阀板开启过程磁介质行为的数值模拟

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(石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

烧结机漏风治理一直为业界所关注,漏风，不仅使烧结矿生产能耗高、产率低、质量下降，还污染环境。传统卸灰阀密封性能的改造，注重密封垫片、弹簧补偿装置、阀板打开方式、打开速度以及配重结构问题[1]，有的进行密封装置改造[2]，还有的对烧结机采用全封闭技术[3]，使漏风问题得以改善。我们提出的烧结机磁力密封装置[4-6]，有望彻底解决烧结机的漏风问题。为了弄清磁力密封卸灰阀在阀板开启过程磁介质的行为，诠释卸灰阀磁密封机构的可靠性，选用收敛性、稳定性和精度公认为较高[7-8]的ANSYS及FLUENT数值分析软件，对卸灰阀阀板开启过程磁介质的行为，进行了数值模拟。

1 模拟计算参数

将烧结机用磁力密封卸灰阀[6]的密封介质作为研究对象，主要由亚铁磁性粉末构成。粉末颗粒细小、表面能大、易团聚[9]。Ranbinow J提出的“磁流变效应”指出施加外加磁场后，磁介质中的磁性颗粒有序分布，在基液中成链状[10]。模拟磁力线分布能反应出磁性颗粒位置情况，模拟磁介质流动能反应出磁介质在阀板闭合时的位移趋势。

模拟过程相关参数来源于实际测定和相关资料。磁介质由实际测定得到：将磁介质装入内径为3 mm的软管内，装入量不超过6 mm长，两端塞进，用VSM振动样品磁强计测得磁介质的相对磁导率为1.08；用LS908(A)型激光粒度分布仪测得磁介质中磁性粉末的粒径为28～35 μm，模拟计算时取值为35 μm；用SNB-1型数字旋转粘度计测得磁介质粘度为36 060～37 000 mPa·s；用阿基米德法测得磁介质的密度为3 500 kg/m3。实际烧结机负压小于20 kPa，模拟取值20 kPa。

作为磁场源的永磁体，采用NIM-15000H大块稀土永磁测量系统，测得其剩余磁感应强度为1.188 T和磁感矫顽力为915 kA/m，求得其相对磁导率为1.164。

其它参数，不导磁介质(阀板、空气)相对磁导率为1，磁极材料磁导率选为300[11]。

2 模拟计算

2.1 ANSYS磁场分析过程

磁力密封装置的二维静态磁场分析，设置GUI菜单过滤为“Magnetic-Nodal”，选用PLANE53，8节点四边形磁实体矢量单元。磁场源并非完全不漏磁结构，故需要对少部分空气建模，强制磁力线与表面平行，边界条件AZ=0。材料属性参数如表1所示。

由以上材料属性显示ANSYS仿真模拟模型如图1所示。网格划分完后，将磁介质及阀板等组件加载求解得到磁力线分布图。

表1 模拟参数材料属性表

2.2 FLUENT对磁介质位移行为的数值模拟

由实验前期的理论推导与实验得出密封磁介质的模拟参数如表2。

表2 密封磁介质物性参数

图2 密封介质模型网格划分

模型计算域网格采用非均匀化网格，并综合考虑了计算的准确性和高效性，计算域如图2所示。

网格左右两侧非划分区域分别为磁场源和阀板，网格中间为磁密封介质区域，是本模拟分析的重点，网格划分较密集，上下较稀疏网格划分区域为空气，相对磁导率值为1。

模拟过程中，忽略能量传输、温度变化对微粒位移行为的极小影响，将Gambit中建立的模型导入FLUENT，采用压力-速度耦合的SIMPLE算法，迭代过程中取库朗数为1，迭代步长设在10-6～10-4s范围内，得到结果后导入Tecplot进行后处理。

3 仿真计算结果及分析

图3 密封机构磁力线分布情况

(1)一对磁极形成三级密封。阀板闭合状态，ANSYS磁场模拟结果如图3所示，磁密封机构中磁力线分布，在阀板与磁场源之间(密封间隙)的上下部位(磁极区)密度较高，磁力线方向根据磁密封机构漏磁与否而异。不漏磁机构磁力线大部分由N极经磁介质到S极；漏磁机构，以磁极中部为界，内侧磁力线由N极经磁介质到S极，外侧经磁介质向外形成漏磁，在磁极中部形成磁力线密度最低区。作为密封机构，前者(不漏磁机构)为厚的一级密封；后者(漏磁机构)为“薄-较厚-薄”三级密封。即，一对磁极形成了三级密封。

但事实上，前者(不漏磁机构)难以实现，后者(漏磁机构)是实际存在状态。

图4 阀板闭合时磁介质位移情况

(2)在磁场中磁介质仍受重力影响。FLUENT模拟阀板完全闭合状态磁介质位移情况如图4所示。

在重力、固液气表面张力等作用下，密封介质沿阀板间隙有一定程度下滑，如图4(b)，磁介质呈“上凹下凸”形态。上下边缘变淡说明磁介质混入了空气。表明：尽管有磁场约束，磁介质还是受重力影响。分析原因：可能是由于密封能力已经足够大，卸灰阀上下存在的不超过20 kPa(按20 kPa计)方向向上的压差，不足以抽吸磁介质向上，但磁力的作用也不会继续下滑。

图5 阀板闭合时磁介质形态

(3)阀板开启时首先受扰动的是上下边缘处的磁介质。FLUENT模拟阀板由闭合状态开始打开时，磁介质位移情况如图5所示。由图5(a)、(b)可见，打开过程的开始时刻，磁介质流动性并不大，只是周边空气流速快，密封装置上下边缘位置介质流速较快，微粒位移较内部介质大。图5(c)、(d)磁介质磁矢迹线图及矢量图与ANSYS磁介质磁力线分析相近。表明阀板开启时首先受扰动的是上下边缘处的磁介质。

图6 阀板下降2 mm时速度等值图

(4)阀板开启1/5时，磁介质有剪切润滑降低阀板移动阻力的作用，呈“上凸下凹”形态，密封处于临界状态FLUENT模拟阀板在打开过程下降1/5(2 mm)时，磁介质行为如图6、图7所示。

从图中可以看出，磁介质上下边缘及密封间隙中部速度较大,在贴近阀板和磁场源两侧的部分移动速度较小。

这是由于在阀板做微小位移时，磁介质基本处于等磁位状态，固液界面张力及颗粒阀板间的摩擦力作用使贴近阀板的磁介质随阀板同步移动；而贴近磁场源的磁介质随磁场源固定不动。从而，在密封间隙中部磁介质速度最大。表明磁介质有剪切润滑降低阀板移动阻力的作用。

上下边缘磁介质受阀板移动的扰动也产生较大的速度。

因磁场作用下沿磁力线分布的磁性颗粒链在阀板打开过程中，边缘介质受到相邻磁性颗粒间的作用力减小，产生移动。如图7(a)，密封装置边缘与空气接触的介质，在上下压差及界面张力作用下，呈现“上凸下凹”状态，下边缘有斜上速度。表明，阀板下降2 mm时密封性已经减弱，20 kPa方向向上的压差对磁介质产生了向上的推力，密封处于临界状态。

图7(b)表明，位于迹线上的磁性颗粒有沿迹线所示轨迹移动的趋势。而此时的磁矢量如图7(d)所示，磁性颗粒向两个磁极紧密排布成环路。从而，磁介质受磁场作用稳定于密封部位。

图7 阀板下降2 mm时磁介质状态

图8 速度等值图

(5)阀板开启2/5时，磁介质处于稳定状态，再次呈“上凹下凸”状，阀板上下连通。

阀板下降2/5(4 mm)时，如图8～图10所示。

如图8所示，大部分磁介质处于稳定状态，只有上下边缘及两磁极中间部位靠近阀板的少部分磁介质速度较大。说明，当阀板脱离磁场较大距离时，磁介质不再处于等磁位状态，而受磁场作用，脱离阀板回到磁场源附近。

由图9可见，磁极周围磁介质位移有“涡流倾向”，但如图10磁极周围磁场强度大，磁性颗粒会紧密有序排列于磁极周边，在两磁极之间，磁力相对减弱，而出现气孔。从矢量图知，固液气交界处颗粒位移变化值大，而气孔的出现说明阀板下降4 mm时，已经不能保证密封稳定性，因此，阀板开启3/5、4/5时不予讨论。由于密封装置下部压强高于上部，气体又由下部进入，造成压差降低。由图9(a)、图9(b)知，磁介质在密封间隙中不再“上凸下凹”，而呈“下凸上凹”状，表明阀板上下已经连通。

图10与图7对比知，阀板打开对磁场分布无影响。说明，阀板位移较大时，磁介质不再处于等磁位状态，而受磁场约束，脱离了阀板的引力，重新积聚于磁场源，处于稳定状态。保证了磁介质不被阀板带走，维持磁力密封机构的正常运行。

图9 阀板下降4 mm磁介质状态

图10 阀板下降4 mm时磁介质状态

(6)阀板完全打开时，磁介质向外缘扩张， 上少下多呈“半梨”状稳定存在。当阀板完全打开，密封介质行为如图11所示，呈“半梨”状。

阀板完全打开时，阀板移走，磁介质聚集于磁场源附近，呈下多上少态，其表面接触空气并有基液析出。如图11(b)～(e)，反映出阀板完全打开撤走的瞬间，磁介质呈现出3个“涡流”状位移路径，但由于磁场力作用，最终聚集、稳定于磁场源附近呈“半梨”状稳定存在。

图11 阀板完全打开介质状态

4 结论

(1)阀板处于闭合状态时,易形成“一对磁极三级密封”的磁密封机构；此时磁介质呈“上凹下凸”形态，表明密封能力足够大，磁介质在磁场中仍受重力影响。

(2)阀板开启时首先受扰动的是上下边缘处的磁介质。

(3)当阀板开启1/5时，因阀板产生的位移微小，磁介质处于等磁位状态，呈现中部速度较大，有剪切润滑降低阀板移动阻力的作用；磁介质呈“上凸下凹”形态，表明密封处于临界状态。

(4)阀板开启2/5时，大部分磁介质吸附于磁场源，处于稳定状态，仅上下边缘及两磁极中间部位靠近阀板的少部分磁介质速度较大。表明，当阀板位移较大时磁介质不再是等磁位状态，此时将受磁场约束，脱离阀板的引力，重新积聚于磁场源，处于稳定状态。由此保证了磁介质不被阀板带走，维持磁力密封机构的正常运行。磁介质再次呈“上凹下凸”状，表明阀板上下连通。

(5)阀板完全打开时，磁介质未随阀板移动，均吸附于磁场源处，呈上少下多的“半梨”状形态稳定存在，表明磁介质基本无损耗。

(6)本磁密封机构密封性好，运行可靠。