礦漿泵葉輪磨損數(shù)值模擬及陶瓷防護(hù)研究

應(yīng)武權(quán) 何家寧 郭 凱 毛新超

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

離心式礦漿泵通常應(yīng)用于懸浮固體顆粒、高密度的固液兩相流的水利運(yùn)輸。礦漿泵運(yùn)送礦漿中的礦物顆粒形態(tài)不規(guī)則硬度較高，具有一定的腐蝕性，這些物質(zhì)與葉輪發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，產(chǎn)生沖擊和腐蝕作用，使其逐漸失去效力，從而導(dǎo)致泵性能下降。所以，對(duì)于礦漿泵葉輪磨損規(guī)律及防護(hù)的研究顯得尤為重要。

Fluent 是礦漿泵流場(chǎng)特點(diǎn)和磨損特性研究的主要工具軟件。其中固液兩相流數(shù)值方法主要采用Euler-Euler 和Euler-Lagrange 方法。主要的兩相流模型有VOF、Mixture、Eulerian 模型和DPM 模型[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬的手段來(lái)分析礦漿泵。L.ALEJANDRO 為侵蝕磨損計(jì)算制定了一種根據(jù)侵蝕磨損的速率變形網(wǎng)格的新方法[2]。M.ZANGENEH 分別對(duì)清水介質(zhì)和固液兩相介質(zhì)兩種不同工況下渣漿泵內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果顯示相比于清水工況渣漿泵內(nèi)部過流件上的壓力分布受固相粒子性質(zhì)的影響較大[3]；K.V.PAGALTHIVARTHI 利用離散相DPM 模型對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，研究預(yù)測(cè)了泵的磨損趨勢(shì)[4]。國(guó)內(nèi)采用數(shù)值模擬手段對(duì)離心泵的研究起步較晚。夏密對(duì)渣漿泵流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究分析了葉片的磨損規(guī)律[5]。

除此之外還有許多對(duì)礦漿泵的磨損機(jī)理和磨損特性的研究，但是在礦漿泵過流件防護(hù)方面，眾多企業(yè)都是采用高耐磨的合金材料高鉻鑄鐵來(lái)制作礦漿泵的易磨損件，最典型的就是葉輪[6]。采用這種合金材料制造的礦漿泵，耐磨性能依舊不足，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下和零件磨損損耗巨大等問題。

本文通過Fluent 軟件，采用DPM 模型對(duì)礦漿泵葉輪進(jìn)行了磨損特性的數(shù)值分析。結(jié)合陶瓷涂層高耐磨耐腐蝕的特點(diǎn)，制備了陶瓷涂層試樣，實(shí)驗(yàn)分析礦漿泵葉輪陶瓷防護(hù)的可行性以及巨大的應(yīng)用前景[7]。

1 礦漿泵葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分析

1.1 礦漿泵葉輪幾何模型

根據(jù)原型礦漿泵葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，通過相似轉(zhuǎn)換法簡(jiǎn)化建立特征簡(jiǎn)單的模型葉輪進(jìn)行計(jì)算分析。礦漿泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù):流量為450 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為980 r/min，葉片進(jìn)口直徑為180 mm，揚(yáng)程65 m，葉輪為閉式葉輪，主要由葉片和蓋板組成，葉片數(shù)為6。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分劃分所有流體域，設(shè)置分界面來(lái)定義流體域相互接觸面。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響數(shù)字模擬結(jié)果，流體域各部分劃分的網(wǎng)格情況和網(wǎng)格質(zhì)量如圖1所示。

圖1 流體域網(wǎng)格及其質(zhì)量Fig.1 Fluid domain mesh and its quality

分別劃分好進(jìn)口段和葉輪內(nèi)流道網(wǎng)格后，通過網(wǎng)格合并生成在軟件Fluent 中使用的網(wǎng)格，其網(wǎng)格和質(zhì)量見圖2。

圖2 合成網(wǎng)格及其質(zhì)量Fig.2 Synthetic grid and its quality

合成網(wǎng)格總數(shù)量為548 255；網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到模擬仿真要求。因此把合成網(wǎng)格文件導(dǎo)出，把Mesh 文件導(dǎo)入fluent，進(jìn)行邊界條件等參數(shù)設(shè)置。

1.3 計(jì)算模型和邊界條件參數(shù)設(shè)置

本次數(shù)值模擬的目的是分析礦漿泵葉輪內(nèi)固相顆粒對(duì)葉輪的磨損情況。打開Fluent 仿真軟件，采用Euler-Lagrange 方法的DPM 磨損模型。這種磨損模型需要分為兩部分，先對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，再來(lái)計(jì)算固相顆粒對(duì)葉輪的磨損情況。因此首先來(lái)計(jì)算無(wú)固相顆粒的清水流場(chǎng)[8]。

第一步，采用k-e 湍流模型，添加流體域材料為液態(tài)水。添加流體域?qū)傩?，把葉輪部分流體設(shè)置為Frame motion，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為z 軸，設(shè)置轉(zhuǎn)速980 r/min。

進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，通過公式（1）計(jì)算，進(jìn)口速度為:4.9 m/s。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，數(shù)值:0.1 MPa。

進(jìn)口條件采用速度進(jìn)口，進(jìn)口直徑D=0.18 m，流量Q=450 m3/h=0.125 m3/s，進(jìn)口速度4.9 m/s。

設(shè)置交界面，把進(jìn)口段的interface1 跟葉輪的interface2 設(shè)置為交互界面inter。設(shè)置進(jìn)口條件為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為4.9 m/s，出口條件為壓力出口，出口壓力為0.1 MPa，設(shè)置葉片和前后蓋板為旋轉(zhuǎn)壁面條件，跟隨旋轉(zhuǎn)域以980 r/min 旋轉(zhuǎn)，其他壁面條件均為標(biāo)準(zhǔn)壁面條件，采用SIMPLE 算法。其他參數(shù)默認(rèn)，初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算。

2 流場(chǎng)和磨損分析

2.1 葉輪內(nèi)部流場(chǎng)和壓力場(chǎng)

模型在迭代到203 步的時(shí)候，達(dá)到收斂。根據(jù)資料可知，葉輪流體域的速度和壓力的分布情況對(duì)葉輪的磨損產(chǎn)生直接的影響，所以在啟用DPM 磨損模型之前，先分析葉輪內(nèi)流場(chǎng)的速度和壓力分布，分布云圖如圖3所示?？梢钥吹饺~輪內(nèi)部壓力和速度均從進(jìn)口處伴隨葉片逐步向外圍增大，壓力和速度分布基本符合其他學(xué)者的研究結(jié)論。

圖3 速度和壓力分布云圖Fig.3 Contours of velocity and pressure

2.2 DPM 磨損和實(shí)際工況對(duì)比分析

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon 湍流模型完成流場(chǎng)的初步計(jì)算，接下來(lái)利用DPM 磨損模型，對(duì)礦漿泵在不同固相粒徑，不同固相濃度的工況下進(jìn)行葉片、前后蓋板的磨損的數(shù)值模擬。固定濃度15%，模擬0.25、0.5、1 mm 不同粒徑的工況；固定粒徑0.5 mm，分析10%、15%、20% 不同濃度的工況。

打開DPM 磨損模型，在固相顆粒中添加石英砂屬性，密度2 650 kg/m3。在上述的工況下，進(jìn)行DPM計(jì)算，用Tecplot 軟件進(jìn)行圖像后處理，分別得到圖4和圖5的葉片磨損分布。

圖4 不同粒徑下葉片的磨損分布Fig.4 Distribution of the wear of the blades with different particle sizes

圖5 不同濃度下葉片的磨損分布Fig.5 Wear distribution of blades at different concentrations

從以上工況下的磨損對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，葉片的磨損主要集中在壓力面上，其中葉片進(jìn)口、尾部的磨損情況最為嚴(yán)重，也可以看出隨著粒徑和濃度的增大，葉片的磨損情況有不同程度的增大，這次對(duì)葉片磨損的數(shù)值模擬的結(jié)果也基本符合圖6的實(shí)際工況磨損情況。同樣對(duì)于葉輪的前后蓋板也進(jìn)行了磨損分析，采用了具有折中的工況:濃度15%，粒徑0.5 mm。前蓋板的模擬磨損和實(shí)際磨損的對(duì)比見圖7，后蓋板的對(duì)比見圖8。

圖6 實(shí)際工況下葉片的磨損情況Fig.6 Blade wear in actual condition

圖7 前蓋板磨損的對(duì)比Fig.7 Comparison of front cover wear

圖8 后蓋板磨損對(duì)比Fig.8 Comparison of rear cover wear

前蓋板的模擬的磨損分布，主要在蓋板邊緣。企業(yè)里拍攝的報(bào)廢前蓋板的磨損情況圖片可以看出，實(shí)際工況下，前蓋板邊緣的磨損和材料丟失的最為嚴(yán)重。后蓋板的磨損分布相對(duì)復(fù)雜，主要分布在葉片壓力面結(jié)合處，蓋板靠近中心處和蓋板邊緣。

通過以上圖片也可以看出，葉片、前、后蓋板在模擬工況下的磨損情況基本符合企業(yè)服役的實(shí)際工況下的磨損情況，所以該礦漿泵葉輪磨損模型具有可信度。通過此次的數(shù)值模擬，可以較為清晰的了解礦漿泵葉輪的磨損規(guī)律，具有非常好的研究?jī)r(jià)值。因此基于傳統(tǒng)礦漿泵的實(shí)際磨損問題和葉輪磨損的數(shù)值模擬特點(diǎn)，急需對(duì)傳統(tǒng)的高鉻鑄鐵葉輪進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

據(jù)文獻(xiàn)[5-11]，綜合分析后認(rèn)為陶瓷材料硬度高，耐磨，耐腐蝕等性能是礦漿泵企業(yè)夢(mèng)寐以求的，其性能十分契合礦漿泵葉輪的性能的實(shí)際需要。因此，本文對(duì)陶瓷涂層技術(shù)在礦漿泵上的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

3 陶瓷涂層防護(hù)的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)試樣選用氧化鋁基氧化鈦（Al2O3-13%TiO2，下文通稱AT13）陶瓷材料作為礦漿泵葉輪理想的耐磨耐腐蝕涂層材料，基體材料選用高鉻鑄鐵。

在冷噴涂之前，必須對(duì)基體材料進(jìn)行表面預(yù)處理。通過噴砂預(yù)處理可以除去基體表面的雜質(zhì)及表面氧化膜，促進(jìn)涂層附著，提高涂層粒子與基體金屬間的咬合力度，從而提升涂層粘結(jié)強(qiáng)度，增加附著力，預(yù)處理工藝如下:

（1）使用丙酮溶液對(duì)基體材料進(jìn)行沖洗，祛除表面附著物，包括油污、灰塵等；

（2）使用GP-1 型噴砂機(jī)對(duì)上述處理后的金屬基體進(jìn)行表面噴砂處理，選用60 目棕剛玉作為噴砂磨料，設(shè)置空氣壓力為0.7 MPa，噴砂角度為60°～80°，噴砂距離為100～150 mm，時(shí)間為10 min，噴砂后利用高壓空氣將表面吹凈，然后再用丙酮全面清洗一遍。

冷噴涂制備涂層的過程主要是依賴高壓氣流帶動(dòng)粒子高速噴射，粒子和金屬基體表面碰撞引起巨大的塑性變形而發(fā)生沉積，所制備涂層的質(zhì)量好壞取決于多方面因素交互影響，冷噴涂工藝參數(shù)條件設(shè)置如下:以自然空氣作為工作氣體，載氣溫度630℃，噴涂壓力約為2.9 MPa，噴涂距離25 mm，進(jìn)粉速率約0.55 g/s，噴槍橫移速度取6 mm/s，試樣微觀形貌見圖9。

圖9 微觀形貌Fig.9 Microscopic appearance

3.2 涂層形貌及孔隙率分析

3.2.1 試驗(yàn)方案

使用VEGA3-SCAN 型號(hào)高真空電子掃描顯微鏡（SEM）對(duì)冷噴涂制備的AT13 陶瓷涂層截面的微觀形貌進(jìn)行觀察分析。使用PS 軟件對(duì)SEM 圖形進(jìn)行處理，通過像素比分析涂層孔隙率。

使用D8-ADVANCE 型XRD 衍射儀分析涂層的物相組織及沉積特性。

3.2.2 結(jié)果分析

3.2.2.1 涂層孔隙率計(jì)算

利用PS 軟件對(duì)SEM 圖像進(jìn)行處理，計(jì)算涂層孔隙率，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是箭頭指示的黑色斑點(diǎn)像素所占總區(qū)域像素的比例，如圖10所示。

圖10 PS 處理的涂層相貌Fig.10 Appearance of the PS treated coating

隨機(jī)選取冷噴涂AT13 涂層的4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行PS處理計(jì)算，其中最大孔隙率約為1.39%，最小孔隙率約為1.13%，平均孔隙率約為1.25%，這遠(yuǎn)低于一般熱噴涂涂層的孔隙率（平均約為3%），可以有效提高涂層的耐磨性能。

3.2.2.2 物相組織及沉積特性分析

通過對(duì)比分析，可以得到涂層的物相成分及沉積效果。與基體相比（圖11），涂層圖譜中出現(xiàn)較多尖銳衍射峰，分析物相為穩(wěn)定的金紅石TiO2和α-Al2O3相，總體質(zhì)量較好雜質(zhì)較少。其中，在大約28°，涂層圖譜中出現(xiàn)了比較尖銳的衍射峰，而在大約45°，在基體圖譜中出現(xiàn)了明顯的峰值，涂層圖譜中并未出現(xiàn)，分析是由于涂層粒子的結(jié)晶效果較好導(dǎo)致出現(xiàn)28°的衍射峰，涂層厚度及致密性較好導(dǎo)致X 射線未能穿過45°涂層生成衍射峰。通過上述分析可以得出結(jié)論，冷噴涂制備的AT13 涂層可以完全覆蓋基體材料，涂層質(zhì)量致密且均勻，涂層粒子沉積效果較好，厚度也較為理想。

圖11 XRD 圖譜Fig.11 XRD pattern

綜上所述可以得出結(jié)論:在涂層和基體相接觸的分界面略有凹凸，非常有利于涂層附著，提升結(jié)合強(qiáng)度；涂層冷噴涂效果優(yōu)良，涂層厚度適中質(zhì)量較好，沉積緊密且均勻，存在少量缺陷，但不影響涂層整體質(zhì)量。

3.3 涂層的耐磨損試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

涂層的耐磨性跟硬度有較大關(guān)系，傳統(tǒng)葉輪材料高鉻鑄鐵硬度為58～62 HRC[12]，而AT13 陶瓷涂層測(cè)得的顯微硬度高達(dá)1 020 HV（＞68 HRC），陶瓷涂層的硬度明顯大于基材高鉻鑄鐵的硬度。

磨損試驗(yàn)[16]試樣用丙酮及酒精清洗沖凈，風(fēng)干后用電子天平進(jìn)行稱重。使用M-2000 型磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試耐磨性能，試驗(yàn)條件:磨輪材料選用GCr15，載荷為150 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min，每磨損5 min 將試樣取下，通過清洗、烘干后進(jìn)行稱重，試樣原始質(zhì)量M1，n 次磨損后的試樣質(zhì)量為Mn，磨損量ΔM= M1-Mn（n=1、2、3、4、5、6），累計(jì)磨損時(shí)長(zhǎng)0.5 h。采用同樣方法對(duì)進(jìn)行過表面拋光處理的無(wú)涂層高鉻鑄鐵基體試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，形成對(duì)比試驗(yàn)。

3.3.2 結(jié)果分析

通過磨損試驗(yàn)臺(tái)對(duì)AT13 涂層試樣和無(wú)涂層基體試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)，圖12可以看出，無(wú)涂層基體試樣的最大磨損失重達(dá)到23.7 mg，而AT13 涂層試樣的最大磨損失重只有5.1 mg，這表明AT13 涂層耐磨性能比高鉻鑄鐵要理想很多。

如圖13所示，磨損試驗(yàn)后對(duì)比兩種試樣表面可以得出結(jié)論:無(wú)涂層基體試樣表面存在明顯的犁溝形劃痕，部分區(qū)域出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。AT13 涂層試樣表面僅有少許層狀剝落，并無(wú)明顯劃痕，整體表面質(zhì)量較好。

圖12 磨損失重柱狀圖Fig.12 Mill loss weight histogram

圖13 磨損SEM 圖Fig.13 SEM images of wear surfaces

4 結(jié)論

（1） 數(shù)值模擬結(jié)果顯示:葉片部分主要分布在壓力面的進(jìn)口和尾部；前蓋板部分主要分布在蓋板邊緣；后蓋板部分主要分布在蓋板與葉片壓力面結(jié)合處、蓋板中部和邊緣。固相濃度和粒徑基本不會(huì)影響葉輪磨損分布，但隨著固相濃度和粒徑增大，整體磨損加劇。這個(gè)模擬結(jié)果基本符合實(shí)際工況的磨損特點(diǎn)，模擬結(jié)果相對(duì)可靠，可以用于葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，易磨損區(qū)防護(hù)研究等。

（2）冷噴涂制得的AT13 陶瓷涂層整體質(zhì)量較好，涂層可以完全覆蓋基體表面，并且平整無(wú)明顯缺陷，平均孔隙率低，硬度高達(dá)1 020 HV，耐磨性能好，滿足離心式礦漿泵葉輪的耐磨性工藝設(shè)計(jì)的需求，可以為葉輪防護(hù)、延長(zhǎng)壽命周期提供一定的技術(shù)手段。