖1所示：在噴涂時，兩根絲狀噴涂材料經(jīng)送絲機構(gòu)均勻、連續(xù)地送進噴槍的兩個導(dǎo)電嘴內(nèi)。導(dǎo)電嘴接入電源的正、負(fù)極，并保證兩根絲材端部接觸前的絕緣性。當(dāng)兩根絲材端部接觸時，產(chǎn)生電弧，其溫度約為6 000℃，可使絲材端部瞬間熔化。用壓縮空氣將熔化的金屬霧化并噴在基體表面冷卻、沉積而形成涂層。噴射速度可達200m／s。

噴號機經(jīng)常需要進行調(diào)定的具體參數(shù)有電弧電源的電壓和電流等級、噴涂氣壓和走絲速度。這些參數(shù)直接影響著噴號的效果，以下從現(xiàn)場試驗和理論兩個方面進行分析。

一、參數(shù)試驗

1.電壓、電流對噴號效果的影響

試驗在武鋼某煉鋼廠2流、4流噴號機上進行：在其他參數(shù)進行調(diào)定的前提下，對噴號機電焊機的各檔位進行調(diào)定，并在同一位置拍照比對噴號效果。試驗結(jié)果如下。

(1)4流噴號機電壓參數(shù)調(diào)定試驗見表1。噴號效果見圖2。

表1 4流噴號機電壓參數(shù)調(diào)定試驗

圖2 電壓電流參數(shù)調(diào)定試驗1

(2)2流噴號機電壓參數(shù)調(diào)定試驗見表2。噴號效果見圖3。

表2 2流噴號機電壓參數(shù)調(diào)定試驗

圖3 電壓電流參數(shù)調(diào)定試驗2

圖4 電壓電流參數(shù)顆粒試驗

2.電壓、電流對噴涂顆粒的影響

將4流噴號機固定在起弧點離板坯距離20mm處，分別用不同的電壓、電流檔位對板坯進行手動集中噴涂試驗。噴號效果見圖4。

經(jīng)過試驗，可以得出以下試驗結(jié)果(表3)。

表3 電壓電流參數(shù)顆粒試驗

從該試驗可知，當(dāng)電壓、電流等級越高，其他參數(shù)相同下噴射到鑄坯上的顆粒越大。

3.氣壓對噴涂顆粒的影響

將4流噴號機在同等距離和同等電壓及電流等級下對噴射氣壓進行不同級別的調(diào)定，并分別對鑄坯進行手動定點噴涂。效果見圖5。

圖5 氣壓顆粒試驗

經(jīng)過試驗，可以得出以下試驗結(jié)果(表4)。

表4 氣壓顆粒試驗

隨著氣壓增加，其噴涂的顆粒越均勻和細膩。

二、理論分析

噴號機的噴涂包括兩個過程：第一是兩個金屬絲在噴涂電壓下被短接而產(chǎn)生熱量，將金屬絲融化成熔滴（簡稱起弧過程）；第二是利用壓縮空氣將金屬熔滴吹到鑄坯表面的過程（簡稱噴吹過程）。

1.起弧過程研究

(1)送絲速度

噴號機的走絲電機根據(jù)電機的既定轉(zhuǎn)速將金屬絲送到起弧點。這個過程中，單位時間內(nèi)到達起弧點需熔化的金屬質(zhì)量為：

式中：v絲——金屬絲的走絲速度，

ρ——金屬絲的密度（現(xiàn)場中金屬絲為鋁絲，

d——金屬絲的直徑(現(xiàn)場中d=2×10-3m）。

根據(jù)該公式，v絲越高，單位時間內(nèi)到達起弧點的金屬絲越多，即噴射到鑄坯表面的金屬越多，噴涂效果越好。

(2)噴涂電壓、電流

兩根金屬絲在起弧點被短接升溫直至熔化為金屬液滴。這個過程中金屬絲從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)所需的最小熱量為：

式中：c——金屬絲的比熱容(鋁絲c=0.88×103J/(kg/℃)）；

△t——金屬絲由常溫升高到熔點的升高溫度(鋁的熔點為660.37℃，則△t=660.37-30=630.37℃）；

c——為金屬絲熔化熱(鋁絲c=3.98×105J/kg）。

將以上數(shù)值代入得出Qmin=1.62×104v絲。

金屬絲熔化為液滴過程所需的熱量由噴涂電源提供。噴涂電源有效功率為p=UgIg

式中：Ug——噴涂平均電壓；

Ig——噴涂平均電流。

則電弧的有效功率為Q弧=0.24ηUgIg

式中：η——噴涂電源有效熱系數(shù)。

若要噴涂持續(xù)有效，則要求電弧能提供金屬絲持續(xù)熔化所需的熱量Q弧≥Qmin，即0.24ηUgIg≥1.62×104v絲。從該公式可知，若送絲速度v絲提高，則對應(yīng)的最低電壓、電流等級需提高。如果Q弧＜Qmin，則噴涂電源提供的熱量無法將鋁絲完全熔化，即鋁絲不能穩(wěn)定熔化，將出現(xiàn)火花時斷時續(xù)，甚至無法正常打火。

電弧有如下特性：當(dāng)弧長保持一定調(diào)節(jié)電弧電流，電弧電壓幾乎不發(fā)生變化(如圖6a)；當(dāng)電弧電流保持一定改變弧長大小，則電弧電壓隨弧長增加而增加(如圖6b)。

圖6 電弧特性圖

噴涂電壓Ug實際上反映了兩根噴涂金屬絲尖端間距離的量度，電壓越高代表著金屬絲之間的間距離越大，霧化粒子的粒度越大且霧化粒子具有更高的高斯分布。另外，Ug越高，電源提供的熱量越高，高能量將導(dǎo)致更多的霧化粒子被燒損，尤其是易被氧化的元素，而減少了到達板坯表面的霧化粒子的數(shù)量，熔滴顆粒的沉積率降低。同時噴涂射流的方向性也變差。

噴涂過程中，電弧弧長基本恒定，即噴涂電壓穩(wěn)定。電弧電流則是根據(jù)金屬線材送進速度的變化來自調(diào)節(jié)的：送絲速度增加，電流會增加以提高金屬線材的熔化速度來保證電弧弧長的一定；送絲速度減小，電流會降低以減少金屬線材的熔化。

(3)綜合匹配值

送絲速度、噴涂電壓、噴涂電流是噴涂三要素，對于每臺噴涂電源都有一個最佳的組合值。

該最佳的匹配值是在滿足可靠熔化鋁絲的前提下，單位重量的鋁絲所消耗的熔化熱量最小，即

需使得λ為最小時為最佳值。

2.噴吹過程研究

噴吹過程是由從噴嘴出來的壓縮空氣將金屬熔滴吹散并打到鑄坯的表面而形成沉積。供給的霧化壓縮空氣壓力高，則噴射粒子的霧化程度越高（粒子更細小），霧化粒子飛行速度也越高，噴涂粒子獲得動能就越高，對噴涂粒子霧化和提高涂層與集體結(jié)合強度起積極作用。

提高霧化空氣時需注意，霧化空氣速度高，代表著空氣對電弧的沖擊和熱交換越劇烈，金屬溶液在空氣中逗留的時間越短。若空氣壓力超過了一定供絲速度所能提供的上限，將產(chǎn)生電弧被霧化空氣“吹滅”的現(xiàn)象。

三、結(jié)論

噴號機的走絲速度、電壓電流等級及噴射氣壓對噴號效果有直接影響。就單個參數(shù)而言，根據(jù)分析和試驗可知走絲速度越快越好，但走絲速度提升時電流電壓等級也需要相應(yīng)提升。在滿足連續(xù)打火的條件下，電壓電流等級越低越好，噴射氣壓是越高越好。

但在生產(chǎn)中，要追求各參數(shù)的最佳匹配值，不能盲目追求某一參數(shù)的提高。首先，應(yīng)該根據(jù)噴號機的送絲速度和連續(xù)起弧的條件Q弧≥Qmin得出連續(xù)起弧電壓、電流等級；其次根據(jù)連續(xù)起弧電壓、電流等級選擇最小電壓、電流等級。另外，根據(jù)送絲速度和電壓、電流等級來調(diào)定氣壓，選擇最大的可能氣壓。

在生產(chǎn)實踐中獲得的最佳噴號機參數(shù)(表5)可作為噴號機日常調(diào)定的參考值。

表5 噴號機調(diào)定參考值

[1]王有喜，張勇，張春明，王超.電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010，224：26-29.

[2]黃偉.熱鋼坯電弧噴涂標(biāo)記系統(tǒng)的研制[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3]易春龍.電弧噴涂技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]董學(xué)良.熱鋼坯電弧噴涂標(biāo)記系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.