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太原理j j ：大学硕士研究生学位论文 无缝钢管用喷硼砂系统的关键技术研究 摘要 i l l r l l l m r l l l l r l l l l l l m l l l f l r l l ll l l l j i l u l l l l j y 2 15 6 12 7 热连轧无缝钢管内氧化铁皮的产生严重影响了管材的合格率。喷硼砂 系统就是用于去除毛管内氧化铁皮的装置。此装置的工作原理就是借助氮 气将硼砂颗粒吹到毛管内壁，在高温下，产生化学反应，使氧化铁皮脱落， 并在毛管内注满氮气，防止氧气与毛管的进一步接触来达到抗氧化效果。 为了优化设备除氧化铁皮效果，本论文以此套设备为研究对象，对现有设 备的关键技术进行创新改进，从而进一步提高无缝钢管的成品率。 论文对抗氧化系统工作原理进行总结。结合引进的国外设备现状，解决 了硼砂喷吹量的控制、密封件寿命、抗氧化物料的供给方式、工位转换阀 角度、设备的运行状态的监测及装机水平等几个方面的问题。 喷嘴是抗氧化系统喷吹单元的一部分，直接影响着系统的喷吹效果。 论文通过以往经验取值对喷嘴进行改进设计，建立了五种型号的喷嘴物理 模型。结合系统关键技术参数合理确定初始条件和边界条件，借助c f d 软 件仿真新型喷嘴内部流场，确定硼砂经喷嘴喷出是否产生旋流，进而验证 喷嘴的设计是否合理。 论文还建立了不同叶片摆放角度的模型，并对其仿真。通过对比喷嘴 出口速度矢量图，得到各型号喷嘴的最佳叶片摆放角度范围。论文还在己 确定最佳角度范围的基础上，根据系统提供的压力范围确定了各型号喷嘴 出口扩散角的最大最小值，从而得到各型号喷嘴对应的钢管管径范围。 最后借助w i n c c 界面所采集数据，对比新旧喷嘴耗硼砂量的多少，验 证新型喷嘴的可行性。 本论文为企业委托项目，通过对喷嘴的仿真分析与现场采集数据对比， t 太原理工大学硕士研究生学位论文 为企业优化改进喷硼砂系统提供了参考依据。 关键词：无缝钢管，喷硼砂系统，氧化铁皮，流体仿真 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 r e s e a r c h0 fk e yt e c h n o l o g yi n s p r a y i n gb o r a xs y s t e mf o r s e a m l es ss t e e lp i p e a b s t r a c t t h ei r o no x i d es c a l ew h ic hp r o d u c e di nt h eh o tr o l l i n gs e a m l e s s p i p eh a v ea s e r i o u si m p a c to nt h ep i p eq u a l i f i e dr a t e s p r a y i n gb o r a xs y s t e mi sak i n do f d e v i c e ，u s e df o rr e m o v i n gi r o no x i d es c a l e i t sw o r k i n gp r i n c i p l ei sb l o w i n g n i t r o g e ng a st ot h ep i p ei n n e rw a l lw i t hb o r a xp a r t i c l e s ，a th i g ht e m p e r a t u r e s ， b o r a xa n di r o no x i d es c a l ew i l l p r o d u c e c h e m i c a l r e a c t i o n ，a n dt h e nt h e o x i d a t i o ni r o ns h e e to f f , t h es t e e lp i p ef i l l e dw i t hn i t r o g e n i nt h i ss i t u a t i o n ，t h e g a sn i t r o g e np r e v e n tt h eo x y g e nf u r t h e re x p o s u r et ot h es t e e lp i p e i no r d e rt o o p t i m i z et h ee f f e c to fr e m o v i n gi r o no x i d es c a l e ，t h i st h e s i ss e t so fe q u i p m e n ta s t h er e s e a r c ho b je c t ，i n n o v a t i o na n di m p r o v e m e n tt h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ee x i s t e q u i p m e n t ，s oa st o f u r t h e re n h a n c et h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t so fs e a m l e s s t u b e t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs p r a y i n gb o r a xs y s t e mw e r es u m m a r i z e di nt h i s p a p e r w i t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h i sf o r e i g ne q u i p m e n t ，w es o l v e dm a n yk e y t e c h n o l o g yp r o b l e m s s u c ha s ：t h eb o r a xi n j e c t i o nq u a n t i t yc o n t r o l ，t h es e r v i c e l i f eo ft h e s e a l i n ge l e m e n t s ，a n t i o x i d a t i v em a t e r i a l ss u p p l ym o d e ，p o s i t i o n c h a n g e o v e rv a l v ea n g l e ，t h ee q u i p m e n tr u n n i n gs t a t u sm o n i t o r i n ga n da s s e m b l y l e v e l b l o w i n gi so n eo f u n i to ft h ea n t i o x i d a n ts y s t e m ，a n dt h en o z z l ei sap a r to f t h eb l o w i n gu n i t i t d i r e c t l yi n f l u e n c e st h eb l o w i n ge f f e c to ft h es y s t e m t h i s i i i 太原理i ：大学硕士研究生! 学位论文 p a p e rb a s e do n t h ep a s te x p e r i e n c ev a l u e ，m a d es o m en e wi m p r o v e dd e s i g no n t h en o z z l e s e t u pf i v e k i n d so fp h y s i c a lm o d e l c o m b i n e dw i t ht h ek e y t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s o ft h es y s t e m ，d e t e r m i n e dt h er e a s o n a b l ei n i t i a l c o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，u s ec f ds i m u l a t e dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l d o ft h en o z z l e ，m a k es u r ew h e t h e rb o r a xp r o d u c ec y c l o n e w h e ni t s p r a y e do u t t h r o u g hn o z z l e ，s oa st ov e r i f yw h e t h e rt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e t h ep a p e rh a sa l s oe s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e dt h em o d e lw i t hd i f f e r e n tv a n e a n g l e s g o tt h eo p t i m u mv a n ea n g l er a n g eb yc o m p a r i n gt h en o z z l eo u t l e t v e l o c i t yv e c t o r s b a s e do nt h eo p t i m u mv a n ea n g l er a n g e ，i d e n t i f i e dm a x i m u m a n dm i n i m u mv a l u e so ft h en o z z l eo u t l e td i f f u s i o na n g l e ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mp r e s s u r er a n g e a n dt h u sg e tt h ec o r r e s p o n d i n gp i p ed i a m e t e rr a n g e f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ew i n c ci n t e r f a c ed a t a ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f n e wn o z z l eb yc o m p a r i n gt h ec o n s u m p t i o na m o u n to fb o r a x t h i st h e s i so p t i m i z e df o rt h ee n t e r p r i s ei m p r o v es p r a y i n gb o r a xs y s t e m o f f e r st h et h e o r e t i c a lb a s i s t h i sp a p e ri sc o m m i s s i o n e dp r o j e c tb ye n t e r p r i s e i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o r t h ee n t e r p r i s et oo p t i m i z ea n di m p r o v es p r a y i n gb o r a xs y s t e mw h i c ht h r o u g h s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h en o z z l e k e yw o r d s ：s e a m l e s ss t e e lt u b e ，s p r a y i n gb o r a xs y s t e m ，i r o no x i d e ，f l u i d s i m u l a t i o n i v 太原理r 大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 无缝钢管是周边没有接缝、具有中空截面、长度与横断面周长之比较大的一种长条 钢材。它的尺寸范围很广，有很小的毛细管，也有数米的大直径管。在同等抗弯扭强度 条件下，钢管比其他实心钢材重量轻。因此，是经济的截面钢材，所以广泛用于制造结 构件和机械零件，需用最多的就是石油钻采业、冶炼和输送业，其次的就是地质钻探、 机械工业、化工、飞机和汽车制造、家具和自行车、建筑工业、以及锅炉、医疗器械等 方面。近些年来，钢管在国防工业以及经济建设中的地位越来越重要，这是和新兴技术 原子能、导弹、火箭和航空航天等行业的快速发展密不可分的，从而钢管被称为工业“血 管”。 近年来我国无缝钢管的生产速度显著增长。2 0 0 7 年底我国用于生产各种无缝钢管 的生产机组约有4 0 0 多套，产值超过了1 7 0 0 万吨，而产量则有1 8 6 3 万吨；在2 0 0 3 , - - 一2 0 0 7 年间，国内无缝钢管的产量年增长率均高于2 0 ；但与此同时，无缝管的消费率却并没 有随之增长。但是出口量却大幅增加，在2 0 0 7 年出口量达3 9 5 万吨，出口增长率明显产 量增长高进口量持续下降。2 0 0 9 年我国无缝钢管的产量为2 1 7 9 万吨。我国无缝钢管的 总产量已经超过世界- 自i j - 8 个国家的产量总和。占世界总产量的6 1 9 ；截至2 0 0 9 年，据 不完全统计，我国的无缝钢管生产厂家约有1 7 0 多个，热轧无缝钢管的年生产能力大约 为2 4 0 0 万吨。另外，还有1 8 家在建中，这几家年产能大约4 5 0 万吨。由此表明，我国已 经不仅是无缝钢管的生产大国，还是无缝钢管的出口大国【】引。 随国内无缝钢管的生产以及出口量的增长，现有热轧无缝钢管生产技术的发展状况 也引起了国内各无缝钢管公司的注意。 目前我国无缝钢管的生产主要是热轧法，管坯经加热炉加热后送入轨道进行穿孔工 序。在此过程中管坯内外表层与空气中的氧气接触，从而产生化学反应，便生成氧化铁 皮。氧化铁皮吸附在管坯的表面形成氧化层。在芯棒穿入毛管之前，必须对毛管内表面 的氧化铁皮进行处理，因为氧化铁皮会造成钢管内壁出现凹凸不平的疤痕，影响钢管的 质量以及芯棒的使用寿命。氧化皮的产生在管坯轧制过程中是不可避免的，并且过厚过 密的氧化皮在轧管后续加工过程中极其不易消除，这给后续轧管工艺带来很多不便。严 重的还可能会给生产带来麻烦p 】1 8 11 4 1 1 。 1 一一 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 _ 二二二- 图卜1 生产流程图 f i g 1 1p r o d u c t i o np r o c e s sd i a g r a m 图卜1 是热连轧无缝钢管的工艺流程图。在以上几个步骤中，穿孔工序是极其重要 的。经过穿孔这一工序的作用就是将实心的管坯料穿轧成空心的毛管。此过程的工艺要 2 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 求是：保证穿出毛管要有均匀的壁厚，较小的椭圆度，较高的尺寸精度。在无缝钢管生 产过程中，毛管的内外表面要光滑，不能有结疤、裂纹等缺陷，如图卜2 所示为钢管内 结疤图。 图1 2 钢管内结疤图 但在实际生产中，管坯经高温加热，管坯表面与氧气接触就会产生化学反应，从而 生成氧化铁皮，氧化铁皮吸附在管坯的表面就形成了氧化层。 在不同温度条件下，轧件表面生成三次氧化铁皮的成分不同，管坯在热轧前，往往 要在1 1 0 0 。c 1 3 0 0 。c 加热和保温。在此温度下，管坯表面生成1 m m 3 m m 一次氧化铁皮。 一次氧化铁皮内部存在有较大的空穴，当管坯从加热炉出来后，管坯表面碰到高压水后， 因热应力其表面就会开裂。当温度低于9 0 0 。c 时表面的氧化层主要是f e o ，当温度高于 9 0 0 。c 时，随着温度的升高，氧化层中f e o 减少，凡，0 。增多，同时生成凡：o ，氧化层 的厚度变厚1 46 | 。 氧化铁皮的产生在管坯轧制过程中是不可避免的，但是过厚过多的氧化铁皮在管坯 后续加工过程中是不易消除的，而且氧化铁皮的存在还会给管坯的后续工艺带来很多不 便。氧化铁皮的产生会影响成品钢管的合格率，以及下一工序钢管轧制时内变形工具( 顶 头或芯棒) 的寿命。因此，如何有效地去除穿孔毛管内表面的氧化铁皮，减少或防止毛 管内表面的进一步氧化是各热轧无缝钢管企业关注的重点技术之一。 1 2 国内外研究现状 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前，国内氧化皮的去除工艺有2 种： 一种是利用高压水以一定角度打击钢坯表面，通过冲击力敲击、振动、热变化等机 理的共同作用，除去材料表面的氧化铁皮，同时生成氢氧化物钝化膜。具体说来高压 水除鳞时，水在高压作用下从水嘴高速喷出打击到钢坯表面，由于高速喷射的水流具有 一定的质量和速度，当其撞到钢坯上时，由于流体方向的改变，将对钢坯产生压力，产生 敲击和振动作用；高压水流使钢坯产生温降，由于钢坯表面的氧化铁皮和金属的线膨胀 系数不同，温度下降使板坯表面的氧化铁皮内产生裂纹，以利清除；水流在高温的钢坯表 面受热汽化，水泡破裂时对氧化铁皮产生敲击和振动作用。以上因素的共同作用使氧化 铁皮与基层分离，然后被水流带走【8 1 。 目前高压水射流除鳞系统的设计多基于经验和试算法，这种方法存在的问题是如果 系统参数选择不合理，直接影响除鳞效果，或造成系统能耗大，增加生产成本等弊端。由 此可见高压水除磷技术的工艺难度较大，同时对保持毛管温度不利。因此不被企业青睐。 另一种方法是采用专用除氧化物剂进行脱氧处理，这种方法克服了前者的缺点，并 保证了产品质量的稳定性。喷硼砂抗氧化系统是近年较流行的除氧化铁皮装置，整个系 统布置在车间热轧线穿孔机出口侧附近6 o m 平台上，应用时在1 1 0 秒内连续向毛管内 喷入硼砂除氧化剂粉末后再吹氮，毛管内的氧化物在1 0 0 0 - 1 3 0 0 度下可熔，再用高速氮 气将氧化物吹走，而一部分氧化物形成抗氧化膜。在高温条件下，清除高温钢管坯内表 面的氧化铁皮、与表面金属融合，防止表面再氧化。因此它可以改善钢管质量，也对延 长芯棒的使用寿命，降低轧制压力和能耗有一定的作用。其应用条件下的作用机理就是 可将毛管内壁的氧化物去除的同时生成一层抗腐蚀、抗氧化性能的保护膜。 在此过程中如果喷射压力过大，则喷进毛管的硼砂又将穿出毛管，喷后的氮气也不 易在毛管内滞留，既浪费硼砂和氮气，除鳞和防氧化的效果也不好。反之，若喷射压力 过小，一方面喷射的硼砂可能到不了毛管的另一端，导致该端的除鳞效果差，另一方面， 被剥离下来的氧化铁皮将不能被吹出毛管外。残留在毛管内的氧化铁皮对毛管内表面和 芯棒或顶头的危害更大。吹扫时间过短，会造成毛管内悬浮的金属氧化物清除不彻底： 但吹扫时间太长时，又会引起毛管温度下降，这些是连轧工序所不允许的。另外由于喷 嘴一般设置在对齐毛管一端，距毛管较近，而要求喷射的除氧化物剂硼砂要覆盖毛管整 个内表面，因此要求喷嘴具有足够的喷射角度。 因此想要达到好的喷吹效果的话，控制喷吹压力、喷扫时间及喷嘴的喷射角度是非 常重要的。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内也有人提出除氧化物剂的喷吹工艺参数的重要性，但对于系统中合适的喷吹压 力、喷扫时间及喷嘴喷射角度的选择仍然只是凭经验去确定，而没有一个准确的依据近 年来，随着低温轧制技术及薄板坯连铸连轧技术的应用，轧材用户对品质要求的提高， 因氧化铁皮压入等带来的产品质量问题愈来愈引起大家的关注。 结合以上现状，创新与改进抗氧化系统关键技术，对提高去除氧化铁皮的水平，降 低无缝管次品率，增强我国无缝管在世界市场上的竞争力有非常重要的意义。 1 3 论文主要内容 本论文来源于布柯玛蓄能器( 天津) 有限公司与安徽天大石油管材股份有限公司高 钢级石油专用管技术改造项目。安徽天大石油管材股份有限公司拟新建一条高钢级石油 专用管生产线。石油用管对无缝管的内壁及力学性能有很高的要求。喷硼砂系统除氧化 铁皮的效果决定了无缝管的成品率。为此，对喷硼砂系统关键技术的创新与改进是很有 必要的，论文主要研究内容有： ( 1 ) 研究喷硼砂系统的关键技术及工作原理； ( 2 ) 在原有喷硼砂系统的基础上，对其优化设计并创新改进； ( 3 ) 对系统喷吹单元的喷嘴进行改进设计，并建立新型喷嘴的三维模型； ( 4 ) 借助流体分析软件c f d 对新型喷嘴进行模拟仿真分析，为选择喷嘴关键参数 提供依据； ( 5 ) 通过w i n c c 界面采集数据验证新型喷嘴的可行性。 1 4 本章小结 本章主要阐述了论文的研究背景及意义，对喷硼砂系统及去除氧化铁皮技术的国内 外现状进行了简要总结，并介绍了论文的研究内容。 5 太原理一1 i 大学硕士研究生学位论文 6 太原理j 人学硕士研究生学位论文 2 1 系统概述 第二章喷硼砂系统的简要介绍 喷硼砂系统位于平台上穿孔机的出口附近位置，用于去毛管内表面的氧化物残渣。 为了脱去毛管内表面的氧化物，该系统需完成对从穿7 l j y l 出来的毛管内表面吹氮、喷硼 砂的全部操作。硼砂、抗氧化剂向毛管内喷吹l1 0 秒，其与内表面的铁的氧化物进行 反应，生成一层抗氧化、抗腐蚀性能优良的瓷釉保护层，防止毛管进一步氧化。 2 2 系统改进 原系统设备为企业引进的国外设备，根据国内无缝管生产现状，原设备在硼砂喷吹 量的控制、密刘件寿命、物料供给方式、工位转换阀、装机水平等方面有很多缺陷。囚 此，针对毛管生产的工艺要求对喷硼砂系统的结构和功能进行改进。 2 ，2 1 硼砂喷吹量的控制 原设备每次硼砂喷吹量的控制是通过一个可调气缸来控制伞形阀的开启度，再由时 问继电器控制伞形阀的开启时间，由这两个控制量的组合结果来决定最终喷吹量。这样 的控制方法影u 向硼砂喷吹量的因素很多。如工作罐内氮气压力的波动：工作罐内实际料 位的高低；硼砂本身的粒度和受潮程度，气缸每次定位的重复精度；时问继电器的响应 速度等。这些因素的综合结果使每次硼砂的喷吹量误差增大，而且每次硼砂的喷吹量没 有一个能给操作者提供具体数量的显示。如果想要知道每次的喷吹量，操作者只好用布 袋从喷出口装接后再进行称量，才能获得仍然不够准确的数字。基于此原因布柯玛的技 术研发人员将喷硼砂设备采用电子称重定量送料系统，喷吹量准确且可任意设定，喷吹 量用数字显示：电子称重定量送料系统是用螺旋送料机将硼砂送入料盘，料鼎的硼砂量 依靠重量传感器和p l c 实现闭环控制，达到预先设定值即停止送料。硼砂喷吹量可以在 工业控制机或者触摸屏上任意设定。每次称定的硼砂量在现场均有数字显示( 单位：克) 超出硼砂设定值的控制误差时，设备将发出报警信号。在每次更改毛管规格时，只要把 毛管规格在工业控制机上进行设定，则硼砂给定量将自动设置。料盘的倾倒和复位是依 靠一套气动倒料机构，它的运动也由p 1 ，c 统一控制，并与电子称重定量送料系统协调工 作。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 伞形阀密封寿命的延长 原设备工作罐伞形阀的开启是依靠可调气缸带动摇臂，使装在工作罐内的转轴旋 转，转轴带动罐内的摇臂摆动。摇臂再带动阀杆上下移动。罐内外的两个摇臂都是铰接。 由于铰接点的运动轨迹是一段弧，所以阀杆中心线也将产生摆动。因阀杆中心线不是上 下垂直运动，故造成伞形阀口周边的压力不均匀，( 假如阀杆向左倾斜，阀口右侧压力 较大) 。为了保证密封，唯一的办法就是增加密封垫的压缩量。当压力较小的一边密封 性达到要求时，而另一边的压缩量己超过规定值。过量的压缩量将导致密封垫的过早损 坏。另外，密封结构是用密封挚，而且与上面衬套的棱角交变接触也是发生过早损坏的 原因。 伞形阀新的密封结构及新的阀杆运动机构，首次装上的密封件，运行至今还完整无 损，仍在继续运行。 ( 1 ) 新的阀杆运动机构：去掉原两套摇臂传动，改为气缸垂直带动阀杆。此时阀 杆运动的轨迹是一条直线，而不是弧线，使阀口周边受力均匀，密封件的压缩量控制在 设计值范围。 ( 2 ) 新的密封结构彻底改变了密封件与上面衬套棱角的交变接触，这将大大提高 了伞形阀密封件的使用寿命。 ( 3 ) 密封件需要更换时，设备将会自动发出信号，操作者不必担心因密封4 1 ：问题而影响设备的 正常运转 2 2 3 固定氮气加变量氧气的供给方式 原设备喷吹氮气压力不变。在喷吹管道直径不变的情况下，毛管内的气流速度随毛 管直径增大而减小。气流速度的减小就意味着硼砂喷射距离的减小。对内径大且长的毛 管就可能出现毛管后段部分硼砂欠量的问题。 而固定氮气加变量氮气的供给方式，既便于实现控制，又能达到喷吹均匀的目的； 固定氮气是一个基本供给量，变量氮气是根据不同的毛管规格而进行相应变化的供给 量。两者的总和就是总的氮气供给量。这种供给方式便于实现自动控制。在工业控制机 上将毛管规格输入，总氮气量将自动改变。这样更有利于硼砂在毛管内的均匀喷吹，以 提高该设备的防氧化水平。 8 太原理工人学硕士研究生学位论文 2 2 ，4 创新设计的1 2 0 。角的工位转换阀 原设备当a 罐硼砂用完后，应转换到b 罐工作。这时相应的喷射管道也必须切换， 切换管道的阀我 f j 称之为1 位转换阀。国外的工位转换阀是一个三维9 0 。角的结构，硼 砂在管内的运动必须绕一个9 0 。的弯，由于压力损失较大，所以硼砂输送不畅。 新设计的工位转换阀，是一个二维】2 0 。角的结构，在国内尚属首例。a 罐、b 罐及 喷出口在平面上互成】2 0 。角，硼砂在管道内的运动是绕一个1 2 0 。的弧，由于压力损 失小使硼砂输送更加畅通。阀的主要部件选用专用氮化钢，氮气硬发高达h v 9 6 0 以上( 相 当于h r c 6 8 以上) 。能完全适应颗粒粉料长时间的磨损要求，使用寿命长。 2 2 5 多t 0 t 件模式 原设备的工作模式是两罐自动交替工作，即一罐工作另一罐处于准备状态。某一工 位罐内的料用尽后，必须转到另一个工位工作。假若某一罐发生故障，而在另一罐工作 期问又修不好，它就不具备转换过来工作的条件。此时，只好向总控台提出停送毛管的 请求，这将影响到整个轧管生产线的生产。 新设备既保留了两罐交替工作模式，又增加了单罐连续独立工作模式，解除了操作 者和管理者的后顾之忧；新设计的设备，工作罐内只存放一次喷吹量的硼砂，喷吹后再 往工作罐加一次料。只要贮料罐内有料，单罐就可连续不停的工作。而贮料罐是从操作 平台上随时可任意加料的。如某一工位发生故障，即可转换到另一工位连续自动单独运 行。而对发生故障的那一部分你可有足够的时间( 甚至几天几夜) 进行维修。操作者不 必担心会因毛管防氧化设备发生故障而影响整个轧管生产线的生产。 2 2 6 在线监测设备运行状态 操作者坐在操作室，而设备距操作室较远，运动部件又大部分在装料平台下面装着， 根本无法看到。各工艺参数无法向操作室进行通信。设备什么部位发生问题也不清楚。 该设备利用工业控制机和接触屏对整套系统的工作进行监视与控制，动画画面能显 示运动部件动作的全过程。当某一部位发生故障时，系统将自动报警，并在屏幕上同时 显示故障原因及排除方法，以便操作者及时处理。因此，操作者虽然坐在操作室，但整 套设备的工作状态就完全清楚。大型现代化企业管理都是通过计算帆网络对各经济技术 指标实现管理与控制。而国外毛管防氧化设备没有能力能提供硼砂消耗量等经济技术指 标，工业控制机可以将硼砂累计消耗量自动送给管理者，企业管理人员在计算机上就能 q 太原理t 火学硕士研究生学位论文 看到每月硼砂消耗总量以便及时进行经济分析。 2 2 7 装机自动化水平的改进 以硼砂喷吹量调整为例说明，原设备的调整过程是先预调伞形阀可调气缸的行程和 时间继电器的开启时间，先试喷并用布袋接在喷出口，称重后根据差值再进行第二试喷， 按照同样的方法反复调整有关工艺参数。即使如此，氮气压力的波动，工作罐内料位的 高低，硼砂粒度和受潮程度，气缸重复定位精度有及铰接处的间隙等仍为不可控因素。 因此总的装机自动化水平不高。 新设备仍以硼砂喷吹量调整为例说明：操作者只要在工业控制机上输入毛管规格， 硼砂量、氮气吹扫时间、硼砂喷吹时间及变量氮气的供给量将自动设置好。既节省时间 又提高了控制精度。另外，设备能实现设备故障自诊断，发现问题及时报警，并显示事 故原因及排除办法，为设备管理提供可靠资料。 2 3 系统组成 整个吹氮、喷硼砂过程由全套机械、电器控制及自动化、气动等设施，主要有储料 罐单元、定量送料单元、工作罐单元、吹喷单元、除尘单元、电控系统。 2 3 1 定量送料系统 图2 - 1 系统机械装配图 f i g 2 1t h es y s t e ma s s e m b l yd r a w i n g 1 0 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 图2 一l 为喷硼砂系统装配图，它的工作流程为： 储料罐叶螺旋送料机一电子称重系统_ + 锥形漏斗_ + 工作罐斗 气砂混 合阀叶工位转换阀一喷嘴 2 3 2 气动控制系统 从工作罐气砂混合阀开始物料( 喷砂) 的输送足以氮气为载体输送的，所以系统配 置一套氮气控制系统： 一压罐二三一 ，工作罐( 加压) ( 喷 工位转换阀_ 喷嘴 压缩空气储压罐斗气源处理元件卜阀岛斗电磁阎执行元件( 气控阀、气缸) 2 3 3 电气t 空_ i t i l 系统 整套装置悬吊在方型空心型钢焊接而成的机架下。设备分为左、右两大部分，这两 部分的结构完全相同。每一部分从上至下依次为储料罐、定量送料腔和工作罐。储料罐 内设有固定的筛网，它可以避免在向储料罐加料时，结块硼砂或包装物进入送料系统。 储料罐上装有下料位开关，以实现料位的自动控制和双罐工作的自动切换。为防止灰尘 落入储料罐和减少潮湿空气对硼砂的影响，在储料罐上装有带肩盖装置的罐盖。当加料 时，通过旋转手轮把罐盖抬起并旋离储料罐上方。在加料完成后旋回罐盖并通过旋转手 轮使罐盖复位。定量送料腔是该设备的核心部分，内装有用西门子伺服系统控制的螺旋 送料器、电子称重系统、气动倒料装置和手动硼砂清理装置等。定量送料腔的右侧装有 集中控制各气缸动作的阀岛和给料缓冲阀及喷料缓冲阀。定量送料腔的正前方安装的是 各罐的电气接线盒。_ l 作罐在设备的最下层，它是通过上、卜两个伞形阀与供氮气系统 的协调配合，在加压氮气作用下将硼砂均匀洒落到气砂混合阀内，并与定量氮气再次混 合后经工位转换阀和喷嘴将硼砂喷射到旋转的毛管内。为便于拆卸混合阀，阀两端用u 型螺丝与法兰连接。 机架下方的氮气罐内装有三组带翅片的电加热器，每组电加热器之问装有折流板， 氮气从罐底进入罐内，然后按照折流板的导向流动，且在流动过程中被加热。氮气罐的 顶部安装有压力表和温度计，以便现场操作者观察。另外，还装有压力传感器和温度传 太原理j ? 火学硕十研究生学位论文 感器，它们将采集到的压力与温度信号送给p l c 。罐顼装有一个安全阀，当罐内压力超 过安全规定值时，安全阀打丌，罐内氮气排出，直至罐内压力小于安全规定值。 电气控制柜安装在扶梯的下方。柜内装有西门子s 7 3 0 0 可编程控制器、螺旋送料 机的伺服控制系统、氮气温度控制系统及各线路的断路器。电气控制柜的面板上装有西 门子t p 2 7 0 1 0 触摸屏、可以数字显示的温度智能仪表和压力智能仪表以及各种按钮和 指示灯，操作者在现场可随时通过面板了解设备运转情况。 在设备左右两部分的中央挂有一个压力控制箱，上面共有九块压力传感器显示仪 表，操作者可通过显示的数值了解设备各测试点的压力状况，这些仪表的压力信号也送 入p l c 。 为了实现设备的自动化操作，在设备管路上安装了气源处理元件和相关的阀岛与阀 门。这些气动元件与各种传感器、限位丌关及p l c 共同组成了一个完整的控制系统。现 场的操作是通过操作触摸屏来实现的。在操作室内还设置了一台工业控制机，设备与工 控机之间通过p r o f i b u s d p 进行通讯，操作人员可在工控机的w jn c c 画面上监控设备的 运转情况。 2 4 工作原理 图2 2 为现场喷硼砂系统布置图，系统的工作原理为： ( 1 ) 双罐交替自动工作模式原理 图2 2 硼砂系统设备图 f i g 2 2 b o r a xs y s t e md e v i c em a p 12 太原理丁大学硕士研究生学位论文 假设a 罐先投入工作，当接到毛管到位信号后将按工作时序图运行。当a 储料罐内 的硼砂f 降至料位下限丌关时，工位转换自动切换至b 罐位，此时接受毛管到位信号后 r 罐又按同样的工作时序进行。同时系统将延时5 秒种发出a 罐无料的报警信号，提示 操作者向a 罐加料，当料位超出下限开关时a 罐无料报警自动解除。 在毛管剑位信号到达后，如果a 罐由于某种原因未喷出硼砂，此时操作w j n c c 画面 i 二的 强制b 罐单独自动工作( 操作时慎用) 按钮，进行b 罐的强制切换。这时设备处于 b 罐单独自动工作模式。当b 罐先投入工作的情况同a 罐先投入工作一样。 ( 2 ) a 罐或b 罐单独自动工作模式原理 在 罐单独自动工作或b 罐单独自动工作模式下，一旦接受到毛管到位信号，同双 罐交替自动工作模式一样按时序图运行。所不同的是，当a 罐或b 储料罐内的硼砂下降 至料位下限开关时，并不进行t 位转换，而是进行a 罐或b 罐无料报警。 在a 罐单独自动工作模式下，b 罐无料时不报警，b 罐自动处于维护状态，可对其 进行维护与保养；反之，在b 罐单独自动工作模式下，a 罐无料时不报警，a 罐自动处 于维护状态，可对其进行维护与保养。 ( 3 ) 自动工作前的准备 设备投入自动运行前，操作人员需做好下列准备工作： 步骤一：检查储料罐内是否有料，若无料，应将硼砂装满储料罐。 步骤二：在w j n c c 设置画面中，设置毛管规格，系统将自动确定所需喷射的硼砂量 及喷射时间。 步骤三：通过手动操作使a 工作罐和b 工作罐内及料盘内均有料，定量送料腔下端 的锥形体内不能有料。 步骤四：当无法确定工作罐内是否有料或有多少料时，应打开a 罐和b 罐气砂混合 阀底端的螺堵，然后用塑料袋接件，再打开喷料气缸。若无料说明工作罐内没有硼砂， 如果有料则应排尽，然后重复步骤三的操作。 设备进行工作之前必须做上述的准备，否则当毛管到位时将无硼砂喷出。另一罐也 进行上述准备是为了保证在强制或自动切换过去时能立即喷出硼砂。当工作模式为a 单 独自动工作或b 单独自动工作时，按上述步骤进行a 罐或b 罐的准备。 ( 4 ) 工作时序图 当设备进入双罐交替自动工作模式、a 罐单独自动工作模式或b 罐单独自动工作模 式且设备工作就绪灯亮后，一旦接收受到毛管到位信号，设备将按工作时序图运行，如 13 太原理：i ：人学硕士研究生学位论文 图2 - 3 为喷硼砂系统工作时序图。如果毛管没到位则系统处于侍机状态。 时序图 序 工序名称 时间( 秒)时序安捧( 每小格为1 秒，共3 0 秒) 号 1变量氮气2 o 2喷射时间( 变量氮气) 1 1 o 3工作罐加压 6 5 4工作罐喷料 1 2 o 5向工作罐给料 8 o 6料盘倒料 3 0 7快送料+ 慢送料8 , - tf - i slo r e ) 8慢送料3 6 秒 9禁止a 罐和b 罐间的切换2 3 o 1 0a 或b 无料时切换4 o 序号7 和序号8 的时隔】，丰艮据不同的硼砂量是不同的。但两者的和不能大于1 8 秒 图2 3 时序图 f i g 2 3 t i m i n gd i a g r a m 需要说明的是： ( 1 ) 时序图的工作是以毛管到位的信号开始的： ( 2 ) 时序图是按生产节拍1 5 秒来考虑的，当实际生产节拍大于1 5 秒时，设各处 于等待状态，一旦接到毛管到位信号，整个喷吹周期仍按1 5 秒进行； ( 3 ) 在双罐交替自动工作模式下，当毛管信号到达后的1 4 秒内是不允许进行两个 系统的切换工作，即由a 系统工作转换为b 系统工作或由b 系统工作转换为a 系统工作。 2 5 本章小结 本章根据现场无缝管工艺要求对原有设备进行改进。针对硼砂喷吹量的控制、密封 件寿命、抗氧化物料的供给方供给方式、工位转换阀角度、设备的运行状态的监测及装 机水平几个关键技术方面做了创新设计与改进。对引进的原国外设备进行了优化设计、 创新改进。简要介绍了喷硼砂系统的基本组成以及工作原理，为优化设计喷硼砂系统做 铺垫。 1 4 太原理i 人学硕十研究生学位论文 第三章喷吹单元喷嘴的改进及仿真 喷吹单元是抗氧化系统的不可忽视的终端组成单元，硼砂在毛管内的喷涂效果直接 由喷吹单元决定。喷嘴是喷吹单元的主要组成部件，喷嘴的内部结构决定了喷硼砂系统 的抗氧化效果。 3 1 喷硼砂系统常用的几种喷嘴 图3 1 ( a ) 所示喷嘴是由一个喷筒和螺旋叶片组成。喷嘴内加螺旋叶片的目的是让 喷射物料在流经螺旋叶片时做旋流运动。当喷嘴工作时，由于喷射物料硼砂是固体颗粒， 喷吹在螺旋d f 片上时，螺旋叶片对硼砂颗粒产生阻力，并减小硼砂喷吹的速度。当小型 号的喷嘴工作时，还会产生硼砂堵塞喷嘴的问题，如图3 2 所示。所以喷吹效果并不理 想。内部螺旋叶片如图3 1 ( b ) 所示。 i - i i 两一 爹 玺 ， ； j；：j口_ 参 2 彭 簪 ( a )( b ) 图3 - 1 常用喷嘴结构 f i g 3 - 1g e n e r a ln o z z l es t r u c t u r e 图3 - 2 硼砂堵塞图 f i g 3 2 b o r a xb l o c k a g em a p 15 ( c ) 太原理i ：人学硕+ 研究生! 学位论文 图3 - 3 现用喷嘴图 f i g 3 3 a c t i v en o z z l e 图3 1 ( c ) 是继螺旋叶片喷嘴改进之后的喷嘴简图，此种喷嘴将螺旋叶片改成四个 直角摆放的叶片，图3 3 为实体图，此种喷嘴解决了以前硼砂的喷吹速度问题，并且容 易制作。由于叶片是直角摆放，硼砂喷吹时沿直线吹进毛管内，不能产生扩散角。为此 这种喷嘴的缺点有三个方面：一是喷出的硼砂没有扩散角时，一种型号的喷嘴只能对应 一种直径的毛管，喷嘴要随毛管管径的变化而更换，这给穿孔工序带来很多不便。二是 硼砂以直射流喷进毛管时，将导致喷砂原料的浪费，经济上会造成浪费。三是这种喷嘴 只有一个进口，这给变量氮气和定量氮气及硼砂混合物管道与喷嘴连接时带来一些麻 烦。因此这种喷嘴的实用性不是很理想。 3 2 新型喷嘴设计 喷嘴是喷硼砂系统最基本的组成单元，喷嘴的喷吹效果直接影响了喷硼砂系统的喷 吹能力。基于上一节的实际情况，在系统所提供氮气压力一定时新型喷嘴应满足： ( 1 ) 硼砂在喷嘴内部应产生较强的旋流运动，并以一定的扩散角喷出喷嘴； ( 2 ) 喷嘴对高温毛管喷吹硼砂时应有较好的可靠性； ( 3 ) 结合实际生产，要求喷嘴加工制作简单、经济、实用。 结合以上三点设计如下图3 4 所示新型喷嘴： 1 6 太原理：r 人学硕士研究生学位论文 1 氮气弯管；2 叶片；3 分砂体；4 连接板；5 加强管；6 支撑筒；7 冷水 管； 1 n i t r o g e np i p e ；2 v a n e ；3 t h ed e v i c eo fs e p a r a t i o ns a n d ；4 _ i u n c t i o n p a n e l ；5 一r e i n f i o r c e m e n lt u b e ；6 一s u p p o r tt u b e ； 7 c o j dw a t e rp i p e ； 图3 - 4 改进的喷嘴图 f i g 3 4 i m p r o v e dn o z z l em a p 图3 - 4 所示新型喷嘴设计时将变量氮气与定量氮气的管路分开连接，氮气弯管与变 量氮气管路连接，将变量氮气经叶片b 喷出，定量氮气经喷嘴连接板进口射入。新型喷 嘴的设计还考虑了高温工作环境的问题。在喷嘴前端加了冷水套，降低喷嘴前端温度。 新型喷嘴的关键尺寸即是叶片的长、宽、进气口( a 、b 、c ) ，支撑筒长、宽( d 、e ) 。 其余零部件的尺寸可根据实际应用时进行相应调整。根据以往实际经验对叶片及支撑同 的关键尺寸取值如下表3 1 、表3 2 所示。 图3 - 5 叶片b f i g 3 5 v a n e b 1 7 太原理i 【：大学硕士研究生学位论文 表3 - 1 叶片相关尺寸表 t a b l e 3 1t h ev a n es i z e 型号 西7 4西8 9 l1 4 西1 4 0西18 0 月寸 a8 08 51 2 01 4 01 9 0 b3 53 85 46 58 5 c 3 0 3 03 06 0 9 0 图3 - 6 支撑筒 f i g 3 6 s u p p o r tt u b e 表3 - 2 支撑同尺寸表 型号 7 4 m 8 9中1 1 4 14 0】8 0 月矿 d1 0 51 2 51 6 01 9 52 5 0 e 7 4 8 91 1 41 4 01 8 0 若要喷嘴喷出的硼砂以一定的扩散角喷吹到毛管内壁上，应让硼砂在喷嘴内部产生 旋流运动，因此考虑将以往叶片以一定的倾斜角度摆放，即将叶片扭曲成所需角度，然 后焊接在支撑筒内部，再将喷嘴底部加一个分砂体，当定量氮气带动硼砂吹进喷嘴时经 分砂体分散在叶片上，使硼砂做中空旋流运动。同时变量氮气由叶片b 进气口进入，控 制喷嘴喷吹时的扩散角，完成喷吹过程。叶片在支撑筒内的摆放如图3 - 7 所示： 1 8 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 图3 - 7 叶片摆放图 f i g 3 7 t h em a p o f v a n ep l a c e di nn o z z l e 3 3 喷嘴的仿真分析验证 上一节主要介绍新型喷嘴的设计思路以