风机叶片材料磨损试验的研究分析
由于风机经常输送含尘气体，如除尘风机、循环风机等，叶轮因磨损其使用寿命仅为数月。尤其在燃煤发电厂使用的锅炉引风机和煤粉风机，虽然含尘粒度和含尘量小很多，但对叶片和叶轮材料的耐磨性提出了特别高的要求，以保证发电厂能持续运行。为了避免由于九洲风机动叶片和叶轮的磨损而破坏九洲风机使发电厂停运，所以，对九洲风机叶片和叶轮材料及附加的耐磨措施进行研究显得尤为重要。
针对九洲风机叶片磨损问题，有对叶轮内流计算，利用数值模拟技术，研究叶片磨损机理;有研制叶轮耐磨材料，也有进行喷涂工艺的应用研究。
通过对影响叶片磨损的关键因素(叶片材料、喷射角、喷射物、耐磨材料及堆焊技术)进行试验分析。以往耐磨研究范围较小，一般是理论上的两相流计算，也有单一领域的试验研究。然而，材料磨损试验台的最大特点是可以进行大范围的各种对比磨损试验:改变气流速度和喷射角、改变材料的表面特性、结合两相流计算或对材料喷涂工艺研究的验证等，其试验材料的重量损失能直观地反映出相应的磨损量。试验成果将有助于对九洲风机叶片和叶轮采用更有效的耐磨技术，提高风机动叶片和叶轮的使用寿命。
1.试验原理
磨损试验的工作原理是当一股具有一定压力的压缩空气进入混合器时，砂箱中的粒子由于重力和虹吸的作用也进入混合器，气流和粒子的混合体经过喷嘴喷射在试验箱中的试验材料上。试验材料可以随“可移动盖板”和“可转动盖板”来调节离喷嘴的距离和喷射角度，以便测得不同速度和不同入射角下，粒子对材料的磨损状况。废弃可通过除尘器来净化，最后被九洲风机排出管道。
2.试验条件
2.1试样的尺寸和材料
所有试样的磨损面尺寸均为150mmx150mmx10mm;试样的材料选用普通叶轮的基本材料:Q235A,16Mn、球墨铸铁、铸铝合金;喷焊耐磨试验材料选用动叶片的常用材料:16Mn和15上喷焊1.2mm厚度的耐磨材料Hagtel-lite8粉末;堆焊试验材料选用叶轮基本材料Q235A上堆焊焊条材料为717,856517和Fe–O2。
2.2喷嘴速度
为了进行对比试验，在所有试验中，要使均压罐中压力保持稳定在1.2kg/c厅，即相当于气流速度为85m/s(此值是在喷嘴后180mm处测得的)。
2.3喷射物
为了遵守同样的试验条件，喷射物只可以使用一次。喷射物为石英砂，其化学成分为:99.5%SiOZ，其粒度分布如下:200-300m占15%;100-200m占70%;100m以下占15%。
2.4喷嘴
喷嘴采用德国某公司生产的专业喷嘴，其内径为10mm，这种喷嘴是经过碳化硼硬化处理的，由此而达到较长的寿命，能保证均匀的喷射和相同的试验条件。
2.5喷射距离和喷射物量
在所有试验中，喷射与试验面的距离为180mm，喷射物每次为6kg，因此，在所有试验中均具备相同的条件。
2.6喷射角度
冲击式喷射磨损主要产生在动叶片的前缘部分，而倾斜式和平射式喷射磨损是在动叶片的压力面上最易发生。本文对各材料选典型的喷射角为150,300,450,600,75倾斜式喷射磨损和喷射角为90的冲击式喷射磨损的情况下进行，以获得各喷射角下的试验曲线，并有助于流道内两相流数值模拟计算时，避免含尘气流在磨损量较大的喷射角下撞击叶轮和动叶片。
3.耐磨特性的分析
3.1叶片基本材料的耐磨性比较
记录了各种试验材料在不同喷射角下所发生的体积磨损。
此外，若在整个喷射角范围按耐磨性来编排试验材料，则次序为:(1)16Mn;(2)Q235A;(3)球墨铸铁;(4)铸铝合金(ZL104)。
由此可得:在气流速度、粒子颗粒等其他条件不变的情况下，材料的磨损量不仅与喷射角有关，而且跟材料特性有关。塑性材料和脆性材料表现不同，在喷射角小于300时，脆性材料(铸铝合金、球墨铸铁)比塑性材料(Q235A,16Mn)磨损量更大。
3.2叶片基本材料加上磨损保护层后的耐磨性比较
对叶片基本材料16Mn和15MnTi镀上耐磨层后，与基材进行耐磨试验比较。当喷射角大于45时，加保护层的材料抵抗磨损的能力要比不加保护层的材料小，只有在喷射角小于45时，加保护层的材料抵抗磨损的能力比不加保护层的材料要大。由此可得，材料加保护层，只有在小的喷射角下，耐磨层才能发挥作用，改善材料的耐磨性。
3.3堆焊材料的耐磨性比较
对材料为Q235A及在其表面堆焊耐磨材料进行的试验比较。采用相同方式的堆焊，其焊条材料分别是717,856,517和Fe-O2.
当喷射角小于40时，堆焊材料后的耐磨性明显比不堆焊的Q235A材料要好，特别是用焊条517和Fe-O2做成的堆焊，它们的耐磨性在所有喷射角中始终比不堆焊的Q235A材料好很多。从各种堆焊材料的耐磨性来看，按耐磨性较好的依次排队是:Fe-05517，856和717。
从所有Q235A加上堆焊材料的磨损试验曲线来看，所有堆焊材料在35-45时，其磨损量达到最大。
4.颗粒物和速度对磨损的影响
4.1喷射物对磨损的影响
用上海某发电厂的灰尘作为喷射物进行的试验结果。从图可以看出，叶片基本材料的耐磨性情况与采用石英砂进行的试验结果相类似。由于灰尘的粒度要比石英砂的粒度小得多，硬度亦小，因而磨损量也相应减小。由此可见，材料的耐磨性与喷射物的粒度大小和硬度有关。
此外，若在整个喷射角范围按耐磨性来编排试验材料，则次序为:(1)16Mn;(2)Q235A;(3)球墨铸铁;(4)铸铝合金(ZL104)。
由此可得:在气流速度、粒子颗粒等其他条件不变的情况下，材料的磨损量不仅与喷射角有关，而且跟材料特性有关。塑性材料和脆性材料表现不同，在喷射角小于300时，脆性材料(铸铝合金、球墨铸铁)比塑性材料(Q235A,16Mn)磨损量更大。
4.2叶片基本材料加上磨损保护层后的耐磨性比较
对叶片基本材料16Mn和15MnTi镀上耐磨层后，与基材进行耐磨试验比较。当喷射角大于45时，加保护层的材料抵抗磨损的能力要比不加保护层的材料小，只有在喷射角小于45时，加保护层的材料抵抗磨损的能力比不加保护层的材料要大。由此可得，材料加保护层，只有在小的喷射角下，耐磨层才能发挥作用，改善材料的耐磨性。
4.3堆焊材料的耐磨性比较
对材料为Q235A及在其表面堆焊耐磨材料进行的试验比较。采用相同方式的堆焊，其焊条材料分别是717,856,517和Fe-O2.
当喷射角小于40时，堆焊材料后的耐磨性明显比不堆焊的Q235A材料要好，特别是用焊条517和Fe-O2做成的堆焊，它们的耐磨性在所有喷射角中始终比不堆焊的Q235A材料好很多。从各种堆焊材料的耐磨性来看，按耐磨性较好的依次排队是:Fe-05517，856和717。
从所有Q235A加上堆焊材料的磨损试验曲线来看，所有堆焊材料在35-45时，其磨损量达到最大。
5.结论
(1)磨损与含粒子气流的碰撞角有关。对一般不加处理的叶片材料而言，如果气流能平缓地沿着叶片流动，即碰撞角很小，那么，其磨损相对就小;如果气流碰撞角较大，尤其是处于45时，其磨损就会达到最大。因而，在设计叶轮时，尽量避免较大的气流冲角。
(2)磨损与粒子的颗粒直径、硬度以及气流速度有关。两组试验曲线对比可以得知，气流中粒子的颗粒直径愈大、硬度愈高(如石英砂)，对叶片的磨损就会比颗粒直径较小、硬度也较低(如电厂煤灰)的磨损大得多。
磨损与气流速度成正比，气流速度越大，气流中的粒子对叶片的磨损也越大;气流速度越小，气流中的粒子对叶片的磨损影响就相对小些。
(3)磨损与叶片材料的表面特性有关，对叶片材料的表面进行处理，其磨损会发生变化。对叶片材料表面喷焊耐磨层或堆焊，其表面硬度就会提高，在碰撞角较小时，对磨损有较大的改善。而在碰撞角较大时，改善效果不明显，有时会产生更大的磨损。因此，对叶片材料进行表面处理，只有在气流碰撞角较小时才适应。
在设计叶轮时，应结合叶轮两相流理论，分析计算粒子碰撞叶片的速度和角度，以便对叶片分段采取耐磨措施。在粒子的碰撞角较小、且比较密集的区域，应采用喷焊耐磨层或堆焊Fe–O2等材料的方法，使表面硬度提高，改善磨损性能。而在粒子碰撞角较大处，可采用堆焊硬度较低的材料来改善磨损。本文的试验研究成果对输送含尘气体的九洲风机叶轮、叶片的设计和耐磨工艺应该有较好的参考价值。
