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(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

燒結機漏風治理一直為業(yè)界所關注,漏風，不僅使燒結礦生產能耗高、產率低、質量下降，還污染環(huán)境。傳統(tǒng)卸灰閥密封性能的改造，注重密封墊片、彈簧補償裝置、閥板打開方式、打開速度以及配重結構問題[1]，有的進行密封裝置改造[2]，還有的對燒結機采用全封閉技術[3]，使漏風問題得以改善。我們提出的燒結機磁力密封裝置[4-6]，有望徹底解決燒結機的漏風問題。為了弄清磁力密封卸灰閥在閥板開啟過程磁介質的行為，詮釋卸灰閥磁密封機構的可靠性，選用收斂性、穩(wěn)定性和精度公認為較高[7-8]的ANSYS及FLUENT數(shù)值分析軟件，對卸灰閥閥板開啟過程磁介質的行為，進行了數(shù)值模擬。

1 模擬計算參數(shù)

將燒結機用磁力密封卸灰閥[6]的密封介質作為研究對象，主要由亞鐵磁性粉末構成。粉末顆粒細小、表面能大、易團聚[9]。Ranbinow J提出的“磁流變效應”指出施加外加磁場后，磁介質中的磁性顆粒有序分布，在基液中成鏈狀[10]。模擬磁力線分布能反應出磁性顆粒位置情況，模擬磁介質流動能反應出磁介質在閥板閉合時的位移趨勢。

模擬過程相關參數(shù)來源于實際測定和相關資料。磁介質由實際測定得到：將磁介質裝入內徑為3 mm的軟管內，裝入量不超過6 mm長，兩端塞進，用VSM振動樣品磁強計測得磁介質的相對磁導率為1.08；用LS908(A)型激光粒度分布儀測得磁介質中磁性粉末的粒徑為28～35 μm，模擬計算時取值為35 μm；用SNB-1型數(shù)字旋轉粘度計測得磁介質粘度為36 060～37 000 mPa·s；用阿基米德法測得磁介質的密度為3 500 kg/m3。實際燒結機負壓小于20 kPa，模擬取值20 kPa。

作為磁場源的永磁體，采用NIM-15000H大塊稀土永磁測量系統(tǒng)，測得其剩余磁感應強度為1.188 T和磁感矯頑力為915 kA/m，求得其相對磁導率為1.164。

其它參數(shù)，不導磁介質(閥板、空氣)相對磁導率為1，磁極材料磁導率選為300[11]。

2 模擬計算

2.1 ANSYS磁場分析過程

磁力密封裝置的二維靜態(tài)磁場分析，設置GUI菜單過濾為“Magnetic-Nodal”，選用PLANE53，8節(jié)點四邊形磁實體矢量單元。磁場源并非完全不漏磁結構，故需要對少部分空氣建模，強制磁力線與表面平行，邊界條件AZ=0。材料屬性參數(shù)如表1所示。

由以上材料屬性顯示ANSYS仿真模擬模型如圖1所示。網格劃分完后，將磁介質及閥板等組件加載求解得到磁力線分布圖。

表1 模擬參數(shù)材料屬性表

2.2 FLUENT對磁介質位移行為的數(shù)值模擬

由實驗前期的理論推導與實驗得出密封磁介質的模擬參數(shù)如表2。

表2 密封磁介質物性參數(shù)

圖2 密封介質模型網格劃分

模型計算域網格采用非均勻化網格，并綜合考慮了計算的準確性和高效性，計算域如圖2所示。

網格左右兩側非劃分區(qū)域分別為磁場源和閥板，網格中間為磁密封介質區(qū)域，是本模擬分析的重點，網格劃分較密集，上下較稀疏網格劃分區(qū)域為空氣，相對磁導率值為1。

模擬過程中，忽略能量傳輸、溫度變化對微粒位移行為的極小影響，將Gambit中建立的模型導入FLUENT，采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，迭代過程中取庫朗數(shù)為1，迭代步長設在10-6～10-4s范圍內，得到結果后導入Tecplot進行后處理。

3 仿真計算結果及分析

圖3 密封機構磁力線分布情況

(1)一對磁極形成三級密封。閥板閉合狀態(tài)，ANSYS磁場模擬結果如圖3所示，磁密封機構中磁力線分布，在閥板與磁場源之間(密封間隙)的上下部位(磁極區(qū))密度較高，磁力線方向根據磁密封機構漏磁與否而異。不漏磁機構磁力線大部分由N極經磁介質到S極；漏磁機構，以磁極中部為界，內側磁力線由N極經磁介質到S極，外側經磁介質向外形成漏磁，在磁極中部形成磁力線密度最低區(qū)。作為密封機構，前者(不漏磁機構)為厚的一級密封；后者(漏磁機構)為“薄-較厚-薄”三級密封。即，一對磁極形成了三級密封。

但事實上，前者(不漏磁機構)難以實現(xiàn)，后者(漏磁機構)是實際存在狀態(tài)。

圖4 閥板閉合時磁介質位移情況

(2)在磁場中磁介質仍受重力影響。FLUENT模擬閥板完全閉合狀態(tài)磁介質位移情況如圖4所示。

在重力、固液氣表面張力等作用下，密封介質沿閥板間隙有一定程度下滑，如圖4(b)，磁介質呈“上凹下凸”形態(tài)。上下邊緣變淡說明磁介質混入了空氣。表明：盡管有磁場約束，磁介質還是受重力影響。分析原因：可能是由于密封能力已經足夠大，卸灰閥上下存在的不超過20 kPa(按20 kPa計)方向向上的壓差，不足以抽吸磁介質向上，但磁力的作用也不會繼續(xù)下滑。

圖5 閥板閉合時磁介質形態(tài)

(3)閥板開啟時首先受擾動的是上下邊緣處的磁介質。FLUENT模擬閥板由閉合狀態(tài)開始打開時，磁介質位移情況如圖5所示。由圖5(a)、(b)可見，打開過程的開始時刻，磁介質流動性并不大，只是周邊空氣流速快，密封裝置上下邊緣位置介質流速較快，微粒位移較內部介質大。圖5(c)、(d)磁介質磁矢跡線圖及矢量圖與ANSYS磁介質磁力線分析相近。表明閥板開啟時首先受擾動的是上下邊緣處的磁介質。

圖6 閥板下降2 mm時速度等值圖

(4)閥板開啟1/5時，磁介質有剪切潤滑降低閥板移動阻力的作用，呈“上凸下凹”形態(tài)，密封處于臨界狀態(tài)FLUENT模擬閥板在打開過程下降1/5(2 mm)時，磁介質行為如圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，磁介質上下邊緣及密封間隙中部速度較大,在貼近閥板和磁場源兩側的部分移動速度較小。

這是由于在閥板做微小位移時，磁介質基本處于等磁位狀態(tài)，固液界面張力及顆粒閥板間的摩擦力作用使貼近閥板的磁介質隨閥板同步移動；而貼近磁場源的磁介質隨磁場源固定不動。從而，在密封間隙中部磁介質速度最大。表明磁介質有剪切潤滑降低閥板移動阻力的作用。

上下邊緣磁介質受閥板移動的擾動也產生較大的速度。

因磁場作用下沿磁力線分布的磁性顆粒鏈在閥板打開過程中，邊緣介質受到相鄰磁性顆粒間的作用力減小，產生移動。如圖7(a)，密封裝置邊緣與空氣接觸的介質，在上下壓差及界面張力作用下，呈現(xiàn)“上凸下凹”狀態(tài)，下邊緣有斜上速度。表明，閥板下降2 mm時密封性已經減弱，20 kPa方向向上的壓差對磁介質產生了向上的推力，密封處于臨界狀態(tài)。

圖7(b)表明，位于跡線上的磁性顆粒有沿跡線所示軌跡移動的趨勢。而此時的磁矢量如圖7(d)所示，磁性顆粒向兩個磁極緊密排布成環(huán)路。從而，磁介質受磁場作用穩(wěn)定于密封部位。

圖7 閥板下降2 mm時磁介質狀態(tài)

圖8 速度等值圖

(5)閥板開啟2/5時，磁介質處于穩(wěn)定狀態(tài)，再次呈“上凹下凸”狀，閥板上下連通。

閥板下降2/5(4 mm)時，如圖8～圖10所示。

如圖8所示，大部分磁介質處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有上下邊緣及兩磁極中間部位靠近閥板的少部分磁介質速度較大。說明，當閥板脫離磁場較大距離時，磁介質不再處于等磁位狀態(tài)，而受磁場作用，脫離閥板回到磁場源附近。

由圖9可見，磁極周圍磁介質位移有“渦流傾向”，但如圖10磁極周圍磁場強度大，磁性顆粒會緊密有序排列于磁極周邊，在兩磁極之間，磁力相對減弱，而出現(xiàn)氣孔。從矢量圖知，固液氣交界處顆粒位移變化值大，而氣孔的出現(xiàn)說明閥板下降4 mm時，已經不能保證密封穩(wěn)定性，因此，閥板開啟3/5、4/5時不予討論。由于密封裝置下部壓強高于上部，氣體又由下部進入，造成壓差降低。由圖9(a)、圖9(b)知，磁介質在密封間隙中不再“上凸下凹”，而呈“下凸上凹”狀，表明閥板上下已經連通。

圖10與圖7對比知，閥板打開對磁場分布無影響。說明，閥板位移較大時，磁介質不再處于等磁位狀態(tài)，而受磁場約束，脫離了閥板的引力，重新積聚于磁場源，處于穩(wěn)定狀態(tài)。保證了磁介質不被閥板帶走，維持磁力密封機構的正常運行。

圖9 閥板下降4 mm磁介質狀態(tài)

圖10 閥板下降4 mm時磁介質狀態(tài)

(6)閥板完全打開時，磁介質向外緣擴張， 上少下多呈“半梨”狀穩(wěn)定存在。當閥板完全打開，密封介質行為如圖11所示，呈“半梨”狀。

閥板完全打開時，閥板移走，磁介質聚集于磁場源附近，呈下多上少態(tài)，其表面接觸空氣并有基液析出。如圖11(b)～(e)，反映出閥板完全打開撤走的瞬間，磁介質呈現(xiàn)出3個“渦流”狀位移路徑，但由于磁場力作用，最終聚集、穩(wěn)定于磁場源附近呈“半梨”狀穩(wěn)定存在。

圖11 閥板完全打開介質狀態(tài)

4 結論

(1)閥板處于閉合狀態(tài)時,易形成“一對磁極三級密封”的磁密封機構；此時磁介質呈“上凹下凸”形態(tài)，表明密封能力足夠大，磁介質在磁場中仍受重力影響。

(2)閥板開啟時首先受擾動的是上下邊緣處的磁介質。

(3)當閥板開啟1/5時，因閥板產生的位移微小，磁介質處于等磁位狀態(tài)，呈現(xiàn)中部速度較大，有剪切潤滑降低閥板移動阻力的作用；磁介質呈“上凸下凹”形態(tài)，表明密封處于臨界狀態(tài)。

(4)閥板開啟2/5時，大部分磁介質吸附于磁場源，處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅上下邊緣及兩磁極中間部位靠近閥板的少部分磁介質速度較大。表明，當閥板位移較大時磁介質不再是等磁位狀態(tài)，此時將受磁場約束，脫離閥板的引力，重新積聚于磁場源，處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此保證了磁介質不被閥板帶走，維持磁力密封機構的正常運行。磁介質再次呈“上凹下凸”狀，表明閥板上下連通。

(5)閥板完全打開時，磁介質未隨閥板移動，均吸附于磁場源處，呈上少下多的“半梨”狀形態(tài)穩(wěn)定存在，表明磁介質基本無損耗。

(6)本磁密封機構密封性好，運行可靠。