豆海建，王維莉，秦中華，杜鑫，柴星騰，于濤

1　引言

我國(guó)是水泥生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，改革開(kāi)放以來(lái)，受益于經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，水泥產(chǎn)能迅速躍居世界第一，與水泥生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)裝備在引進(jìn)消化的基礎(chǔ)上迅速大型化、國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵主機(jī)設(shè)備的性能指標(biāo)同國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比不相上下。輥磨是水泥生產(chǎn)主機(jī)設(shè)備大型化、國(guó)產(chǎn)化的典型代表，國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)院相繼推出了眾多配套5 000t/h生產(chǎn)線(xiàn)以上的大型輥磨，如天津院TRM53.4、合肥院HRM4800等。另一方面，輥磨長(zhǎng)期以來(lái)的粗放型發(fā)展模式也帶來(lái)了一些問(wèn)題，如產(chǎn)品的創(chuàng)新性不足、缺乏賣(mài)點(diǎn)、磨機(jī)壓差等性能參數(shù)不理想等。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多科研院所均開(kāi)展了對(duì)輥磨的理論研究，其中采用CFD數(shù)值仿真技術(shù)手段開(kāi)展磨內(nèi)流場(chǎng)研究的最常見(jiàn)[1-7]。

目前，對(duì)輥磨流場(chǎng)研究的重點(diǎn)多集中于輥磨腔體內(nèi)氣固流場(chǎng)特征、選粉機(jī)流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，對(duì)輥磨內(nèi)磨損問(wèn)題進(jìn)行流場(chǎng)分析的研究較少。針對(duì)中材（天津）粉體技術(shù)裝備有限公司在執(zhí)行某廠MLS4028生料磨技改項(xiàng)目時(shí)出現(xiàn)的壓力框架異常磨損問(wèn)題，我們采用三維建模軟件構(gòu)建該磨機(jī)中殼體以下部分的實(shí)物模型，以標(biāo)定風(fēng)量為計(jì)算邊界條件，研究了導(dǎo)致壓力框架異常磨損的原因，制定并實(shí)施了整改方案，取得了良好的效果。

2　試驗(yàn)

2.1　幾何物理模型

根據(jù)磨機(jī)技改的風(fēng)環(huán)、選粉機(jī)內(nèi)錐體結(jié)構(gòu)圖，并結(jié)合業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的磨機(jī)殼體、壓力框架、磨輥等設(shè)備圖紙，采用三維建模軟件構(gòu)建三維幾何模型（見(jiàn)圖1），然后采用網(wǎng)格生成軟件構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格（見(jiàn)圖2）。計(jì)算網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格方案，為確保網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)值求解精度，對(duì)底部風(fēng)道和風(fēng)環(huán)內(nèi)部速度梯度大的位置，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方案；對(duì)磨輥、壓力框架等位置采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方案，共計(jì)生成2 463 014個(gè)高質(zhì)量計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格扭曲率≤0.77，網(wǎng)格細(xì)長(zhǎng)比≤4.5。

圖1　MLS4028求解幾何模型

圖2　MLS4028計(jì)算網(wǎng)格

2.2　邊界條件及數(shù)值求解

我們采用定常求解器，湍流模型采用RNGκ-ε湍流模型，速度-壓力耦合方程采用PISO算法求解，差分格式除壓力采用PRESTO！格式外，其余均采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算邊界條件兩磨機(jī)入口定義為速度入口，中殼體出口定義為壓力出口，邊界值采用該磨機(jī)標(biāo)定風(fēng)量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，CFD反求磨機(jī)進(jìn)口壓力、出口速度等工藝參數(shù)。

連續(xù)方程、能量的收斂殘差設(shè)置為10-6，動(dòng)量等其他標(biāo)量矢量的收斂殘差為10-3。監(jiān)控出口平均速度變化曲線(xiàn)。初始化后開(kāi)始迭代計(jì)算，收斂標(biāo)準(zhǔn)以監(jiān)控的中殼體出口平均風(fēng)速曲線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間周期性波動(dòng)和進(jìn)出口質(zhì)量平衡（≤10-3）為判斷依據(jù)。

2.3　問(wèn)題分析求解方案

根據(jù)對(duì)壓力框架現(xiàn)場(chǎng)磨損情況的勘察，發(fā)現(xiàn)磨損位置主要位于壓力框架的1號(hào)頂點(diǎn)下表面，而2號(hào)、3號(hào)頂點(diǎn)的磨損正常，尤其是3號(hào)頂點(diǎn)，幾乎無(wú)磨損。磨機(jī)技改后風(fēng)環(huán)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，從1號(hào)頂點(diǎn)磨損的沖刷方向初步分析，造成壓力框架磨損的可能原因如下：風(fēng)環(huán)導(dǎo)風(fēng)葉片的角度偏大；風(fēng)環(huán)導(dǎo)風(fēng)葉片導(dǎo)致的1號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)正下方的風(fēng)環(huán)偏風(fēng)；鎧甲圈高度過(guò)高；風(fēng)環(huán)外圈及鎧甲圈徑向位置過(guò)于靠近磨盤(pán)，風(fēng)環(huán)氣流高速部分避不開(kāi)壓力框架。

基于對(duì)造成加壓框架磨損的可能原因的分析，問(wèn)題處理方案主要圍繞改變導(dǎo)風(fēng)葉片的角度、降低鎧甲圈高度、封堵1號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)正下方風(fēng)環(huán)部分百葉窗通風(fēng)面積等幾個(gè)方向展開(kāi)，合計(jì)原始模型共10種求解方案（見(jiàn)表1），逐個(gè)構(gòu)建幾何模型后進(jìn)行流場(chǎng)分析數(shù)值求解。

3　結(jié)果與討論

圖3　MLS4028原風(fēng)環(huán)結(jié)示意圖

從磨損機(jī)理上講，速差和材料硬度差別是導(dǎo)致磨損的兩個(gè)必要因素。對(duì)該研究對(duì)象而言，材料的硬度因素實(shí)際上是物料自身的磨蝕性，是現(xiàn)實(shí)存在且很難改變的；速度是矢量，速差實(shí)際上包括兩層意思，一是速度大小，二是速度方向。原始模型及各方案CFD計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，相對(duì)于序號(hào)1原始模型，僅從壓力框架被沖刷的速度大小上看，序號(hào)9和序號(hào)10兩種方案較為理想，但序號(hào)9的壓力框架仍存在被大角度沖刷的現(xiàn)象，對(duì)比之后最終選擇了序號(hào)10作為問(wèn)題的最終解決方案。限于篇幅的關(guān)系，本文僅給出原始模型及序號(hào)10的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

3.1　原始模型流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)原始模型的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（圖5），不難發(fā)現(xiàn)壓力框架1號(hào)頂點(diǎn)的斜下側(cè)存在一個(gè)大的渦流，其形成的直接原因是壓力框架1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)的高速繞流和來(lái)自噴口環(huán)的高速旋流。由于風(fēng)環(huán)百葉導(dǎo)風(fēng)板同水平的夾角為63°，斜度較大，導(dǎo)致風(fēng)環(huán)高速旋流不能有效避開(kāi)壓力框架的三個(gè)頂點(diǎn)；另一方面介于壓力框架1號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)正下方的風(fēng)環(huán)導(dǎo)風(fēng)葉片內(nèi)氣流方向與來(lái)自磨機(jī)入口的氣流大致同向，而介于1號(hào)和2號(hào)、2號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)之間正下方的風(fēng)環(huán)導(dǎo)風(fēng)葉片氣流與入磨氣流同向性差甚至逆向，必然導(dǎo)致1號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)正下方的風(fēng)環(huán)風(fēng)速最高。當(dāng)高速氣流流經(jīng)壓力框架1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)，被強(qiáng)行突然改變方向，形成相對(duì)于風(fēng)環(huán)旋流方向的正向繞流和逆向繞流，逆向繞流提供了圖5紅色虛線(xiàn)旋向的初速度（見(jiàn)圖6的1號(hào)頂點(diǎn)下表面速度矢量圖），下部再疊加剛出風(fēng)環(huán)的高速斜向上氣流，高速正向、低速反向的渦流形成條件具備，渦流自然生成。該渦流一方面加劇了1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)反向繞流的速度，增大了固定沖刷磨損速差，另一方面渦流旋轉(zhuǎn)離心力將更多的物料甩向1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)，提高了磨損的物料濃度的同時(shí)，必然加劇了1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)的磨損程度。由于風(fēng)環(huán)偏風(fēng)的原因，2號(hào)和3號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)構(gòu)不成渦流形成條件，其磨損狀態(tài)要好于1號(hào)頂點(diǎn)，這與1號(hào)頂點(diǎn)磨損最為嚴(yán)重，2號(hào)、3號(hào)頂點(diǎn)磨損正常的現(xiàn)象基本吻合。

表1　計(jì)算邊界參數(shù)

表2　方案及計(jì)算結(jié)果

圖4　MLS4028壓力框架磨損的最終解決方案（W600-xb110-byc35）　

圖5　原始模型全局速度矢量圖

圖6　原始模型壓力框加速度矢量圖

3.2　最終方案流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)原始模型的流場(chǎng)分析，不難得出破壞1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)的高速繞流和斜下側(cè)的渦流是解決壓力框架磨損問(wèn)題的關(guān)鍵?；诖耍覀冎贫吮?中序號(hào)2～10的9種解決方案，綜合分析各方案的流場(chǎng)模擬結(jié)果，最后采用了序號(hào)10方案，其流場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7　最終方案全局速度矢量圖

圖8　最終方案壓力框加速度矢量圖

據(jù)圖7，壓力框架1號(hào)頂點(diǎn)斜下方的渦流已不存在，來(lái)自風(fēng)環(huán)的旋流高速部分基本上避開(kāi)了壓力框架的1號(hào)頂點(diǎn)，1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)的高速繞流也基本消失。對(duì)比圖6、圖8，最終方案的1號(hào)頂點(diǎn)下側(cè)已無(wú)反向高速氣流，說(shuō)明高強(qiáng)度固定沖刷現(xiàn)象已經(jīng)消失，且貼壁氣流速度由原始模型的17.7～29.6m/s降至4.7～15.2m/s。因此，相對(duì)于原始模型，無(wú)論是氣固磨損的相對(duì)速差和強(qiáng)度，還是固定沖刷磨損的物料濃度，都得到了很大程度的降低。

天津院聯(lián)合中材（天津）粉體技術(shù)有限公司根據(jù)圖4所示方案圖設(shè)計(jì)了施工圖，并于2017年4月實(shí)施整改，輥磨運(yùn)行至今壓力框架未再出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象。

4　結(jié)語(yǔ)

我們采用CFD流場(chǎng)分析方法研究了輥磨壓力框架的磨損原因、處理方案，成功解決了工程實(shí)際問(wèn)題，從工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上驗(yàn)證了CFD理論分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，節(jié)約了項(xiàng)目運(yùn)行成本和周期。通過(guò)本文的研究，主要收獲有以下兩點(diǎn)：

（1）采用CFD分析處理輥磨的磨損問(wèn)題是一種高效的技術(shù)手段，可推廣應(yīng)用于處理輥壓機(jī)、球磨系統(tǒng)的V型選粉機(jī)、動(dòng)態(tài)選粉機(jī)、風(fēng)機(jī)、非標(biāo)管道等氣固流動(dòng)場(chǎng)合的磨損問(wèn)題。

（2）固定沖刷是造成氣固磨損的直接原因，從設(shè)計(jì)角度來(lái)講，要盡可能避免有可能導(dǎo)致繞流、渦流等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如無(wú)法避免，要盡可能降低固定沖刷的速度和物料濃度。

參考文獻(xiàn)：

[1]昃向博，孫椰望，王濰，周以齊.立式輥磨磨腔內(nèi)部三維兩相湍流分析[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2009，23（7）：279-283.

[2]童聰，李雙躍，綦海軍，任朝富.輥磨選粉機(jī)葉片參數(shù)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2012，12（2）：14-18.

[3]王朝霞，譚心.輥磨選粉機(jī)流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].包鋼科技，2016，42（6）：55-59.

[4]孫椰望.基于多相流技術(shù)的立式磨磨腔流場(chǎng)分析[D].濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[5]劉劍.輥磨磨腔體內(nèi)混合氣流的運(yùn)動(dòng)分析[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[6]王慶陵.基于多相流技術(shù)的立式磨選粉性能分析與流場(chǎng)仿真研究[D].濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[7]楊寶惠.BGSM6026型立式磨流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.■