卸灰閥沖蝕磨損分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

戴 波，程 啟，劉克儉，盧興福

（1.國(guó)家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410205；2.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭 411105）

0 引言

1 數(shù)值計(jì)算模型

卸灰閥是鋼鐵領(lǐng)域一種應(yīng)用廣泛的卸灰設(shè)備，在使用過(guò)程中，閥芯會(huì)受到氣流中粒子的沖蝕磨損。特別是在閥芯磨損后密封性變差的情況下，嚴(yán)重影響跨壓差排灰的密封性，漏風(fēng)不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，造成資源的浪費(fèi)。而且，漏風(fēng)情況下顆粒對(duì)于閥門(mén)的磨損將會(huì)進(jìn)一步加劇，從而大大降低閥門(mén)的使用壽命?；谏鲜霰尘?，中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限公司開(kāi)發(fā)出分相密封雙層卸灰閥，并率先應(yīng)用于日本和歌山鋼鐵有限公司180 m2燒結(jié)項(xiàng)目中，并取得了良好的效果[1]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于沖蝕磨損的研究為本文提供有力的參考依據(jù)。趙健等[2]針對(duì)固液兩相流粒子沖蝕鉆頭內(nèi)流道磨損機(jī)制，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合得到了粒子參數(shù)對(duì)內(nèi)流道磨損的影響規(guī)律。劉洪斌[3]利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用DPM模型，通過(guò)改變?nèi)肟诹魉佟㈩w粒直徑、顆粒質(zhì)量流量，數(shù)值模擬得出巖屑甩干機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布及2種刮刀轉(zhuǎn)子壁面沖蝕情況。偶國(guó)富等[4-5]針對(duì)高壓差調(diào)節(jié)閥的閥芯空蝕失效進(jìn)行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立了節(jié)流過(guò)程中閥芯空蝕失效的預(yù)測(cè)方法。Duarte和El-Behery等[6]研究表明磨損部位的分布以及最大磨損出現(xiàn)的部位與顆粒濃度的關(guān)系并不明顯。Hutching等[7]研究了氣-固兩相流的沖蝕磨損問(wèn)題中顆粒硬度與磨損率的關(guān)系，得出了沖蝕磨損率正比于顆粒硬度比值的n次方的結(jié)論。本文旨在從數(shù)值計(jì)算角度探究各因素對(duì)蘑菇頭卸灰閥磨損的影響，并對(duì)蘑菇頭卸灰閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.1 控制方程

卸灰閥閥內(nèi)為氣固兩相流，氣體為連續(xù)相，其控制方程為：

式中：ρ為氣相密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；vi，vj為氣相速度分量，m/s；xi，xj為空間坐標(biāo)，i≠j；P為壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量；gi為重力分量，N；SD為顆粒相對(duì)連續(xù)相作用的附加源相。

1.2 DPM模型及磨損模型

卸灰閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和顆粒運(yùn)動(dòng)情況也較復(fù)雜，所以為了降低計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間，提高計(jì)算效率，忽略顆粒與顆粒間的相互作用，采用Euler-Lagrangian法對(duì)卸灰閥進(jìn)行氣固兩相流模擬?；曳蓊w粒在Lagrangian坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程[8]如下所示：

式中：FD為單位曳力，N；g為重力加速度，m/s2；u和up分別為氣體速度和灰份顆粒速度，m/s；ρp和ρ分別為灰份顆粒密度和氣體密度，kg/m3；Fx為顆粒所受其他力，N。

許多學(xué)者針對(duì)顆粒對(duì)材料的沖蝕問(wèn)題，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)分析，并得出了很多沖蝕模型。本文所選用的沖蝕模型是關(guān)于粒子的入射角度、相對(duì)速度以及質(zhì)量流量的函數(shù)，其表達(dá)式為[9]：

式中：Rerosion為沖蝕磨損率，kg/（s·m2）；N為碰撞顆粒數(shù)目；m為單顆粒質(zhì)量，kg；C（d）為顆粒直徑函數(shù)，m；α為沖擊角度，（°）；A為顆粒投影在壁面的面積，m2；b（v）為顆粒速度指數(shù)函數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格

模型尺寸如圖1所示。由于蘑菇頭卸灰閥閥體部分含有復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，難以全部劃分六面體網(wǎng)格，故對(duì)進(jìn)口和出口部分采用六面體網(wǎng)格，閥體部分采用四面體網(wǎng)格，綜合考慮計(jì)算資源與網(wǎng)格質(zhì)量，最終雙層卸灰閥計(jì)算網(wǎng)格數(shù)1 774 013。蘑菇頭卸灰閥網(wǎng)格數(shù)2 718 805。

圖1 蘑菇頭卸灰閥結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件

卸灰閥進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件，卸灰閥出口采用充分發(fā)展的壓力出口，入口段和閥體以及閥座部分采取無(wú)滑移壁面。壁面離散相設(shè)置為反射邊界，反彈系數(shù)采用Grant&Tabakoff[10]提出的反彈經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)顆粒與壁面的碰撞過(guò)程。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 蘑菇頭卸灰閥磨損情況分析

在進(jìn)口質(zhì)量流量1 kg/s，顆粒粒徑0.1 mm，進(jìn)口壓力500 Pa，閥門(mén)開(kāi)度3°情況下對(duì)蘑菇頭卸灰閥進(jìn)行磨損分析。

圖2 蘑菇頭卸灰閥沖蝕率云圖

如圖2所示，由于蘑菇頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蘑菇頭卸灰閥的磨損主要集中在閥殼部分，顆粒流經(jīng)閥芯時(shí)大量的顆粒反彈沖擊閥殼，造成閥殼處大面積磨損，而閥芯處的磨損呈點(diǎn)狀分布。閥芯和閥殼處磨損的部位為閥芯與閥殼的密封面，密封面磨損后，會(huì)造成漏風(fēng)。

3.2 蘑菇頭卸灰閥磨損規(guī)律分析

3.2.1 閥門(mén)開(kāi)度對(duì)卸灰閥磨損的影響

在進(jìn)口壓力500 Pa，顆粒粒徑0.1 mm，顆粒質(zhì)量流量1 kg/s條件下，取閥門(mén)開(kāi)度為3°、5°、7°、8°、10°、13°、15°，分別模擬閥門(mén)不同閉合狀態(tài)下流場(chǎng)及顆粒分布情況，磨損率曲線如圖3所示。仿真結(jié)果表明：隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大，閥殼和閥芯磨損率下降，在閥門(mén)開(kāi)度為8°時(shí)，整體沖蝕率迅速下降到1×10-6kg·s-1·m-2，隨閥門(mén)開(kāi)度增大在1×10-6kg·s-1·m-2附近波動(dòng)。出現(xiàn)上述變化的原因是，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度較少時(shí)，閥芯密封處的過(guò)流截面狹窄，氣流通過(guò)此處的流速變化更為劇烈，從而作用在顆粒上拽力更大，使其通過(guò)卸灰閥密封處通道的速度更大。隨著閥門(mén)開(kāi)度繼續(xù)增大后，流場(chǎng)的擾亂程度會(huì)降低，流道內(nèi)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的顆粒數(shù)量及速度也會(huì)減少，因此顆粒與各個(gè)區(qū)域的碰撞次數(shù)及程度會(huì)顯著減少。

圖3 不同開(kāi)度下卸灰閥磨損量變化曲線

圖4 不同質(zhì)量流量下卸灰閥磨損量變化曲線

3.2.2 顆粒質(zhì)量流量對(duì)卸灰閥磨損的影響

在進(jìn)口壓力500 Pa，閥門(mén)開(kāi)度3°，顆粒粒徑0.1 mm條件下，分別取質(zhì)量流量為0.5 kg/s、1 kg/s、2 kg/s、3 kg/s、4 kg/s、5 kg/s、6 kg/s、7 kg/s計(jì)算沖蝕磨損。得到如圖4所示的磨損率結(jié)果。仿真結(jié)果表明，質(zhì)量流量在0.5～4 kg/s時(shí)，隨著顆粒質(zhì)量流量增大，卸灰閥磨損也隨之成一定線性關(guān)系增大，質(zhì)量流量大于4 kg/s時(shí)，卸灰閥磨損增大趨于平緩。分析原因可知，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入卸灰閥入口的顆粒數(shù)增多，卸灰閥殼體與顆粒之間的碰撞次數(shù)會(huì)增加；顆粒質(zhì)量流量增多到一定量后，顆粒之間的干擾增多，沿卸灰閥壁面附近運(yùn)動(dòng)顆粒會(huì)接近飽和，增加的顆粒更多地從縫隙中隨氣流而過(guò)，使卸灰閥壁面受到顆粒碰撞、沖蝕次數(shù)逐漸趨于飽和，卸灰閥磨損率增長(zhǎng)也會(huì)趨于平穩(wěn)。

4 蘑菇頭卸灰閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 分相密封卸灰閥結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述得到閥門(mén)開(kāi)度和質(zhì)量流量對(duì)蘑菇頭卸灰閥磨損的影響，結(jié)合蘑菇頭卸灰閥在工業(yè)中的應(yīng)用情況?？梢缘贸觯y門(mén)開(kāi)度對(duì)磨損的影響最大，特別是閥門(mén)開(kāi)度在3°～5°時(shí)，磨損率明顯大于8°及以上開(kāi)度時(shí)。工業(yè)應(yīng)用上，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，物料顆?？ㄗ￠y門(mén)，形成了閥門(mén)的小開(kāi)度，造成閥門(mén)磨損，磨損后密封不嚴(yán)，繼而閥門(mén)失效。由此，可以作為蘑菇頭卸灰閥閥門(mén)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方向，將閥芯密封面改為分相密封結(jié)構(gòu)，如圖5所示，閥芯上部面為第一層密封面，閥芯下部面為第二層密封面。第一層密封面為固相密封面，用于阻隔物料，第二層密封面為氣相密封面，用于阻隔閥外氣體。即使閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，固相密封面卡料，氣相密封面依然能實(shí)現(xiàn)密封，避免漏氣和物料在壓差作用下的飛濺。

圖5 分相密封卸灰閥結(jié)構(gòu)

4.2 分相密封卸灰閥沖蝕磨損

在進(jìn)口質(zhì)量流量1 kg/s，顆粒粒徑0.1 mm，進(jìn)口壓力500 Pa，閥門(mén)開(kāi)度3°情況下對(duì)分相密封卸灰閥進(jìn)行磨損分析。如圖6所示，在閥門(mén)開(kāi)口側(cè)，閥殼、閥芯上部面、閥芯中部面和閥芯下部面均存在不同程度的磨損。由圖6（a）發(fā)現(xiàn)，磨損主要集中在區(qū)域1、2，區(qū)域1為閥芯上部與閥殼密封區(qū)域，區(qū)域2為閥殼與閥芯中部密封區(qū)域。由圖6（b）可以看出，沖蝕率最大的部位在閥芯頂面的中部，但此部位并非最為有害的，對(duì)漏風(fēng)不構(gòu)成影響。同樣的，圖6（c）中的區(qū)域2雖然磨損率數(shù)值最大但也并非為有害部位，區(qū)域1的磨損率為5.643×10-7～1.079×10-6kg·s-1·m-2，此區(qū)域與閥殼的接觸構(gòu)成雙層密封結(jié)構(gòu)，其磨損會(huì)直接破壞密封面。

圖6 分相密封卸灰閥沖蝕率云圖

由蘑菇頭卸灰閥磨損云圖和分相密封卸灰閥磨損分析對(duì)比可知，在磨損率的數(shù)值上，分相密封卸灰閥和蘑菇頭卸灰閥相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，蘑菇頭卸灰閥的磨損率比分相密封卸灰閥更大。同時(shí)從結(jié)構(gòu)上可以發(fā)現(xiàn)，蘑菇頭卸灰閥只有一層錐形密封面，在開(kāi)閉過(guò)程中容易受到顆粒的卡阻而關(guān)閉不嚴(yán)，造成漏風(fēng)沖蝕磨損，一旦密封面被破壞，就失去了密封性，卸灰閥就會(huì)很快失效。分相密封卸灰閥閥芯與閥殼有兩層密封面，上層密封為固相密封，主要攔截顆粒向下流動(dòng)，下層密封為氣相密封，當(dāng)上層密封面如受到顆?？ㄗ?，但碗狀結(jié)構(gòu)閥芯依然能阻隔物料，為下層氣相密封提供更好的密封環(huán)境，下層密封面仍然能實(shí)現(xiàn)密封，避免了沖蝕磨損。

4.3 分相密封卸灰閥應(yīng)用

改進(jìn)后的獨(dú)立氣密封智能雙層卸灰閥在首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司推廣成功，并安裝于遷安球團(tuán)車(chē)間鏈篦機(jī)灰箱下，如圖7所示。2018年11月設(shè)備安裝后一直穩(wěn)定運(yùn)行，灰箱下密封效果提高，自動(dòng)卸料減輕了工人作業(yè)強(qiáng)度。

圖7 分相密封卸灰閥應(yīng)用

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）物料顆粒通過(guò)閥門(mén)時(shí)會(huì)直接沖擊閥芯和反彈沖擊閥殼對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)造成一定程度的磨損。

（2）對(duì)不同影響因素對(duì)分相密封卸灰閥沖蝕磨損研究得出：卸灰閥閥門(mén)開(kāi)度越小磨損程度越大；顆粒質(zhì)量流量對(duì)卸灰閥磨損影響有限，質(zhì)量流量達(dá)到4 kg/s后，對(duì)卸灰閥的磨損率趨于平穩(wěn)。

（3）蘑菇頭卸灰閥比分相密封卸灰閥的磨損率更大，且分相密封卸灰閥在結(jié)構(gòu)上具有兩層密封面的優(yōu)勢(shì)，使用壽命更長(zhǎng)。分相密封卸灰閥有兩層密封面，能在一定程度上延緩閥門(mén)的使用壽命，但也不能完全避免磨損。