燒結機磁場密封模擬中磁流變體運動研究

劉亮，齊子元，孫海濤，薛德慶，鄧輝詠，郭德卿

（陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003）

燒結生產是鋼鐵生產中一個十分重要的生產工序，燒結冶煉使用的主要設備是燒結機。國內外的燒結機都存在著燒結機漏風。采用磁流變體密封燒結機可以有效減少燒結機漏風，提高燒結機的運行效率。而燒結機臺車是運動的，磁場源是不動的，在臺車邊緣與磁場源之間的磁流變體就不可避免的產生了運動，這種運動影響了燒結機磁場密封的效率。

1 燒結機模擬磁場密封裝置

自制燒結機磁場密封裝置，如圖1，磁路循環形式如圖2。采用的磁流變體是將微米級Fe3O4顆粒、所選的濃度為90%的表面活性劑、水按質量比24：4：1混合經過充分攪拌混合制成。

2 磁流變體運動時的微觀結構

普通固體粒子在流體中要受到重力G，上層顆粒對下層顆粒的壓力Fp，黏性力的作用Fn，而燒結機氣隙磁場密封中的磁性固體顆粒在磁場和重力共同作用下跟普通流體粒子不同，要多一個磁場對粒子的作用力Fm，如圖3。實驗中，臺車邊沿是運動的，由于磁場強度離磁場源越遠越小，模擬臺車邊沿處最小，但是磁流變體與臺車邊沿的界面能大于磁流變體中各顆粒間的界面能，所以靠近上板的磁流變體將隨上板一起運動，磁場源處的介質與臺車邊沿處的情況相同。這樣，在臺車邊沿開始運動的時候，磁流變體的柱狀結構表現為傾斜，如圖4。臺車邊沿持續運動，將會使鏈狀結構破壞，表現如圖5。

但是由于磁性固體顆粒大量存在，緊密擠壓，在磁場力的作用下，微粒會形成新的鏈狀結構。如圖5。

3 磁流變體的分層運動受力分析

圖1 燒結機磁場密封模擬裝置

圖2 磁路循環圖

圖3 密封介質受力示意圖

圖5 磁流變體柱鏈重新排布圖

圖6 磁流變體分層運動示意圖

在微觀上，磁流變體要起到密封作用，就要讓被表面活性劑包覆的磁性顆粒間的粘性力Fn和磁場力Fm大于內外壓差F壓。由于在磁場作用下，磁流變體的柱狀磁性固體顆粒形成網狀結構，當上層顆粒相對于下層顆粒出現一個位移時，其臨近的顆粒補償到它原來的位置，密封液的存在填充了氣隙，保證他們之間的移動是一種無縫的緊密移動。在磁性固體顆粒的移動中，他們之間的粘性力Fn和磁場力Fm并未出現大的變化，因此在移動中，磁流變體仍能保持密封能力。在磁流變體運動時，垂直方向上各層顆粒的運動速度不同，假設臺車邊沿與磁場源之間，磁流變體共4層，如圖6。

第一層是最上面靠近臺車邊沿的磁流變體，其在臺車邊沿對其摩擦力的影響下，隨臺車邊沿移動。第二、三層是中間的磁流變體，他們的移動受第一層磁流變體的影響。第四層相對前三層為距磁場源最近一層。該層磁流變體的移動受第三層和磁場源的共同作用。

第一層顆粒受臺車邊沿移動而產生的摩擦力f1是影響其他各層移動的主要原因。現將一，二，三，四層顆粒進行水平受力分析（重力的影響忽略），當平衡時有以下公式。

式中，f1為臺車邊沿對第一層顆粒的摩擦力；Fm21為第一層和第二層顆粒之間的磁場力的水平分力；f21為第二層顆粒對第一層顆粒的摩擦阻力；Fn12為第一層和第二層顆粒間的粘性力。

式中，f12為第一層顆粒對第二層顆粒的摩擦力；Fm32為第二層和第三層顆粒之間的磁場力水平分力；f32為第三層顆粒對第二層顆粒的摩擦阻力；Fn23為是第二層和第三層顆粒間的粘性力。

式中，f23為第二層顆粒對第三層顆粒的摩擦力；Fm43為是第三層和第四層顆粒之間的磁場力水平分力；f43為是第四層顆粒對第三層顆粒的摩擦阻力；Fn34為是第三層和第四層顆粒間的粘性力。

式中，f34為第三層顆粒對第四等顆粒的摩擦力；f4為磁場源表面對第四層顆粒的摩擦阻力和磁場源對第四層顆粒磁場力的總和。

由于f21=f12，f32=f23，f43=f34，所以式（1）～式（4）中的等號左右都相加在一起可以得到各層顆粒全都可以移動的平衡公式（5）

但是并不是只要滿足了式（5），各層就可以移動，式（5）只是各層移動的必要條件，而非充要條件。各層能否移動，關鍵是看是否滿足式（1）～（4）。

由式（1）～式（3）得：

由式（6）～（8）可知 f1＞f12＞f23＞f34，即引導各層運動的力越近，磁場源越小。

如果某層顆粒引導的力（與臺車邊沿移動方向相同）小于總的阻力，那這層顆粒就不會移動。在燒結機氣隙磁場密封裝置上進行模擬臺車移動試驗時，可以觀察到最下層的顆粒不隨模擬臺車移動就是由于f34＜f4。中間各層的移動根據該層受到的磁場力Fm和粘性力Fn來確定。又由于越靠近磁場源移動的力越小，而阻力磁場力越靠近，磁場源越大，所以越靠近磁場源的層移動的可能性越小，同時由于引導移動的力越來越小，得到的速度v也越來越小，即v1＞v2＞v3＞v4。因此磁場中臺車的運動，使磁流變體微觀上原來的鏈狀結構被打破并重新形成新的鏈狀結構，在這一變化中，磁流變體表現為分層運動。

4 結語

在燒結機磁場密封模擬中，模擬臺車是運動的。磁流變體在臺車運動時，有分層運動現象：靠近臺車層的磁流變體隨臺車運動；靠近磁場源的磁流變體不隨臺車運動，保持不動；中間層的密封介質隨臺車運動，但運動速度小于靠近臺車層的磁流變體。各層密封介質運動速度的不同是摩擦力和磁場力共同作用的結果。磁流變體磁性顆粒的半徑越小，燒結機滑道氣隙的高度越大，磁流變體各層就越容易運動；磁場強度越大，磁流變體的添加量越多，磁流變體各層就越不容易運動。