燒結(jié)機(jī)磁場(chǎng)密封模擬中磁流變體運(yùn)動(dòng)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(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003）

燒結(jié)生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)中一個(gè)十分重要的生產(chǎn)工序，燒結(jié)冶煉使用的主要設(shè)備是燒結(jié)機(jī)。國內(nèi)外的燒結(jié)機(jī)都存在著燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)。采用磁流變體密封燒結(jié)機(jī)可以有效減少燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)，提高燒結(jié)機(jī)的運(yùn)行效率。而燒結(jié)機(jī)臺(tái)車是運(yùn)動(dòng)的，磁場(chǎng)源是不動(dòng)的，在臺(tái)車邊緣與磁場(chǎng)源之間的磁流變體就不可避免的產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)影響了燒結(jié)機(jī)磁場(chǎng)密封的效率。

1 燒結(jié)機(jī)模擬磁場(chǎng)密封裝置

自制燒結(jié)機(jī)磁場(chǎng)密封裝置，如圖1，磁路循環(huán)形式如圖2。采用的磁流變體是將微米級(jí)Fe3O4顆粒、所選的濃度為90%的表面活性劑、水按質(zhì)量比24：4：1混合經(jīng)過充分?jǐn)嚢杌旌现瞥伞?/p>

2 磁流變體運(yùn)動(dòng)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)

普通固體粒子在流體中要受到重力G，上層顆粒對(duì)下層顆粒的壓力Fp，黏性力的作用Fn，而燒結(jié)機(jī)氣隙磁場(chǎng)密封中的磁性固體顆粒在磁場(chǎng)和重力共同作用下跟普通流體粒子不同，要多一個(gè)磁場(chǎng)對(duì)粒子的作用力Fm，如圖3。實(shí)驗(yàn)中，臺(tái)車邊沿是運(yùn)動(dòng)的，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度離磁場(chǎng)源越遠(yuǎn)越小，模擬臺(tái)車邊沿處最小，但是磁流變體與臺(tái)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(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)源處的介質(zhì)與臺(tái)車邊沿處的情況相同。這樣，在臺(tái)車邊沿開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，磁流變體的柱狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為傾斜，如圖4。臺(tái)車邊沿持續(xù)運(yùn)動(dòng)，將會(huì)使鏈狀結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)如圖5。

但是由于磁性固體顆粒大量存在，緊密擠壓，在磁場(chǎng)力的作用下，微粒會(huì)形成新的鏈狀結(jié)構(gòu)。如圖5。

3 磁流變體的分層運(yùn)動(dòng)受力分析

圖1 燒結(jié)機(jī)磁場(chǎng)密封模擬裝置

圖2 磁路循環(huán)圖

圖3 密封介質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)力Fm大于內(nèi)外壓差F壓。由于在磁場(chǎng)作用下，磁流變體的柱狀磁性固體顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)上層顆粒相對(duì)于下層顆粒出現(xiàn)一個(gè)位移時(shí)，其臨近的顆粒補(bǔ)償?shù)剿瓉淼奈恢茫芊庖旱拇嬖谔畛淞藲庀?，保證他們之間的移動(dòng)是一種無縫的緊密移動(dòng)。在磁性固體顆粒的移動(dòng)中，他們之間的粘性力Fn和磁場(chǎng)力Fm并未出現(xiàn)大的變化，因此在移動(dòng)中，磁流變體仍能保持密封能力。在磁流變體運(yùn)動(dòng)時(shí)，垂直方向上各層顆粒的運(yùn)動(dòng)速度不同，假設(shè)臺(tái)車邊沿與磁場(chǎng)源之間，磁流變體共4層，如圖6。

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

第一層顆粒受臺(tái)車邊沿移動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力f1是影響其他各層移動(dòng)的主要原因。現(xiàn)將一，二，三，四層顆粒進(jìn)行水平受力分析（重力的影響忽略），當(dāng)平衡時(shí)有以下公式。

式中，f1為臺(tái)車邊沿對(duì)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(chǎng)力的水平分力；f21為第二層顆粒對(duì)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(duì)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(chǎng)力水平分力；f32為第三層顆粒對(duì)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(duì)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(chǎng)力水平分力；f43為是第四層顆粒對(duì)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(duì)第四等顆粒的摩擦力；f4為磁場(chǎng)源表面對(duì)第四層顆粒的摩擦阻力和磁場(chǎng)源對(duì)第四層顆粒磁場(chǎng)力的總和。

由于f21=f12，f32=f23，f43=f34，所以式（1）～式（4）中的等號(hào)左右都相加在一起可以得到各層顆粒全都可以移動(dòng)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(dòng)，式（5）只是各層移動(dòng)的必要條件，而非充要條件。各層能否移動(dòng)，關(guān)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(dǎo)各層運(yùn)動(dòng)的力越近，磁場(chǎng)源越小。

如果某層顆粒引導(dǎo)的力（與臺(tái)車邊沿移動(dòng)方向相同）小于總的阻力，那這層顆粒就不會(huì)移動(dòng)。在燒結(jié)機(jī)氣隙磁場(chǎng)密封裝置上進(jìn)行模擬臺(tái)車移動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，可以觀察到最下層的顆粒不隨模擬臺(tái)車移動(dòng)就是由于f34＜f4。中間各層的移動(dòng)根據(jù)該層受到的磁場(chǎng)力Fm和粘性力Fn來確定。又由于越靠近磁場(chǎng)源移動(dòng)的力越小，而阻力磁場(chǎng)力越靠近，磁場(chǎng)源越大，所以越靠近磁場(chǎng)源的層移動(dòng)的可能性越小，同時(shí)由于引導(dǎo)移動(dòng)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(chǎng)中臺(tái)車的運(yùn)動(dòng)，使磁流變體微觀上原來的鏈狀結(jié)構(gòu)被打破并重新形成新的鏈狀結(jié)構(gòu)，在這一變化中，磁流變體表現(xiàn)為分層運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語

在燒結(jié)機(jī)磁場(chǎng)密封模擬中，模擬臺(tái)車是運(yùn)動(dòng)的。磁流變體在臺(tái)車運(yùn)動(dòng)時(shí)，有分層運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象：靠近臺(tái)車層的磁流變體隨臺(tái)車運(yùn)動(dòng)；靠近磁場(chǎng)源的磁流變體不隨臺(tái)車運(yùn)動(dòng)，保持不動(dòng)；中間層的密封介質(zhì)隨臺(tái)車運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度小于靠近臺(tái)車層的磁流變體。各層密封介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的不同是摩擦力和磁場(chǎng)力共同作用的結(jié)果。磁流變體磁性顆粒的半徑越小，燒結(jié)機(jī)滑道氣隙的高度越大，磁流變體各層就越容易運(yùn)動(dòng)；磁場(chǎng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)。