Wpływ ścierniwa na proces cięcia wysokociśnieniowym strumieniem

Ścierniwo w procesie dekohezji twardych, litych materiałów spełnia dominującą rolę w procesie cięcia. Ścierniwo stosowane podczas cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym można podzielić na dwie grupy:

a) ścierniwa naturalne, b) ścierniwa syntetyczne.

W przemyśle, ze względu na trwałość dyszy mieszającej najczęściej, wykorzystywane są ścierniwa naturalne, pochodne almandynu pochodzenia naturalnego, które charakteryzują

4% 1% 95%

a)

b)

Strona 20

się korzystnymi parametrami, zwłaszcza w odniesieniu do twardości, gęstości, kształtu ziarna, co przedstawiono w tabeli 2.2.1. Analizę sitową handlowego ścierniwa Garnet GMA o dwóch podstawowych ziarnistościach #80 oraz #120 przedstawiono na rys. 2.2.1 [79].

Tabela 2.2.1. Specyfikacja techniczna ścierniwa na bazie almandynu [79].

Właściwości fizyczne Skład chemiczny Skład mineralny

Twardość: 8 – 9 Mohs Al2O3 20,36% Granat almandynowy: 97 -98

%

Ciężar właściwy: 4,2 g/cm3 FeO 9,72% Ilmenit: < 2%

Ciężar nasypowy: 2,34 g/cm3 Fe2O3 12.55% Krzemionka: <0,5%

Temperatura topnienia: 1315°C

MgO 12,35% Kwarc < 1%

Kształt ziaren ściernych: ostre, nieregularne

CaO 2,97% SiO2 41,34% MnO 0,85%

Rys. 2.2.1. Analiza sitowa ziaren ścierniwa GMA o ziarnistości #80 oraz #120 [100].

Ziarna ścierniwa dostarczane są przewodem transportowym do komory mieszającej głowicy tnącej, na skutek podciśnienia wywołanego efektem Venturiego [97]. W komorze mieszającej następuje przyśpieszanie, mieszanie i napowietrzanie wytwarzanego strumienia wodnościernego.

Podczas mieszania ścierniwa z wodą, w wyniku zderzenia cząstek ściernych z wysokoprędkościowym strumieniem wody, ścianami dyszy mieszającej oraz zderzeniami pomiędzy samymi ziarnami następuje ich częściowe rozdrabnianie, co wykazano w szeregu badań [46][60][100] (rys. 2.2.2).

Strona 21

a) b)

Rys. 2.2.2. a) akumulacja cząstek ścierniwa w stożkowej części dyszy mieszającej, b) trajektoria cząstek ściernych podczas procesu przyśpieszania [56].

Szczególny wpływ na mieszanie i rozdrabnianie mają wymiary komory mieszania, kąt uderzenia ziaren ścierniwa o ściany komory, a także efekt skali odniesiony do wymiaru ziarna ściernego, co wykazano w pracy Martineca [79]. Z prac tych wynika, że ziarna ścierniwa o niewielkim wymiarze są mniej podatne na rozdrabnianie pod wpływem impulsu siły, przez co zachowują swój wymiar i kształt podczas dynamicznego procesu mieszania. W szeregu badań [60][61][100] dokonano oceny rozdrobnienia handlowych gatunków ścierniw typu Garnet Barton, Garnet GMA oraz Indian Garnet o ziarnistości #80 w charakterystycznych stanach (fazach) procesu wytwarzania wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. Uwzględniając początkowy stan ziarna ściernego, w sensie zawartości poszczególnych frakcji ziarna jak na rys. 2.2.1, można wyróżnić kolejne trzy stany ścierniwa, z których dwa: tj. stan 2 po procesie kreacji wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz stan 3 po procesie cięcia wysokociśnieniowym strumieniem, powodują największe zmiany zawartości poszczególnych frakcji ziarna, w stosunku do ziarna w stanie początkowym. Tak więc proces fragmentacji ziarna ściernego daje się przedstawić jako następstwo oddziaływań mechanicznych na ziarno ścierne w procesie cięcia, zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2.2.3.

1. stan początkowy ziarna,

2. stan ścierniwa po wyjściu z komory mieszania,

3. stan ścierniwa po wykonaniu pracy mikroskrawania przy kontakcie z materiałem przedmiotu obrabianego,

Strona 22

Rys. 2.2.3. Fazy procesu fragmentacji ziarna.

Ze względu na małą energię kinetyczną, tzw. energię resztkową ziaren ściernych wytracaną w masie wody zalegającej w wannie maszyny, ich rozdrobnienie w kontakcie z masą ziaren pozostającą w wannie należy na podstawie danych literaturowych przyjąć za pomijalnie małe [91].

Badania metodą analizy sitowej stopnia fragmentacji ziarna handlowego Barton Garnet oraz Garnet GMA wykonane przez Karpińskiego [61] jednoznacznie wskazują na dominującą rolę fazy mieszania ścierniwa z wodą na jego rozdrobnienie, co ilustrują wyniki przedstawione na rys. 2.2.4÷ rys. 2.2.9.

Strona 23

WYNIKI ANALIZY SITOWEJ DLA ŚCIRNIWA BARTON GARNET

Rys. 2.2.4. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm,

ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 3g/s [61].

Rys. 2.2.5. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm,

Strona 24

Rys. 2.2.6. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm,

ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 9g/s [61].

WYNIKI ANALIZY SITOWEJ DLA ŚCIERNIWA GMA

Rys. 2.2.7. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie

Strona 25

Rys. 2.2.8. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie

p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 6g/s [61].

Rys. 2.2.9. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie

p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 9g/s [61].

Analiza prezentowanych wyników rozdrobnienia ziaren, dozowanego w zakresie od 3 g/s do 9 g/s, obejmująca trzy charakterystyczne stany ścierniwa (rys. 2.2.3) wykazuje, że skłonność do rozdrobnienia ziaren badanych gatunków ścierniwa w stanie 1 wzrasta wraz z ilością dozowanego ścierniwa, zwłaszcza w zakresie 6 g/s – 9g/s.

Strona 26

Interpretacja tych zmian na podstawie danych literaturowych nie jest oczywista, tym niemniej za główną ich przyczynę można uznać wzrastającą wraz z ilością dozowanego ścierniwa tendencję do blokowania przez ziarna ścierne strefy wejściowej do dyszy mieszającej (rys. 2.2.2a) [56].

Problemy interpretacyjne pogłębiają się, gdy uwzględnić wyniki badań Ohlsena [97], które wskazują, że rozdrobnienie ziaren jeżeli w ogóle zachodzi, to ma miejsce w przypadku dozowania niewielkich ilości ścierniwa w granicach do 4 g/s (rys. 2.2.10).

Rys. 2.2.10. Rozdrobnienia ścierniwa w zależności od ilości dozowanego ścierniwa wg Ohlsena [97].

Natomiast wyniki podobnych badań uzyskane przez Pereca [100] dowodzą braku podstaw do stwierdzenia o wpływie ilości dozowanego ścierniwa na rozdrobnienie ziaren ściernych, co ilustrują odpowiednio rys. 2.2.11 ÷ rys. 2.2.15. Natomiast potwierdza się teza o rozdrobnieniu ziaren w fazie mieszania, co z kolei ilustruje przebieg krzywej rozkładu początkowego ziaren ściernych (kolor czerwony) w odniesieniu do rozdrobnienia uzyskanego w komorze mieszania (kolor czarny).

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 2 4 6 8 10 12 14 W ie lk o ść r o zd ro b n ie n ia z ia re n

natężenie dozowanego ścierniwa g/s

Strona 27

Rys. 2.2.11. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz:

dw= 0,25 mm, d0=0,76 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].

Rys. 2.2.12. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz:

Strona 28

Rys. 2.2.13. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz:

dw= 0,33 mm, d0=0,76 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].

Rys. 2.2.14. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #120 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz:

Strona 29

Rys. 2.2.15. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #120 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz:

dw= 0,33 mm, d0=1,02 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].

Jak sugeruje Perec [100] istnieje korelacja pomiędzy rozkładem ziarnowym na wyjściu z głowicy tnącej dla ścierniwa o wielkości #120 (rys. 2.2.14, rys. 2.2.15), a rozkładem ziarnowym ścierniwa o wielkości #80 (rys. 2.2.11, rys. 2.2.12, rys. 2.2.13), co wskazuje na pewną zaletę stosowania ścierniwa o mniejszej ziarnistości w procesie cięcia, polegającą na mniejszym rozdrabnianiu się tej frakcji ziaren w procesie kreacji wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego.

Dominująca rola fazy mieszania ziaren na stopień fragmentacji ścierniwa wykazana przez Karpińskiego [61] została potwierdzona w badaniach Babu [60], o czym świadczy liczba rozdrobnienia AFS w uzyskanych wynikach oraz średnia wielkość ziarna a.p.s, co przedstawiono z kolei w tabeli 2.2.2.

Tabela 2.2.2. Liczba AFS oraz a.p.s badanych ścierniw przed mieszaniem, po mieszaniu oraz po cięciu [60].

Strona 30

Zaprezentowane wyniki wspomnianych autorów [60] [61] [100] są trudne do interpretacji, ze względu na brak odpowiedniej analizy statystycznej dotyczącej istotności różnic stopnia rozdrobnienia, czego przykładem jest zależność przedstawiona na rys. 2.2.10 [97]. W tym przypadku na podstawie zmiany stopnia rozdrobnienia uzyskanego w pojedynczych próbach, dokonano analizy tendencji i oceny tych zmian. Podobnie w pracy [100] nie przeprowadzono metodami formalnymi analizy istotności różnic stopnia rozdrobnienia ścierniwa dla badanych wielkości ziarna. W wyniku tego sugerowana przez autora korelacja stopnia rozdrobnienia ziaren #120 oraz #80 traci na sile wymowy. Istotny wpływ na rozdrobnienie ziaren ściernych posiada również ciśnienie wody, co wykazano w badaniach Borkowskiego (rys. 2.2.16) [13]. Badania te odnoszą się jednak do zakresu ciśnień od 10 MPa do 30 MPa, stosowanych w procesach czyszczenia, a nie przecinania wysokociśnieniowego.

W cytowanych badaniach wykazano, że podczas procesu czyszczenia powierzchni strumieniem wodnościernym ścierniwo, w tym przypadku piasek kwarcowy, ulega rozdrobnieniu już przy ciśnieniu rzędu 10 MPa, przy czym zwiększenie ciśnienia powoduje wzrost stopnia rozdrobnienia.

Rys. 2.2.16. Rozkład masowego udziału ziaren SiO2 #30 rozdrobnienia podczas czyszczenia

powierzchni za pomocą strumienia wodnościernego przy różnym ciśnieniu [13].

Wykorzystując w procesie cięcia specjalnie przygotowane ścierniwo, o dobranej ziarnistości, uzyskuje się większą maksymalną grubość cięcia, w porównaniu z handlowym ścierniwem, co potwierdzono w badaniach [60] (rys. 2.2.17). W prowadzonych badaniach wykorzystano ścierniwo handlowe indyjskie #80 jako

0 20 40 60 80 #30 _#36 #40 #46 _#54 drobn. M as o w y u d zi a ł z ia re n U % Ziarnistość 10 MPa 20 MPa 30 MPa

Strona 31

ścierniwo odniesieniowe oraz próbki specjalnie przygotowanego ścierniwa o dobranej ziarnistości w postaci: 1) 20% ziaren o wielkości od 0,355mm do 0,4 mm, 2) 20% ziaren o wielkości od 0,315mm do 0,355mm, 3) 20% ziaren o wielkości od 0,25mm do 0,315mm, 4) 20% ziaren o wielkości od 0,2mm do 0,25mm, 5) 20% ziaren o wielkości od 0,18mm do 0,2mm.

Następnie w próbach przecinania dokonano pomiaru głębokości cięcia tak przygotowanego ścierniwa jako ziarna pierwotnego, ziarna po fazie mieszania, ziarna po pierwszym cięciu oraz ziarna po drugim cięciu odzyskanego z pierwszego cięcia (rys. 2.2.17).

Rys. 2.2.17. Zależność głębokości cięcia od użytego ścierniwa (specjalnie przygotowanej próbki testowej oraz ścierniwa o ziarnistości #80) [60].

Analiza otrzymanych wyników wskazuje na odziaływanie efektu skali w mechanizmie rozdrabniania powodującego, że najmniejszą zdolność do rozdrabniania wykazują ziarna o mniejszym wymiarze. Istotne są również parametry komory mieszania oraz ukształtowanie części wejściowej dyszy mieszającej.

Pomimo dobrych rezultatów cięcia uzyskanych przy zastosowaniu specjalnie przygotowanego ścierniwa, w badaniach własnych dotyczących niniejszej pracy będzie wykorzystywane ścierniwo handlowe Garnet o ziarnistości #80, ze względu na jego powszechne wykorzystanie w przemyśle oraz stała komora mieszania.

Mając na względzie współczesne systemy dozowania ścierniwa oraz ich dokładności nastaw, można przyjąć, że w strumieniu wodnościernym, w zależności od

Strona 32

parametru dozowania, znajduje się od 300 000 do 1 000 000 ziaren ściernych w czasie minuty (rys. 2.2.18) [91].

Rys. 2.2.18. Intensywność ziaren ściernych biorących udział w procesie mieszania w zależności od wydatku dozowanego ścierniwa [91].

2.3. Oddziaływanie energetyczne wysokociśnieniowego strumienia