鄭凱 王毅
(中冶南方工程技術有限公司 湖北 武漢 430223)
平整機在高速連續軋制時,會產生大量軋制粉塵,通常會在機組出口側靠近軋輥輥縫的位置設置防纏導板等除塵設備,通過除塵系統去除掉主要的粉塵。即便如此,還是會剩下不少顆粒細小的粉塵聚集在平整機內部,因此需要將平整機封閉起來,把剩余的粉塵通過吸風罩抽走。本文通過對氣流速度場進行數值模擬,為封閉罩以及吸風罩的結構設計提供理論依據。
粉塵是由氣體攜帶著,攜帶粉塵的氣體稱之為含塵氣體。吸塵機理見圖1。揚塵時,由于振動力和溫度的作用,含塵氣體具有一定的能量,向四周擴散。擴散的狀態是等速曲線圖如圖1(a)所示。在同一條曲線上,各個點的擴散速度相同,用Vk以表示??拷鼔m源比值最大,向外逐漸減小,最外層Vk=0。
圖1(b)中的曲線亦是等速度曲線,速度用Vx表示。罩口外某一點的Vx與該點到罩口距離的平方成反比。罩口吸氣時,在罩口外速度衰減很快。罩口處的速度用V0表示。把吸塵罩置于揚塵處,如圖1(c)中任意一點,只要Vx>Vk,吸塵罩就可以把該點的含塵氣體吸入罩內。圖1(c)中,Vk=20m/s的曲線的一部分被Vx=20m/s的曲線包圍,曲線上被包圍的區域各點的含塵氣體可以被抽吸,但是未被包圍的區域各點的含塵氣體不一定就不能被抽吸。Vk=20m/s曲線上的粉塵繼續向外擴散,擴散速度隨之下降,待下降到Vk=10m/s的位置時,Vk=10m/s的曲線大部分被Vk=10m/s的曲線包圍,大部分可以被抽吸。
圖1 吸塵機理圖
含塵氣體可以被抽吸多少、在哪一個部位上被抽吸,取決于揚塵量、揚塵強度、抽吸力度和抽吸位置等因素。
封閉罩是平整機本體周圍由型鋼、鋼板做成半封閉的結構,底部是敞開的。在平整機的頂部,在操作側、傳動側、入口側和操作側,分別設置四個吸風罩,再將四個吸風罩的出口連接起來,總管連到除塵器和風機,通過煙囪排出廠房。
圖2 平整機封閉罩及吸風罩
利用CFD數值模擬的方法分析,采用Fluent軟件對平整機封閉罩的氣流進行模擬,得出封閉罩內的氣流速度場分布,分析除塵效果。
2.3.1 仿真計算的幾何模型
進行平整機封閉罩的虛擬仿真計算時,采用Reynolds時均的不可壓縮連續性方程、動量方程及標準k-epsilon方程構成封閉方程組模擬平整機封閉罩內部流場的湍流運動,并對氣流的運動進行分析,基本方程的表達如式(1)-式(4)所示[3]:
連續性方程:
動量方程:
2.3.2 邊界條件
對于封閉罩內部氣流速度,按照固體壁面無滑移邊界條件處理,封閉罩四周是關閉的,圍護結構保溫性能良好,避免按絕熱邊界處理,帶鋼的入口和出口,封閉罩的底部為空氣進口,邊界條件為壓力入口,相對大氣壓0 Pa,內部氣流從封閉罩的出口排出。因為除塵風機的壓力、流量、功率參數已經確定,整個管道的流速設計為20m/s,因此吸塵罩的出口管道也應按20m/s考慮。
圖3 封閉罩幾何模型
2.3.3 模擬計算
整個封閉罩在入口和出口、操作側和傳動側均呈對稱結構,因此取1/4流場模型進行分析,可以極大地減少計算時間。二維模型是對模型的簡化,利于建模和計算,其精度可以滿足工程上的需要。用Inventor軟件對流場建模,導入ANSYS中,利用ANSYS ICEMCFD軟件進行網格劃分,在ANSYS FLUENT的流體動力學分析模塊中進行流體動力學分析,然后在求解器中求解。
從圖4可以看到計算過程收斂很快,分析結果如圖5-7所示。根據封閉罩的流速場分析,可以得出以下結論:
圖4 收斂殘差圖
圖5 速度流場
(1)吸塵罩的出口內部壓力—300Pa;
(2)速度離吸塵罩口越遠,衰減越快,速度云圖和理論上的分析是一致的,靠近支撐輥的區域,氣流的流速約為10m/s;
(3)角落有氣流旋渦存在。
從圖6速度云圖可以看到,封閉罩左上角區域氣流流場比較紊亂,可以在此設置導流隔板,然后重新建模,再進行有限元分析后,得到速度云圖如圖8-10所示。
圖6 速度云圖
圖7 壓力云圖
圖8 速度云圖
圖9 壓力云圖
從圖10速度流線圖可以看到,氣流順著斜隔板向下流動,該處的流速約為7m/s,可以在斜隔板的底部安裝收集槽,收集下落的鐵粉,定期清理。
圖10 速度流場
通過現場實地取樣、送樣檢驗確認粉塵的成份,對污染物粉末進行的激光粒度分析測試顯示,平均直徑為105.79μm[4],大直徑的顆?;旧媳环览p導板上的除塵管吸走,只剩下一些細小的顆粒。由于實際生產時粉塵微粒的直徑較小,在計算流場時可忽略其對氣體流場的作用。
根據氣固兩相流體力學的基本原理,固體粉塵在氣體中作自由懸浮時的速度V0,可根據如下斯托克斯公式計算[5]:
式中:ds—粉塵直徑,m;
ρs—粉塵密度,kg/m3;
ρa—空氣密度,kg/m3;
C—阻力系數;
g—重力加速度,kg/s2。
從速度云圖看到,支承輥附近的氣流流速約為10m/s,根據以上公式,可以反算出能吸走的粉塵顆粒直徑d約為500μm。
利用FLUENT軟件對干式平整機封閉罩內部氣流的速度場進行數值模擬,根據氣流速度的分布范圍與大小確定吸風罩的安裝位置;根據模擬計算的結果對封閉罩進行了改進,增設導流隔板,增設粉塵搜集槽;可以計算出吸風罩能夠捕捉的粉塵顆粒直徑大??;為封閉罩的結構設計提供了指導。通過現場使用驗證,除塵效果顯著,收到了良好的效果。