钢渣用于喷砂磨料的试验研究

饶 磊，陈广言，周晨辉，周 俐，张耀辉，马孟臣

(1.马钢股份有限公司 技术中心，安徽 马鞍山243003；2.安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山243002)

钢渣用于喷砂磨料的试验研究

饶 磊1，陈广言1，周晨辉1，周 俐2，张耀辉1，马孟臣1

(1.马钢股份有限公司 技术中心，安徽 马鞍山243003；2.安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山243002)

在比较分析风碎渣(钢渣)与其他常用磨料物理性能的基础上，选择风碎渣进行钢渣喷砂试验，分别研究喷吹压力、喷吹时间与喷吹距离对试样表面光洁度和粗糙度的影响，并与其他常用磨料的效果进行对比。结果表明，风碎渣用于喷砂磨料，当喷吹压力0.8 MPa，喷吹距离150 mm，喷吹时间10 s时，被处理工件表面光洁度和粗糙度能获得良好效果，表面光洁度和粗糙度分别在Sa2.5和40 μm以上，满足涂装要求，与PS球、石榴石喷吹效果相当，较铜炉渣喷吹效果略差，原因是铜炉渣颗粒具有锋利的尖角和较大的颗粒度。

喷砂；钢渣；光洁度；粗糙度

炼钢厂每年产生大量的钢渣，一般为粗钢的18%左右。钢渣成分复杂，且随着冶炼方法的不同，成分波动较大，但一般由5种以上的化合物组成，其中含一定量的胶凝性矿物如f-CaO和MgO等，这些矿物易引起钢渣制品的体积安定性问题，也使钢渣的综合利用比较困难。目前，我国仅有10%～15%的钢渣能得到再次利用[1]，开发钢渣资源的综合利用迫在眉睫。

沈蓓红等[2]从钢渣的理化性能、环保性等角度分析宝钢滚筒钢渣作为非金属磨料的优点及存在的问题，并提出相应解决方案。易承波等[3]从钢渣来源、含尘量、游离SiO2含量、粒度、棱角、硬度、除锈效果等方面探讨了在船体喷砂除锈中采用钢渣磨料的可行性。美国学者Kambhamd等[4]分析了铜炉渣作为喷砂磨料具有硬度大、耐磨性能好等优点，并研究了铜炉渣用作喷砂磨料，不同喷吹工艺参数对喷吹效果的影响及优化措施。目前国内研究者主要基于滚筒钢渣的理化特性，对钢渣用作喷砂磨料的可行性进行了分析，针对风碎钢渣用作喷砂磨料的试验研究较少。为此，文中以马钢风碎渣为研究对象，研究其作为喷砂磨料的喷吹效果，并与铜炉渣、PS球及石榴石的喷吹效果进行对比分析，为风碎渣在喷砂磨料方面的应用推广提供科学依据。

1 钢渣喷砂试验

1.1 试验原料

试验原料为马钢风碎渣。风碎渣与其他常用磨料PS球、石榴石、铜炉渣的物性参数如表1。

表1 不同渣料的物理参数Tab.1 Physical parameters of different materials

从表1可以看出：风碎渣的硬度和PS球、石榴石相当，优于铜炉渣。硬度是衡量磨料质量的主要标准，硬度大，抗变形能力强，可降低因冲击时磨料变形而造成的能量损失，在相同喷吹条件下，作用在工件上的冲量大、除锈效果明显；风碎渣的容重和密度稍大于PS球和铜炉渣，低于石榴石。密度是保证磨料在一定速度下具有较大能量的首要条件，是衡量磨料优劣的技术指标之一，密度大，同等尺寸的颗粒条件下，利于增加磨料的冲击力；风碎渣和PS球均接近球形，铜炉渣和石榴石带有一定棱角，致使风碎渣的切削能力稍逊于铜炉渣和石榴石，相对不利于提高工件表面的粗糙度。综上分析可看出，风碎渣具备作为磨料的先决条件。

1.2 试验条件

1)磨料粒径的选择

磨料粒径不能过大，否则，单位时间内喷打在工件表面的颗粒数较少，降低喷砂效率，且易导致工件表面粗糙度增大[5-6]；粒径过小，则冲击力小，效率低。不同颗粒大小磨料的表面粗糙度如表2。从表2可看出，磨料的颗粒度一般在0.25～2.00 mm之间，结合某公司喷砂机喷头内径尺寸，本试验选用0.60～1.18 mm的颗粒风碎渣。

2)喷砂压力的选择

喷吹压力越大，清理效率越高，但压力过大，对喷砂管道的磨损加剧，缩短喷头的使用寿命，而且会降低喷吹作业安全性；压力过小，不仅降低了喷射效率，甚至造成不能喷出。经验表明[7]，工业上经济安全的喷吹压力一般控制在0.7 MPa以下。但是随着科技的发展，加上必备的防护措施，可以逐渐实现高压操作来增加喷砂效率。本试验基于经验数据及喷砂仪器的实际情况，选择压缩空气压力为0.6，0.7，0.8 MPa。

3)喷吹距离

喷吹距离一般在100～500 mm之间，本试验初步选择喷砂距离为100，150，200 mm，具体喷吹距离视试验结果作进一步调整。

4)喷吹时间

喷吹时间对工件表面粗糙度影响不大，但直接影响磨料的消耗和表面的光洁度，根据现场实际喷砂经验，选择10，20 s 2个时间参数。

5)喷吹角度

喷吹角度对工件表面粗糙度影响较小，且实际应用中喷吹角度均较大，因此本试验固定喷吹角度在75°～85°之间。

1.3 试验方案

钢渣喷砂试验方案见表3。

表2 不同颗粒大小磨料表面粗糙度/μmTab.2 Surface roughness of different particle size of abrasive/μm

表3 钢渣喷砂试验方案Tab.3 Steel slag sand-blasting experimental scheme

2 钢渣喷砂试验结果及讨论

2.1 光洁度

按表3方案进行钢渣喷砂试验，试验结果见图1。

从图1可看出，在选用的参数条件下，试样的表面光洁度均良好，光洁度在Sa2.5以上(国际标准化组织发布的ISO8501-1标准)以上，说明采用风碎渣可作为喷丸磨料使用。

1)喷吹距离对光洁度的影响

对比试样1#～6#照片发现，喷吹距离150 mm时(试样2#及5#)的试样表面光洁度比喷吹距离为100，200 mm时的更好，因为150 mm的喷吹距离时，磨料达到试样表面的速度最大，动能最大，除锈效果最理想[8]。这也说明喷吹距离从100 mm变化到150 mm时，磨料到达试样表面的动能逐渐增加，超过150 mm时，磨料的动能逐渐减小。

2)喷吹时间对光洁度的影响

从图1可看出，在其他参数相同的情况下，随着喷吹时间的增加，光洁度增加，但是喷吹时间增加，意味着磨料的消耗也增加。尽管喷吹10 s的效果比20 s稍差，但是光洁度大部分在Sa2.5级以上，从节省磨料角度考虑，喷吹10 s即可。

3)喷吹压力对光洁度的影响

从图1可看出，在其他参数相同，不同压力下，随着压力的增加，试样表面光洁度逐渐增加，如图1中的试样5#，11#，17#。当压力从0.6 MPa增至0.8 MPa时，同时喷吹时间从20 s降至10 s，仍可获得良好的光洁度(试样2#)，一般来说，压力越大，效果越好。

2.2 粗糙度

1)喷吹压力与粗糙度的关系

2种喷吹时间条件下，喷吹压力与粗糙度的关系如图2。从图2可发现，喷吹时间10，20 s时，粗糙度均随喷吹压力的增加整体上呈增加趋势，部分数据显示喷吹压力增加粗糙度下降，这是测试误差所致。喷吹压力增大，磨料到达工件表面的动能也增大，动能转换为撞击力后，撞击工件表面的力变大，导致粗糙度增加。

2)喷吹距离与粗糙度的关系

2种喷吹时间条件下，喷吹距离与粗糙度的关系如图3。从图3可以看出，随着喷吹距离的增加，粗糙度先增加、后降低，说明喷吹过程中存在1个最佳距离。试验中喷吹距离150 mm时粗糙度最大，说明在100～150 mm，磨料达到工件表面的动能逐渐增大；而在150～200 mm，磨料达到工件表面的动能逐渐降低。

3)喷吹时间与粗糙度的关系

不同喷吹压力下，喷吹时间与粗糙度的关系如图4。从图4看出，喷吹时间与粗糙度没有明确的对应关系，说明喷吹时间对粗糙度的影响不大。为进一步观察钢渣磨料的处理效果，针对铸铁件进行喷砂处理。结果如图5。由图5可以发现，经过喷砂处理后，试样表面干净，清洁度达Sa2.5级以上。表明钢渣对铸件的处理效果好。

综上，当喷吹压力0.8 MPa、喷吹距离150 mm、喷吹时间10 s时，风碎渣作为喷砂磨料，试样的表面光洁度和粗糙度效果最好，光洁度达到Sa2.5以上，粗糙度达到40 μm以上。我国工业涂装要求表面光洁度Sa2.0以上，粗糙度达40 μm以上，表明风碎渣作为喷砂磨料，可满足工业涂装要求。

3 不同磨料对比喷砂试验

为进一步评估钢渣的喷砂处理效果，进行不同磨料的喷砂试验。

3.1 不同磨料的喷砂效果

分别采用石榴石、铜炉渣、PS球、风碎渣4种磨料进行喷砂试验。试验条件为喷吹距离100～150 mm，喷吹压力0.7～0.8 MPa，喷嘴直径5 mm。铜炉渣颗粒度与PS球类似，风碎渣、石榴石颗粒度稍小。观察不同磨料处理后试样表面光洁度发现，采用铜炉渣处理的工件表面最亮(白色)，其次为PS球，再次为马钢风碎渣，最后为石榴石。不同磨料处理后工件表面粗糙度如表4。

从表4看出，铜炉渣处理过的粗糙度最大，其次为PS球、风碎渣、石榴石。主要原因为：铜炉渣带有较锋利的棱角，切削作用强于球形的风碎渣，相对风碎渣，更易提高工件的粗糙度；试验过程中铜炉渣颗粒度最大，其它依次为PS球、钢渣、石榴石，磨料的颗粒度对粗糙度影响较大，磨料颗粒尺度越大，使得料丸与工件接触面积越大，进一步促使粗糙度变大[9]。表4中石榴石和风碎渣处理的工件表面粗糙度小于铜炉渣和PS球，较好地说明了粗糙度和颗粒度的关系。故一定程度上提高风碎渣磨料的颗粒尺寸，可以有效改善工件表面的粗糙程度。

3.2 不同磨料的抗破碎性

抗破碎性亦是衡量磨料特性的指标之一。磨料抗破碎性强，可循环次数多，可降低工件处理成本[10]。选择PS球、马钢风碎渣及铜炉渣3种样品，颗粒尺寸在0.60～1.18 mm之间，喷吹压力0.8 MPa，其余喷砂条件相同，进行喷砂试验。喷砂前后，分别对3种磨料进行筛分称重，计算不同粒级颗粒含量，结果如表5。

表4 不同磨料处理后工件表面的粗糙度对比Tab.4 Different abrasive processing after the workpiece surface roughness of the contrast

表5 喷砂前后磨料的粒径变化Tab.5 Before and after sandblasting abrasive particle size change

从表5可知，同等条件下，铜炉渣、马钢风碎渣和PS球3种磨料喷砂后与喷砂前相比，1 mm以上部分损失比例分别为68%、66%、65%，相差不大。表明风碎渣的抗破碎能力与铜炉渣及PS球相当，可以被循环利用。

上述试验结果进一步证明风碎渣完全可以用作喷砂清理磨料。

4 结 论

1)经马钢风碎渣处理后的工件表面光洁度随喷吹压力和喷吹时间的增加而增加，而工件表面粗糙度和喷吹时间关系不大，随喷吹压力增加而增加，但光洁度和粗糙度的最佳喷吹距离均为150 mm左右。

2)通过风碎渣、铜炉渣、PS球、石榴石的喷砂对比试验，发现铜炉渣喷吹效果最好，PS球、风碎渣、石榴石效果稍差。但风碎渣处理后的工件表面光洁度均在Sa2.5级以上，表面粗糙度在40 μm以上，足以满足一般的工业涂装需求；同时被处理的工件表面光洁度和粗糙度均与风碎渣粒径有关，随其粒径的增加而增加。风碎渣具有一定的抗破碎能力，可以被循环利用。由此表明，风碎渣完全可以用作喷砂磨料。

[1]陈来柱，王珏，吴六顺，等.CaO改性对合成渣矿相及易磨性的影响[J].安徽工业大学报：自然科学版，2012,29(4):301-305.

[2]沈蓓红，杨刚，傅建华，等.BSSF钢渣特种型砂作为非金属磨料的优势分析[J].造船技术，2013(6):41-43.

[3]易承波，欧阳东，鲁刘磊.钢渣作船体喷砂除锈磨料的可行性研究[J].表面技术，2010,39(4):91-93.

[4]Kambham K,Sangameswaran S,Datar S R,et al.Copper slag:optimization of productivity and consumption for cleaner product tion in dry abrasive blasting[J].Journal of Cleaner Production,2007,15(5):465-473.

[5]沈国良.喷丸清理技术[M].北京：化学工业出版社，2004:127-137.

[6]Yamamoto T,Kitajima K,Izawa M.A Fundamental study of dry blasting:effects of abrasive grains on surface roughness[J].Key Engineering Materials,2003,238:93-98.

[7]冯益华，邓建新，史佩伟.喷砂嘴冲蚀寿命与磨料关系的研究[J].表面技术,2002(1):58-60.

[8]王金东，吕志利，李新伟，等.油管外表面气动喷砂两相流场数值模拟[J].中国机械工程，2011(15):1815-1818.

[9]沈国良.喷丸清理技术在航空工业和汽车工业等领域的应用[J].中国涂装，2003(18):17-20.

[10]杨刚，傅建华，苏剑，等.钢渣非金属磨料循环利用次数试验与分析[J].造船技术，2011(5):37-39.

责任编辑：何莉

Experimental Research on Steel Slag as Sand-blastingAbrasive

RAO Lei1,CHEN Guangyan1,ZHOU Chenhui1,ZHOU Li2,ZHANG Yaohui1,MAMengchen1
(1.Technology Center,Ma'anshan Iron and Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243003，China；2.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Comparing physical properties of wind quenching steel slag and other commonly used abrasive,experiments of the steel slag blasting were carried out.The effects of injection pressure,injection time and injection distance on surface finish and roughness of sample were respectively analyzed,and different abrasive effects were compared.The results show when the injection pressure is 0.6 MPa,injection distance is 150 mm and injection time is 10 s,if the abrasive is wind quenching slag,surface finish and roughness of sample are good,the surface finish can reach above Sa2.5 and value of roughness is more than 40 μm,which can meet coating requirements, the injection effect of wind quenching slag is as well as that of PS ball and garnet,worse than that of copper,the main reason is that the copper slag particles have sharp angle,and larger particles size.

sand blasting;steel slag;cleanliness;roughness

TQ639.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.004

2014-08-08

饶磊(1983-)，男，湖北武穴人，工程师，主要研究方向冶金固废资源综合利用。

1671-7872(2015)-01-0016-06