豆海建,王維莉,秦中華,杜鑫,柴星騰,于濤
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。
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
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)。
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。
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。
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
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。
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。
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