任素波，李忠陽(yáng)
（燕山大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論系，河北秦皇島 066004）
摘 要：為進(jìn)一步降低燒結(jié)設(shè)備在燒結(jié)過程中的漏風(fēng)率，在燒結(jié)機(jī)側(cè)部密封裝置內(nèi)增加了一種能夠降低負(fù)壓的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)改進(jìn)裝置入口速度的數(shù)值模擬優(yōu)化密封裝置內(nèi)新增結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，最后，嘗試改變其邊界條件降低入口速度，提高密封性。結(jié)果表明，密封腔內(nèi)兩凹槽的距離為 16mm，入口流體速度最低，凹槽厚度變化對(duì)入口速度沒有顯著影響；而且入口流體速度隨著出口負(fù)壓減小而減小，密封腔內(nèi)增加的凹槽具有降低壓強(qiáng)和滯留流體的作用。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)機(jī)；密封腔；凹槽；數(shù)值模擬
1 引言
隨著新技術(shù)、新方法的日新月異，我國(guó)制造業(yè)技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，尤其表現(xiàn)在燒結(jié)領(lǐng)域的鐵礦石燒結(jié)技術(shù)上，克服了一些技術(shù)不能解決的難題，與此同時(shí)，鐵礦石燒結(jié)技術(shù)也不是十全十美的，燒結(jié)設(shè)備在燒結(jié)過程中的漏風(fēng)問題也是致命的。鋼鐵燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)增加了燒結(jié)能耗，降低了燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量[1]，這與可持續(xù)發(fā)展理念、綠色發(fā)展相違背，因此，為“碳達(dá)峰”和“碳中和”工作任務(wù)減輕負(fù)擔(dān)，燒結(jié)設(shè)備漏風(fēng)治理在提高能源利用率和降低污染物和碳排放之中扮演著不可或缺的重要角色。
國(guó)內(nèi)漏風(fēng)率普遍在 60%左右[2]，是不容忽視的問題。針對(duì)燒結(jié)設(shè)備運(yùn)行中的漏風(fēng)問題，國(guó)內(nèi)的有關(guān)專家和學(xué)者也做了不少的研究：董京波根據(jù)改善后的臺(tái)車下?lián)献冃未笮∫约盁Y(jié)機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)出新型的柔性迷宮密封裝置并進(jìn)行仿真[3]。劉波等人針對(duì)燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng)問題，分析了其漏風(fēng)原因，找出了相應(yīng)的漏風(fēng)環(huán)節(jié)，介紹了負(fù)壓吸附式端部密封技術(shù)和新型滑道密封技術(shù)[4]。羅文平通過對(duì)高鐵低硅燒結(jié)成礦機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)改善固相反應(yīng)條件，提高 CaO 的礦化度是提升產(chǎn)、質(zhì)量的關(guān)鍵[5]。白明華和任素波針對(duì)燒結(jié)機(jī)頭尾漏風(fēng)問題提出一種鋼球與強(qiáng)磁鐵復(fù)合式頭尾密封裝置[6]。強(qiáng)伶蘭提出一種密封可靠，耐久性高的燒結(jié)機(jī)重錘式端部密封裝置[7]。檀春來研究了一種燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)密封裝置[8]。盧興福等人針對(duì)燒結(jié)機(jī)頭尾端部漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，分析了傳統(tǒng)帶灰箱的分塊式剛性密封裝置的漏風(fēng)原因與改進(jìn)途徑，并基于差壓吸附密封的原理，提出采用負(fù)壓吸附式端部密封技術(shù)來降低燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng)率[9]，何聶等人建立其仿真分析模型，研究了壓差、彈性密封板厚度及其材料的彈性模量對(duì)差壓吸附式密封技術(shù)漏風(fēng)的影響[10]。曹勝華對(duì)環(huán)冷機(jī)使用過程中存在的漏風(fēng)、摩擦輪打滑和跑偏等主要問題進(jìn)行了分析研究，并實(shí)施了一系列治理和改進(jìn)[11]。劉克儉等人提出了跨壓差排灰的概念，介紹了燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)中跨壓差排灰技術(shù)的現(xiàn)狀及特點(diǎn)；提出了有效解決跨壓差排灰問題的分相密封技術(shù)，基于分相密封技術(shù)的獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥及其在燒結(jié)球團(tuán)中的應(yīng)用[12]。蔣大年針對(duì)燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)問題，提出風(fēng)機(jī)和風(fēng)箱間漏風(fēng)、頭尾密封和臺(tái)車底面間漏風(fēng)、臺(tái)車本體漏風(fēng)、臺(tái)車和風(fēng)箱滑道間漏風(fēng)四大典型漏風(fēng)部分，深入探討全封閉多級(jí)磁力迷宮密封技術(shù)與全金屬柔磁性密封裝置的密封性[13]。宋立麗針對(duì)環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)問題提出了柔磁性和鋼刷密封的綜合治理建議[14]。任曉東設(shè)計(jì)了一種軟密封燒結(jié)機(jī)臺(tái)車滑道[15]。盡管上述研究成果在一定程度上已經(jīng)降低了燒結(jié)設(shè)備的漏風(fēng)率，但是燒結(jié)設(shè)備漏風(fēng)問題不是一朝一夕就能解決的，從其漏風(fēng)機(jī)理深入剖析并設(shè)計(jì)相適應(yīng)的密封裝置，再探究密封性也能促進(jìn)問題的解決，具有一定的研究意義。
2 模型與邊界條件
2.1 幾何模型與邊界條件
針對(duì)臺(tái)車側(cè)滑道和側(cè)欄板漏風(fēng)問題，根據(jù)臺(tái)車的尺寸和實(shí)際的工作環(huán)境初步設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的側(cè)部密封裝置，如圖 1 所示，為改進(jìn)后的側(cè)部密封裝置的截面圖，主要由兩塊密封板和兩塊橡膠構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上密封腔內(nèi)部增設(shè)兩塊密封板，用于降低負(fù)壓提高密封性。為此，建立內(nèi)部的流體模型，如圖 2 所示，增設(shè)的密封板在流體模型中體現(xiàn)為兩個(gè)凹槽，以改進(jìn)后的流體模型為研究對(duì)象，對(duì)其劃分網(wǎng)格，合理設(shè)置邊界條件，研究其速度和壓力的分布情況。
模型采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型和能量方程。入口邊界設(shè)置為壓力入口，設(shè)置初始?jí)毫?0Pa，溫度 300K；出口邊界設(shè)置為壓力出口，設(shè)置壓力為–12000Pa，溫度為 300K。其余壁面均采用混合傳熱條件，換熱系數(shù)為 10W/m2 ·K，外部輻射溫度和自有流溫度均設(shè)置為 300K。
2.2 控制方程
（1）質(zhì)量守恒方程：可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程為：
（2）能量守恒方程：
3 結(jié)果與討論
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
基于上述模型與邊界條件，仿真所得的結(jié)果為入口風(fēng)速在 xy 平面內(nèi)均勻分布，只有在 Z 方向上發(fā)生了大小的變化，于是在入口的中心位置建立一條平行于 Z 方向的直線，提取直線上的數(shù)據(jù)，做出曲線圖，研究流體速度的變化趨勢(shì)。如圖 3 和圖 4 所示，分別為密封腔內(nèi)兩凹槽之間的距離及凹槽其厚度對(duì)入口流體速度的影響。從圖 3 曲線可知，入口流體速度曲線隨 Z 向位置的變化趨勢(shì)相近，其中密封腔內(nèi)兩凹槽距離為16mm、20mm 和 22mm 時(shí)曲線幾乎同步，但距離為 16mm 時(shí)速度峰值最小，密封腔內(nèi)兩凹槽距離為 10 mm和 28mm 時(shí)曲線趨于一致，速度峰值最大。從圖 4 可知，幾條曲線接近重合，即曲線上的速度值較為接近，因而，密封腔內(nèi)凹槽厚度對(duì)入口流體速度大小的影響是微不足道的。
3.2 邊界條件優(yōu)化
從理論上分析，燒結(jié)設(shè)備的漏風(fēng)主要原因是風(fēng)箱的負(fù)壓作用，因此，通過降低出口的負(fù)壓值，探究對(duì)密封性的影響，如圖 5 所示，與理論分析一致，入口流體速度隨著出口負(fù)壓減小而減小，而且曲線間的間隔近似相等，則說明入口流體速度與出口負(fù)壓存在著近似的關(guān)線性關(guān)系。根據(jù)圖 6 曲線，從整體上觀察，最小壓強(qiáng)值是隨著出口負(fù)壓減小而減小的，但是出口壓強(qiáng)值為–8000Pa 時(shí)的最小壓強(qiáng)值卻高于–10000Pa 時(shí)的最小壓強(qiáng)值。
以負(fù)壓為 4000Pa 的仿真結(jié)果為研究對(duì)象，從圖 7 的中性截面壓力云圖可知，在密封槽內(nèi)加裝凹槽后，密封腔內(nèi)和入口處的壓強(qiáng)顯著降低，而且密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)也較為均勻，對(duì)材料的應(yīng)力集中作用不明顯，十分有利于阻止泄露、維護(hù)密封作用。從圖 8 的中性截面速度分布云圖可知，流體在密封腔內(nèi)呈現(xiàn)“S”形流動(dòng)，主要起到滯留流體，減少泄露的作用，而且在出入口流道處的流速最高。
4 結(jié)論
（1）所設(shè)計(jì)裝置在密封腔內(nèi)增加兩凹槽距離為 16mm 時(shí)，入口流體速度最小；而凹槽厚度對(duì)入口流體速度大小的影響很小。
（2）入口流體速度隨著出口負(fù)壓減小而減小。密封腔內(nèi)增加的凹槽具有降低壓強(qiáng)和滯留流體的作用。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 張安煜. 燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)控制技術(shù)研究[D]. 青島: 青島大學(xué), 2019.
[2] 秦大剛, 王允清, 李興文, 陳虎, 廖敏. 應(yīng)用磁力密封技術(shù)有效降低燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率[N]. 世界金屬導(dǎo)報(bào), 2014-04-29(B07).
[3] 董京波. 430m2 帶式燒結(jié)機(jī)柔性迷宮密封裝置設(shè)計(jì)與仿真[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2016.
[4] 劉波, 葉恒棣, 盧興福, 劉相佩, 周勝良, 劉克儉. 燒結(jié)機(jī)低漏風(fēng)綜合密封技術(shù)及其在寶鋼湛江的應(yīng)用[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2018, 43(02): 48-53.
[5] 羅文平, 趙改革. 湘鋼高鐵低硅燒結(jié)技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2017, 42(06): 39-42+62.
[6] 白明華, 任素波. 燒結(jié)機(jī)用鋼球與強(qiáng)磁鐵復(fù)合式密封裝置[P]. 河北?。篊N110044180B, 2020-01-10.
[7] 強(qiáng)伶蘭. 燒結(jié)機(jī)重錘式端部密封裝置[P]. 江蘇?。篊N213631574U, 2021-07-06.
[8] 檀春來. 一種燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)密封裝置[P]. 安徽?。篊N212868437U, 2021-04-02.
[9] 盧興福, 劉克儉, 于耀濤, 寧江波. 燒結(jié)機(jī)頭尾端部密封技術(shù)改進(jìn)與應(yīng)用[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2020, 45(03): 8-12.
[10] 何聶, 龔曙光, 盧興福, 劉克儉, 葉恒棣. 差壓吸附式密封技術(shù)及其在燒結(jié)機(jī)的應(yīng)用[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2020, 45(01): 1-6+24.
[11] 曹勝華. 415m2 環(huán)冷機(jī)漏風(fēng)、打滑及跑偏治理[J]. 河北冶金, 2019, {4}(10): 69-74.
[12] 劉克儉, 姜俠, 戴波. 燒結(jié)球團(tuán)分相密封技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2018, 43(01): 57-60+77.
[13] 蔣大年. 燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)治理技術(shù)分析[J]. 中國(guó)設(shè)備工程, 2017, {4}(08): 77-78.
[14] 宋立麗, 劉昕. 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)密封技術(shù)[J]. 化工管理, 2017, {4}(11): 205.
[15] 任曉東. 一種軟密封燒結(jié)機(jī)臺(tái)車滑道[P]. 北京市：CN213481003U, 2021-06-18.