简介概要

稀土永磁磁粉气流粉碎过程的模拟计算

来源期刊：稀有金属2015年第6期

论文作者：刘志颖孙威陈红升方以坤朱明刚李卫

文章页码：504 - 509

关键词：气流磨;稀土永磁磁粉;FLUENT软件;模拟计算;

摘要：通过使用Solid Works建立几何模型,用ICEM CFD软件划分网格,利用FLUENT软件进行模拟计算分析。本文中的计算采用2ddp求解器,计算方法为SIMPLEC算法Segregated隐式方法,湍流模型选取标准k-ε两方程模型,压力速度耦合采用SIMPLEC算法。在二维模型的计算中,研究了高速气流粉碎研磨室内部的气流速度场情况,并探讨了不同质量分数气体对气流速度场分布的影响。实验结果表明,研磨室内部气流的最大速度出现在3个喷管中心线几何交汇点上方,磁粉将在此处碰撞最激烈,形成一个粉末破碎区域;随着研磨气体的压力增大,喷嘴处的气流速度和气流交汇处的气流速度均增大,相反地,单独改变底部喷嘴压力时,随着底部喷嘴压力的减小,底部喷嘴口处的气流速度呈减小的趋势,而在气流汇聚处,气流速度变化不大;随着气体的质量分数减小,气流速度越大,在同等气流速度需求量情况下,将需要小的气流初始压力。

稀有金属 2015,39(06),504-509 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.06.005

稀土永磁磁粉气流粉碎过程的模拟计算

刘志颖孙威陈红升方以坤朱明刚李卫

钢铁研究总院功能材料研究所

先进金属磁性材料及制备技术北京市工程实验室

摘要：

通过使用Solid Works建立几何模型,用ICEM CFD软件划分网格,利用FLUENT软件进行模拟计算分析。本文中的计算采用2ddp求解器,计算方法为SIMPLEC算法Segregated隐式方法,湍流模型选取标准k-ε两方程模型,压力速度耦合采用SIMPLEC算法。在二维模型的计算中,研究了高速气流粉碎研磨室内部的气流速度场情况,并探讨了不同质量分数气体对气流速度场分布的影响。实验结果表明,研磨室内部气流的最大速度出现在3个喷管中心线几何交汇点上方,磁粉将在此处碰撞最激烈,形成一个粉末破碎区域;随着研磨气体的压力增大,喷嘴处的气流速度和气流交汇处的气流速度均增大,相反地,单独改变底部喷嘴压力时,随着底部喷嘴压力的减小,底部喷嘴口处的气流速度呈减小的趋势,而在气流汇聚处,气流速度变化不大;随着气体的质量分数减小,气流速度越大,在同等气流速度需求量情况下,将需要小的气流初始压力。

关键词：

气流磨;稀土永磁磁粉;FLUENT软件;模拟计算;

中图分类号： TM273

收稿日期：2013-12-02

Simulation on Jet Milling Process to Prepare Rare Earth Permanent Magnetic Powders

Liu Zhiying Sun Wei Chen Hongsheng Fang Yikun Zhu Minggang Li Wei

Functional Materials Research Institute,Central Iron and Steel Research Institute

Beijing Engineering Laboratory of Advanced Metallic Magnetic Materials and Preparation Techniques

Abstract：

Based on the simple jet milling geometric models built by Solid Works10. 0 software,the mesh of the models was developed in ICEM CFD12. 0 by Triangular( Pave) and tet / hybrid( T-Grid) meshes,and then the models were analyzed by FLUENT software.The simulation was carried out by 2ddp version; the calculation method was Segregated Solver from the classic SIMPLEC algorithm.The standard k-ε turbulence model was chosen for modeling turbulence in this work. SIMPLEC algorithm was used to solve the pressure-velocity coupling. In the two dimensional simulation,the airflow velocity field in grinding chamber was investigated,and the effects of different kinds of gases with various mass fractions on the grinding velocity field were also studied. The result showed that the highest velocity appeared on the geometric intersection point of the three nozzles in the grinding chamber. This point was the most violent reaction area of the magnetic powder and formed the primary broken region. With the pressure of grinding gas increasing,the flow velocity of the bottom nozzle and the intersection point increased. In contrast,when the pressure of grinding gas from the bottom nozzle decreased,the velocity of the bottom nozzle decreased while the flow rate did not change much. And the flow rate increased when the mass fraction of grinding gas reduced; moreover,the reduction of the mass fraction led to the decrease of the initial pressure of the flow rate with the same demand of flow rate.

Keyword：

jet milling; rare earth permanent magnetic powder; FLUENT; CFD simulation;

Received： 2013-12-02

流化床式气流磨通常应用于研磨平均粒径1~10μm的粉末^[1]。目前,高速气流粉碎技术(气流磨)被广泛用于稀土永磁烧结磁体永磁材料的制粉环节^[2,3,4],不同于机械制粉^[5]和快淬制粉^[6],磁粉的平均粒径、粒度分布等参数对最终烧结磁体的性能起到至关重要的作用^[7]。气流磨制粉的原理是^[8,9,10]:通过在平面或空间呈一定角度分布的一组喷嘴喷出的高速气流使颗粒流态化,并携带颗粒到气流汇聚点发生剧烈碰撞和摩擦而粉碎,符合要求的粒径经过分选轮分级选出,粗颗粒落回研磨室继续粉碎。可见,在气流磨的过程中,待磨的粗颗粒能否在喷嘴高速气流的带动下汇聚、碰撞,并被分选轮分选出,以及研磨效率等是高速气流粉碎技术中非常被关注的问题。

许多国内外学者对气流磨的应用、模拟计算及改进进行了探索。Kolacz^[11]对气流磨的参数(腔体大小、喷嘴间距离等)进行了实验,结果表明,腔体大小和喷嘴间的距离对粉末的粒径及粒径分布有很大的影响,喷嘴间的距离过大不利于粒径的均匀分布。Rajeswari等^[12]通过研究三维空气磨固气两相模型,利用CFD(computational fluid dynamics)软件计算气流磨时操作参数(喂料速率、研磨气体压力等)对出粉率的影响进行了研究,并与实际实验数据相比较,模拟数据与实验数据吻合良好,证明了CFD计算的可靠性。刘雪东和陈中书^[13]基于CFD方法,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法对内径为260 mm的对撞式流化床超细气流粉碎机内腔的三维流场进行数值模拟,分析比较了在粉碎机过渡区不同高度沿直径方向的速度分布。陈中书和刘雪东^[14]还利用计算流体力学软件FLUENT6.3对不同底部结构的对撞式流化床气流磨内腔气流场进行有限元分析计算,并以试验结果验证该模型的正确性。结果表明,采用120°锥底能够较好地利用高速气流携带颗粒形成的碰撞能,在气流磨底部区域形成有效的二次粉碎区域,并且降低了壁面磨损,大大减少了底部积料的概率,提高对撞式流化床气流磨的粉碎性能。陈海焱^[15]应用FLUENT流体计算软件,对流化床气流粉碎分级机进行整体建模,分析和研究气流粉碎流场和气流分级的流动状态,数值模拟结果表明:喷嘴设计马赫数越高,喷嘴出口的气流速度越大,对直线喷嘴来说,喷射气流的发散情况越明显。韩小启^[16]运用FLUENT软件对拉瓦尔喷管进行了优化设计。结果表明拉瓦尔喷管收缩半角取为10°,扩张半角取为6°,内腔出口截面直径在内腔入口截面直径的一半左右取值,可使喷管出口截面气流速度和马赫数都较大。气流在拉瓦尔喷管内要有运动,气流滞止压力必须大于喷管背压值。

本文利用FLUENT软件模拟研究了不同质量分数气体,以及喷压和研磨室喷嘴的结构等对撞式流化床气流磨的气流速度场的影响,并在未考虑分选轮情况下,对粉末颗粒在气流磨中的流动进行了初步探讨。

1 模型的建立和计算方法

研究采用内腔直径为Φ200 mm的对撞式流化床气流磨,研磨室磁粉粉碎处的二维结构示意图如图1所示,在粉碎区包含3个呈120°分布的喷嘴,颗粒经过气流的加速后产生一定的速度,经过相互碰撞而破碎。本文使用Solid Works和Auto CAD等软件建立模型并用ICEM CFD12.0软件划分网格,利用FLUENT12.0软件进行模拟计算。

计算采用2ddp求解器,计算方法为SIMPLEC算法Segregated隐式方法,湍流模型选取标准k-ε两方程模型,压力速度耦合采用SIMPLEC算法^[17]。计算区域采用All Tri非结构网格。进出口均采用压力边界条件,进气口的压力为p,出口的压力为0.02 MPa。不考虑热交换。收敛判据为连续性方程等参数小于1×10^-3。研磨气体选用Ar,N₂和He。

图1 气流磨研磨室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of jet mill grinding chamber

2 结果与讨论

针对图1所建立的简易二维模型(模型1),研磨气体采用N₂,进气口压力为0.30 MPa,出气口压力为0.02 MPa,进行模拟计算,根据计算结果绘制的二维速度云图如图2所示。气流在喷嘴口处达到350 m·s^-1左右,研磨室内部气流的最大速度出现在3个喷管中心线几何交汇点上方,气流速度约为500 m·s^-1,如图3所示。磁粉在此处碰撞最激烈,形成一个粉末破碎区域。磁粉破碎后由上升气流送到出口。

图2 进气口压力均为0.3 MPa时研磨室内速度云图Fig.2Contours of velocity magnitude in chamber at inlets pressure of 0.3 MPa

利用N₂作为研磨气体,在其他条件相同的情况下调节研磨气体的压力(0.1~0.5 MPa),计算得到的不同的气体压力下的位置-速度曲线如如图3(a)所示,图3(b)为不同研磨气体压力与喷嘴口处和气流交汇处的速度曲线。随着研磨气体压力的增大,喷嘴处的气流速度及气流交汇处的气流速度均增大,有利于增加磁粉动能,使磁粉更好地破碎。

底部喷嘴压力值可以单独调节。利用N₂作为研磨气体,单独调节底部喷嘴压力大小(0.1~0.3MPa),如图4,从曲线中可以看到,随着压力的减小,底部喷嘴口处的气流速度呈减小的趋势,而在气流汇聚处,当p大于0.15 MPa时,汇聚区域的气流速度变化不大。由于上部的喷嘴距离较近,汇聚处的气流速度基本上只由它们提供。所以,可以单独减小底部喷嘴压力以达到节约气体的效果。

为探讨不同气体含量(质量分数)对研磨室内部气流速度场的影响,分别选取研磨气体为He,Ar,N₂。所对应的气流磨研磨室中心线的位置-速度曲线示于图5,其中假定下喷嘴入口处坐标为初始位置。可见,这3种气体所得到的气流运动规律是相似的,首先在0.25 m左右处达到第一个峰值,即在喷嘴出口处气流达到第一个极大值,然后速度迅速减小后增加到第二个峰值,即在气流汇聚处达到最大速度。由图5可见,Ar和N₂的位置-速度曲线比较接近,而研磨气体选择He时的气流速度远远高于前二者,这是由于N₂和Ar的密度相近,而He的密度要比N₂和Ar小得多。此外,根据3种气流第二峰位置的变化,当底部喷嘴的气流速度越大,气流汇聚点将越偏高,即对应的位置坐标越大。并且由于N₂和H₂与O₂的结合作用强于He,所以用He作为研磨气体时,不仅在较低的研磨气体压力下达到同等的气流速度,而且能够更好地保护磁粉不被氧化。

图3 不同进气口压力下时研磨室内的位置-速度曲线和喷嘴处和气流交汇处气流速度与压力曲线Fig.3 Position-velocity curves with different pressures of inlets(a)and pressure-velocity curves of bottom nozzle and airflow intersec-tion(b)

图4 不同底部喷嘴气体压力的位置-速度曲线和底部喷嘴压力-喷嘴口和气流交汇处速度曲线Fig.4 Position-velocity curves with different pressures of bottom nozzle(a)and pressure-velocity curves of bottom nozzle and airflow intersection(b)

另外,通过模拟计算发现,在图1所示的研磨室简易模型1中,由于上方两个喷嘴深入粉碎腔,于是在这两个喷嘴下方形成一个粉末堆积的死角,导致部分粉料无法参与破碎而降低研磨的效率,因此,在理论上将喷嘴抽出,重新建立模型2,并在同样的条件下进行计算。图6为改进后模型的速度云图,气流在喷嘴口的速度为350 m·s^-1左右,在竖直方向速度逐渐减小。最大速度出现的位置比改进前稍高,其数值接近350 m·s^-1。

图5 研磨气体为N₂,He,Ar时位置-速度曲线Fig.5Position-velocity curves with grinding gas of N₂,He,Ar

在二维模型的模拟计算的基础上,建立了含3个喷嘴的三维模型(模型3)。图7是三维模型在Z=0平面(即纵剖面)的速度云图,其中研磨气体为N₂,研磨气体压力为0.3 MPa。由图7可以看出三维CFD计算更为稳定,从3个喷嘴喷出的气流能够均匀地产生一个气流交汇区。

图6 改进后的模型2在进气口压力均为0.3 MPa时的速度云图Fig.6Contours of velocity magnitude with inlets pressure of0.3 MPa

图8为三维模型3在不同横截面的气流速度分布图,在Y=260 mm的截面上气流开始产生汇聚的现象,在Y=270 mm的截面上气流达到最大值,最大值在300 m·s^-1左右。在Y=280 mm的截面上气流的速度仍然能够达到240 m·s^-1,直到Y=290 mm截面,气流开始分离,最大速度达到160 m·s^-1,气流继续向上,速度逐渐减小。可见,有效研磨区域大约在20 mm长度空间。

图7 三维气流磨Z=0平面速度云图Fig.7 Contours of velocity magnitude at Z=0 plane of three dimensional jet mill chamber

(a)Y=260 mm;(b)Y=270 mm;(c)Y=280 mm;(d)Y=290 mm;(e)Y=300 mm

图8 三维气流磨不同横截面速度分布图Fig.8 Velocity distribution at different cross-sections for three dimensional model

3 结论

通过计算流体力学FLUENT软件对气流磨中研磨室内部气流分布情况的模拟计算,发现,随着研磨气体的压力增大,喷嘴处的气流速度和气流交汇处的气流速度均增大,由于He的相对原子质量和密度远远小于N₂和Ar,所以在相同的压力下,研磨气体选用He时气流速度远远大于二者,因此He可在较低的研磨气体压力下达到同等的气流速度,并且更有利于对磁粉的保护。通过三维模型的计算分析,得到气流粉碎效率最高的区域约在20 mm高度范围内。模拟计算结果对高速气流粉碎技术如何更有效用于高性能磁粉的制备提供技术参考。