任素波，李忠陽
（燕山大學機械設計及理論系，河北秦皇島 066004）
摘 要：為進一步降低燒結設備在燒結過程中的漏風率，在燒結機側部密封裝置內增加了一種能夠降低負壓的結構，通過對改進裝置入口速度的數值模擬優化密封裝置內新增結構的尺寸參數，最后，嘗試改變其邊界條件降低入口速度，提高密封性。結果表明，密封腔內兩凹槽的距離為 16mm，入口流體速度最低，凹槽厚度變化對入口速度沒有顯著影響；而且入口流體速度隨著出口負壓減小而減小，密封腔內增加的凹槽具有降低壓強和滯留流體的作用。
關鍵詞：燒結機；密封腔；凹槽；數值模擬
1 引言
隨著新技術、新方法的日新月異，我國制造業技術得到了前所未有的發展，尤其表現在燒結領域的鐵礦石燒結技術上，克服了一些技術不能解決的難題，與此同時，鐵礦石燒結技術也不是十全十美的，燒結設備在燒結過程中的漏風問題也是致命的。鋼鐵燒結機系統漏風增加了燒結能耗，降低了燒結礦產量和質量[1]，這與可持續發展理念、綠色發展相違背，因此，為“碳達峰”和“碳中和”工作任務減輕負擔，燒結設備漏風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。
國內漏風率普遍在 60%左右[2]，是不容忽視的問題。針對燒結設備運行中的漏風問題，國內的有關專家和學者也做了不少的研究：董京波根據改善后的臺車下撓變形大小以及燒結機的工作原理設計出新型的柔性迷宮密封裝置并進行仿真[3]。劉波等人針對燒結機的漏風問題，分析了其漏風原因，找出了相應的漏風環節，介紹了負壓吸附式端部密封技術和新型滑道密封技術[4]。羅文平通過對高鐵低硅燒結成礦機理分析，發現改善固相反應條件，提高 CaO 的礦化度是提升產、質量的關鍵[5]。白明華和任素波針對燒結機頭尾漏風問題提出一種鋼球與強磁鐵復合式頭尾密封裝置[6]。強伶蘭提出一種密封可靠，耐久性高的燒結機重錘式端部密封裝置[7]。檀春來研究了一種燒結機臺車側密封裝置[8]。盧興福等人針對燒結機頭尾端部漏風嚴重的問題，分析了傳統帶灰箱的分塊式剛性密封裝置的漏風原因與改進途徑，并基于差壓吸附密封的原理，提出采用負壓吸附式端部密封技術來降低燒結機的漏風率[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差壓吸附式密封技術漏風的影響[10]。曹勝華對環冷機使用過程中存在的漏風、摩擦輪打滑和跑偏等主要問題進行了分析研究，并實施了一系列治理和改進[11]。劉克儉等人提出了跨壓差排灰的概念，介紹了燒結球團生產中跨壓差排灰技術的現狀及特點；提出了有效解決跨壓差排灰問題的分相密封技術，基于分相密封技術的獨立氣密封雙層卸灰閥及其在燒結球團中的應用[12]。蔣大年針對燒結機漏風問題，提出風機和風箱間漏風、頭尾密封和臺車底面間漏風、臺車本體漏風、臺車和風箱滑道間漏風四大典型漏風部分，深入探討全封閉多級磁力迷宮密封技術與全金屬柔磁性密封裝置的密封性[13]。宋立麗針對環冷機的漏風問題提出了柔磁性和鋼刷密封的綜合治理建議[14]。任曉東設計了一種軟密封燒結機臺車滑道[15]。盡管上述研究成果在一定程度上已經降低了燒結設備的漏風率，但是燒結設備漏風問題不是一朝一夕就能解決的，從其漏風機理深入剖析并設計相適應的密封裝置，再探究密封性也能促進問題的解決，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
針對臺車側滑道和側欄板漏風問題，根據臺車的尺寸和實際的工作環境初步設計了一種改進的側部密封裝置，如圖 1 所示，為改進后的側部密封裝置的截面圖，主要由兩塊密封板和兩塊橡膠構成，在此基礎上密封腔內部增設兩塊密封板，用于降低負壓提高密封性。為此，建立內部的流體模型，如圖 2 所示，增設的密封板在流體模型中體現為兩個凹槽，以改進后的流體模型為研究對象，對其劃分網格，合理設置邊界條件，研究其速度和壓力的分布情況。
模型采用標準的湍流模型和能量方程。入口邊界設置為壓力入口，設置初始壓力為 0Pa，溫度 300K；出口邊界設置為壓力出口，設置壓力為–12000Pa，溫度為 300K。其余壁面均采用混合傳熱條件，換熱系數為 10W/m2 ·K，外部輻射溫度和自有流溫度均設置為 300K。
2.2 控制方程
（1）質量守恒方程：可壓縮流體的質量守恒方程為：
（2）能量守恒方程：
3 結果與討論
3.1 結構優化
基于上述模型與邊界條件，仿真所得的結果為入口風速在 xy 平面內均勻分布，只有在 Z 方向上發生了大小的變化，于是在入口的中心位置建立一條平行于 Z 方向的直線，提取直線上的數據，做出曲線圖，研究流體速度的變化趨勢。如圖 3 和圖 4 所示，分別為密封腔內兩凹槽之間的距離及凹槽其厚度對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 向位置的變化趨勢相近，其中密封腔內兩凹槽距離為16mm、20mm 和 22mm 時曲線幾乎同步，但距離為 16mm 時速度峰值最小，密封腔內兩凹槽距離為 10 mm和 28mm 時曲線趨于一致，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，密封腔內凹槽厚度對入口流體速度大小的影響是微不足道的。
3.2 邊界條件優化
從理論上分析，燒結設備的漏風主要原因是風箱的負壓作用，因此，通過降低出口的負壓值，探究對密封性的影響，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壓存在著近似的關線性關系。根據圖 6 曲線，從整體上觀察，最小壓強值是隨著出口負壓減小而減小的，但是出口壓強值為–8000Pa 時的最小壓強值卻高于–10000Pa 時的最小壓強值。
以負壓為 4000Pa 的仿真結果為研究對象，從圖 7 的中性截面壓力云圖可知，在密封槽內加裝凹槽后，密封腔內和入口處的壓強顯著降低，而且密封腔內的壓強也較為均勻，對材料的應力集中作用不明顯，十分有利于阻止泄露、維護密封作用。從圖 8 的中性截面速度分布云圖可知，流體在密封腔內呈現“S”形流動，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 結論
（1）所設計裝置在密封腔內增加兩凹槽距離為 16mm 時，入口流體速度最??；而凹槽厚度對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壓減小而減小。密封腔內增加的凹槽具有降低壓強和滯留流體的作用。
參 考 文 獻
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