螺旋叶片温度场有限元分析

吴智怀 王志伟 郭明威 樊计生 潘毓淳 张金良

（1：北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029；2：北京科技大学 北京100083）

1 前言

转底炉直接还原工艺是近30年发展起来的新型炼铁工艺，主要应用于钢铁厂含锌尘泥处理、复合矿综合利用等方面，我国已建成多条生产线［1，2］。螺旋出料机是转底炉生产线的关键设备，其作用是将高温金属化球团从转底炉炉底排出，它不仅要承受高温，而且在出料过程中炉底和炉料还会磨损叶片。由于螺旋出料机是在线设备，其作业率关系到整个生产线的生产。作为转底炉生产线的关键设备，螺旋出料机要求叶片具有耐高温、耐磨的特性。并且如果叶片磨损到一定程度后，需停炉更换螺旋出料机，势必影响了转底炉工作效率［3］。为更好的解决叶片使用寿命，降低螺旋出料机加工成本，针对目前常用的叶片结构型式进行研究，为叶片结构型式和材质选择提供依据。

对螺旋出料机进行分析计算时，均基于以下两个基本假设：

（1）不考虑物料在螺旋内的压缩情况；

（2）不考虑物料之间的相对滑移。

本文针对某厂螺旋出料机叶片进行研究分析，螺旋出料机的主要结构参数见表1所示。

表1 性能参数表

2 叶片温度场分析

2.1 温度分析建立模型基于以下几点假设（1）叶片各向同性；

（2）忽略叶片变形而产生的变形热，假设叶片不含内热源；

（3）叶片与炉料、空气之间的换热系数是常数；

（4）计算时间步长足够小，每一区域的热流可根据当前的温度分布计算出，且在该时间步长内可视为常数。

叶片材质采用耐热钢，叶片表面堆焊硬质合金，以提高其耐磨性，密度和比热按照常数处理。叶片的比热C＝500J／（kg·℃），密度ρ＝7700kg／m3，导热系数与温度的关系如表2所示。

表2 导热系数与温度关系

轴是由20碳钢制成，比热也取C＝500J／（kg·℃），密度ρ＝7860kg／m3，导热系数与温度的关系如表3所示。

表3 导热系数与温度关系

2.2 螺旋叶片三维几何模型建立

进行分析之前，首先要对结构进行简化。本计算中，螺旋叶片进料与出料口处叶片与物料的接触面积是不同的，故需建立三维仿真模型进行模拟。根据设计实例要求，螺旋轴总长7300mm，上有左旋螺旋叶片共八头，八个螺旋叶片性能参数及工作状态相同，因此在分析建模时，只要分析其中一个螺旋叶片即可，在保证精度的前提下缩短计算时间，提高计算效率。螺旋叶片与螺旋轴通过焊接连接在一起，本分析从偏于保守的角度出发，认为该段焊缝不起作用，将螺旋轴及螺旋叶片做成一个整体考虑。简化后所建立的分析模型如图1所示。

图1 螺旋叶片三维几何模型

2.3 叶片所受热载荷及边界条件

螺旋出料机叶片在工作过程中的热传导和热交换行为相当复杂，但总体满足热量传入与传出的平衡规律，叶片随螺旋轴连续旋转，在叶片旋转一周的过程中，首先与高温炉料接触，叶片表面迅速升温，然后经过与空气的自然对流，叶片表面温度又降低，如此周而复始，叶片进入下一次热行为周期，在叶片在旋转的同时，内部通入高压低温水进行冷却。叶片温度周期性稳定变化。

由以上分析，叶片的热交换主要有以下几种形式：高温炉料与叶片接触的过程中的接触换热及辐射传热；由于物料是固体，故在物料与螺旋出料机的接触部分（螺旋叶片的顶部）存在热传导，而未与海绵铁接触部分则会受到海绵铁的高温热辐射。本文中将整个螺旋叶片划分为两部分，下部叶片热分析存在热传导和辐射传热，上部叶片与空气的对流换热；周围环境大气温度为300℃左右，螺旋出料机与周围空气存在自然对流换热。因空气传热系数非常小，故一般不考虑空气与固体之间的热传导。螺旋轴与冷却水间的对流换热；冷却水温度为50℃左右，冷却水通过旋转接头进入管道，为保证及时散热，人为保证较大的冷却水流速，因此冷却水与轴之间存在受迫对流换热。叶片变形而产生的变形热忽略。

2.3.1 物料与接触部分的叶片存在接触传导

一般用接触热传导系数hd来简化处理两个固体直接接触的热传导问题。接触热传导系数与界面的表面状况和接触压力的大小有密切的关系。直接与炉料接触，作为热流边界来处理，属第二类边界条件，边界条件如式（1）：

式中：hd—接触热传导系数，W／m2·K；

tR—炉料表面温度，K。

2.3.2 未接触部分则受到物料的高温热辐射

等效辐射换热系数hr，可根据辐射定可根据辐射定律写成式（2）：

式中：σ—波尔兹曼常数，5.67×10－8W／（m2·K4）；

ε—材料表面辐射系数0.8。

由上式可知，等效辐射换热系数不仅与材料表面的辐射系数有关，而且与材料的表面温度有关。而温度是未知量，因而辐射边界条件是非线性的。

经过计算得出等效辐射换热系数随温度变化规律如图2所示。

图2 等效辐射换热系数随温度变化规律

2.3.3 叶片与空气间的自然对流换热

叶片未接触物料部分与空气对流换热，对流和辐射换热边界条件在传热学中称为第三类边界条件，可统一写为式（3）：

其中，换热系数α可写成对流换热系数h与等效辐射换热系数hr之和。经计算，叶片与空气间的表面传热系数为9.89W／m2·K。

2.3.4 叶片与冷却水之间的受迫对流换热

水冷也属于第三类边界条件。在这种情况下，对流引起的热量交换起决定作用。叶片旋转一周过程中，管内部一直通水冷却，属于受迫对流。冷却水的平均温度为50℃，水在50℃的物性参数为：

外管的当量直径为：

雷诺数为：

管内流动为旺盛紊流，采用以下公式计算Nu数为：

表面传热系数h为：

2.4 叶片热分析结果分析

根据以上叶片热交换分析，对不同叶片结构型式进行温度场有限元分析，结构如下：

（1）直接焊接结构

直接焊接结构如图3所示，内管外管皆由20碳钢制成，中间水缝通水冷却，软水，温度在50℃左右，流速为1.5m／s～2m／s，叶片由不锈钢制成，其工作面及外圆处堆焊成硬质合金。

图3 直接焊接叶片结构图

所得温度分布如图4所示。

图4 叶片温度分布

叶片温度基本成层状分布，两侧边缘温度较高，根部由于受到水冷却作用，温度较低，顶部与炉料接触时间最长，温度最高；图5为叶片浸入炉料时，左边路径上温度分布曲线，可知叶片根部温度较低，而端部及表面温度较高，可达1009℃，大于三分之一叶片工作温度高于800℃，材料在此温度下力学性能差，不能保证长期有效运行。

图5 叶片温度分布图

（2）水冷叶片式结构

水冷叶片结构如图6所示。件3为叶片成螺旋状，焊接在外管上，共两片，中间留出20mm间隙，再由外圆片4焊成具有中空的螺旋体，件3及件4的材质皆为不锈钢，工作面及外圆皆堆焊硬质合金，中空腔通水冷却，水压0.8MPa，流量1.5m／s～2m／s的软水。

图6 水冷叶片结构示意图

加载求解后，得到叶片温度分布如图7所示。

图7 叶片温度分布

叶片温度基本成层状分布，两侧边缘温度较高，根部由于受到水冷却作用，温度较低，顶部与炉料接触时间最长，温度最高；图8为叶片最左边温度分布曲线，可见大部分叶片温度为300℃左右，由于内部通冷却水，强迫对流接触面积大，叶片散热面积大，叶片取得良好水冷效果，能够满足工作需要。

图8 叶片边界路径温度分布曲线

（3）二段式结构

两段式叶片结构如图9所示。此结构与直接焊接式不同之处是工作叶片可以替换，件4直接焊接在外管上，中间开孔，用M12螺栓将件3联接成一体，件4为20碳钢，件3为高温耐热钢用精密铸造制成。

图9 两段式叶片结构示意图

分析所得温度分布如图10所示。

图10 叶片温度分布

同直接焊接式叶片温度分布规律基本相同成层状分布，两侧边缘温度较高，根部由于受到水冷却作用，温度较低，顶部与炉料接触时间最长，温度最高；图11为叶片浸入炉料时，左边路径上温度分布曲线，可知叶片根部温度较低，而端部及表面温度较高，可达1028℃，且叶片不接触物料部分温度为380℃左右，根部处温度183℃均比直接焊接式略高。

图11 叶片边界路径温度分布曲线

在叶片厚度方向，热传热系数由下式计算得出：

式中：h1—内侧表面传热系数，W／m·K；

h2—外侧表面传热系数，W／m·K；

δ—厚度，m；

λ—热传导系数，W／m·K。

由上式可知，叶片所处环境确定，即叶片内外侧表面传热系数和叶片热传导系数确定，叶片厚度影响传热系数。因此，若想改善温度分布状态，可调节叶片厚度。图12为不同厚度叶片最高点温度值。

由图12可以看出，随着叶片厚度的增加，叶片最高温度逐渐减低。叶片厚度增加，两热源间距增大，叶片散热空间加大，因而内部散热效率更高，叶片温度降低。

3 结论

1）采用直接焊接式及二段式结构形式的叶片，叶片两侧边缘温度较高，均超过1000℃，并且大于三分之一叶片工作温度高于800℃。

图12 最高点温度随叶片厚度变化曲线

2）采用水冷式结构，叶片温度大部分为300℃左右，有效的降低了螺旋叶片的温度，且随着叶片厚度的增加，叶片最高温度也是逐渐减低的。