輥磨壓力框架磨損問題的流場分析研究

豆海建，王維莉，秦中華，杜鑫，柴星騰，于濤

1　引言

我國是水泥生產(chǎn)和消費(fèi)大國，改革開放以來，受益于經(jīng)濟(jì)高速增長，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、國產(chǎn)化，關(guān)鍵主機(jī)設(shè)備的性能指標(biāo)同國外同類產(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、國產(chǎn)化的典型代表，國內(nèi)各大設(shè)計院相繼推出了眾多配套5 000t/h生產(chǎn)線以上的大型輥磨，如天津院TRM53.4、合肥院HRM4800等。另一方面，輥磨長期以來的粗放型發(fā)展模式也帶來了一些問題，如產(chǎn)品的創(chuàng)新性不足、缺乏賣點、磨機(jī)壓差等性能參數(shù)不理想等。針對以上問題，國內(nèi)眾多科研院所均開展了對輥磨的理論研究，其中采用CFD數(shù)值仿真技術(shù)手段開展磨內(nèi)流場研究的最常見[1-7]。

目前，對輥磨流場研究的重點多集中于輥磨腔體內(nèi)氣固流場特征、選粉機(jī)流場及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，對輥磨內(nèi)磨損問題進(jìn)行流場分析的研究較少。針對中材（天津）粉體技術(shù)裝備有限公司在執(zhí)行某廠MLS4028生料磨技改項目時出現(xiàn)的壓力框架異常磨損問題，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物模型，以標(biāo)定風(fēng)量為計算邊界條件，研究了導(dǎo)致壓力框架異常磨損的原因，制定并實施了整改方案，取得了良好的效果。

2　試驗

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)場測繪的磨機(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（見圖1），然后采用網(wǎng)格生成軟件構(gòu)建計算網(wǎng)格（見圖2）。計算網(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，共計生成2 463 014個高質(zhì)量計算網(wǎng)格，網(wǎng)格扭曲率≤0.77，網(wǎng)格細(xì)長比≤4.5。

圖1　MLS4028求解幾何模型

圖2　MLS4028計算網(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。初始化后開始迭代計算，收斂標(biāo)準(zhǔn)以監(jiān)控的中殼體出口平均風(fēng)速曲線長時間周期性波動和進(jìn)出口質(zhì)量平衡（≤10-3）為判斷依據(jù)。

2.3　問題分析求解方案

根據(jù)對壓力框架現(xiàn)場磨損情況的勘察，發(fā)現(xiàn)磨損位置主要位于壓力框架的1號頂點下表面，而2號、3號頂點的磨損正常，尤其是3號頂點，幾乎無磨損。磨機(jī)技改后風(fēng)環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖3，從1號頂點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號和3號頂點正下方的風(fēng)環(huán)偏風(fēng)；鎧甲圈高度過高；風(fēng)環(huán)外圈及鎧甲圈徑向位置過于靠近磨盤，風(fēng)環(huán)氣流高速部分避不開壓力框架。

基于對造成加壓框架磨損的可能原因的分析，問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號和3號頂點正下方風(fēng)環(huán)部分百葉窗通風(fēng)面積等幾個方向展開，合計原始模型共10種求解方案（見表1），逐個構(gòu)建幾何模型后進(jìn)行流場分析數(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)致磨損的兩個必要因素。對該研究對象而言，材料的硬度因素實際上是物料自身的磨蝕性，是現(xiàn)實存在且很難改變的；速度是矢量，速差實際上包括兩層意思，一是速度大小，二是速度方向。原始模型及各方案CFD計算數(shù)據(jù)見表2，相對于序號1原始模型，僅從壓力框架被沖刷的速度大小上看，序號9和序號10兩種方案較為理想，但序號9的壓力框架仍存在被大角度沖刷的現(xiàn)象，對比之后最終選擇了序號10作為問題的最終解決方案。限于篇幅的關(guān)系，本文僅給出原始模型及序號10的流場計算結(jié)果。

3.1　原始模型流場計算結(jié)果

根據(jù)原始模型的流場計算結(jié)果（圖5），不難發(fā)現(xiàn)壓力框架1號頂點的斜下側(cè)存在一個大的渦流，其形成的直接原因是壓力框架1號頂點下側(cè)的高速繞流和來自噴口環(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壓力框架的三個頂點；另一方面介于壓力框架1號和3號頂點正下方的風(fēng)環(huán)導(dǎo)風(fēng)葉片內(nèi)氣流方向與來自磨機(jī)入口的氣流大致同向，而介于1號和2號、2號和3號頂點之間正下方的風(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號和3號頂點正下方的風(fēng)環(huán)風(fēng)速最高。當(dāng)高速氣流流經(jīng)壓力框架1號頂點下側(cè)，被強(qiáng)行突然改變方向，形成相對于風(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紅色虛線旋向的初速度（見圖6的1號頂點下表面速度矢量圖），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號頂點下側(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號頂點下側(cè)，提高了磨損的物料濃度的同時，必然加劇了1號頂點下側(cè)的磨損程度。由于風(fēng)環(huán)偏風(fēng)的原因，2號和3號頂點下側(cè)構(gòu)不成渦流形成條件，其磨損狀態(tài)要好于1號頂點，這與1號頂點磨損最為嚴(yán)重，2號、3號頂點磨損正常的現(xiàn)象基本吻合。

表1　計算邊界參數(shù)

表2　方案及計算結(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　最終方案流場計算結(jié)果

根據(jù)對原始模型的流場分析，不難得出破壞1號頂點下側(cè)的高速繞流和斜下側(cè)的渦流是解決壓力框架磨損問題的關(guān)鍵。基于此，我們制定了表2中序號2～10的9種解決方案，綜合分析各方案的流場模擬結(jié)果，最后采用了序號10方案，其流場模擬結(jié)果見圖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號頂點斜下方的渦流已不存在，來自風(fēng)環(huán)的旋流高速部分基本上避開了壓力框架的1號頂點，1號頂點下側(cè)的高速繞流也基本消失。對比圖6、圖8，最終方案的1號頂點下側(cè)已無反向高速氣流，說明高強(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，相對于原始模型，無論是氣固磨損的相對速差和強(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)計了施工圖，并于2017年4月實施整改，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

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

（1）采用CFD分析處理輥磨的磨損問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)、動態(tài)選粉機(jī)、風(fēng)機(jī)、非標(biāo)管道等氣固流動場合的磨損問題。

（2）固定沖刷是造成氣固磨損的直接原因，從設(shè)計角度來講，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，如無法避免，要盡可能降低固定沖刷的速度和物料濃度。

參考文獻(xiàn)：

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