烧结机磁场密封模拟中磁流变体运动研究

刘亮，齐子元，孙海涛，薛德庆，邓辉咏，郭德卿

（陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003）

烧结生产是钢铁生产中一个十分重要的生产工序，烧结冶炼使用的主要设备是烧结机。国内外的烧结机都存在着烧结机漏风。采用磁流变体密封烧结机可以有效减少烧结机漏风，提高烧结机的运行效率。而烧结机台车是运动的，磁场源是不动的，在台车边缘与磁场源之间的磁流变体就不可避免的产生了运动，这种运动影响了烧结机磁场密封的效率。

1 烧结机模拟磁场密封装置

自制烧结机磁场密封装置，如图1，磁路循环形式如图2。采用的磁流变体是将微米级Fe3O4颗粒、所选的浓度为90%的表面活性剂、水按质量比24：4：1混合经过充分搅拌混合制成。

2 磁流变体运动时的微观结构

普通固体粒子在流体中要受到重力G，上层颗粒对下层颗粒的压力Fp，黏性力的作用Fn，而烧结机气隙磁场密封中的磁性固体颗粒在磁场和重力共同作用下跟普通流体粒子不同，要多一个磁场对粒子的作用力Fm，如图3。实验中，台车边沿是运动的，由于磁场强度离磁场源越远越小，模拟台车边沿处最小，但是磁流变体与台车边沿的界面能大于磁流变体中各颗粒间的界面能，所以靠近上板的磁流变体将随上板一起运动，磁场源处的介质与台车边沿处的情况相同。这样，在台车边沿开始运动的时候，磁流变体的柱状结构表现为倾斜，如图4。台车边沿持续运动，将会使链状结构破坏，表现如图5。

但是由于磁性固体颗粒大量存在，紧密挤压，在磁场力的作用下，微粒会形成新的链状结构。如图5。

3 磁流变体的分层运动受力分析

图1 烧结机磁场密封模拟装置

图2 磁路循环图

图3 密封介质受力示意图

图5 磁流变体柱链重新排布图

图6 磁流变体分层运动示意图

在微观上，磁流变体要起到密封作用，就要让被表面活性剂包覆的磁性颗粒间的粘性力Fn和磁场力Fm大于内外压差F压。由于在磁场作用下，磁流变体的柱状磁性固体颗粒形成网状结构，当上层颗粒相对于下层颗粒出现一个位移时，其临近的颗粒补偿到它原来的位置，密封液的存在填充了气隙，保证他们之间的移动是一种无缝的紧密移动。在磁性固体颗粒的移动中，他们之间的粘性力Fn和磁场力Fm并未出现大的变化，因此在移动中，磁流变体仍能保持密封能力。在磁流变体运动时，垂直方向上各层颗粒的运动速度不同，假设台车边沿与磁场源之间，磁流变体共4层，如图6。

第一层是最上面靠近台车边沿的磁流变体，其在台车边沿对其摩擦力的影响下，随台车边沿移动。第二、三层是中间的磁流变体，他们的移动受第一层磁流变体的影响。第四层相对前三层为距磁场源最近一层。该层磁流变体的移动受第三层和磁场源的共同作用。

第一层颗粒受台车边沿移动而产生的摩擦力f1是影响其他各层移动的主要原因。现将一，二，三，四层颗粒进行水平受力分析（重力的影响忽略），当平衡时有以下公式。

式中，f1为台车边沿对第一层颗粒的摩擦力；Fm21为第一层和第二层颗粒之间的磁场力的水平分力；f21为第二层颗粒对第一层颗粒的摩擦阻力；Fn12为第一层和第二层颗粒间的粘性力。

式中，f12为第一层颗粒对第二层颗粒的摩擦力；Fm32为第二层和第三层颗粒之间的磁场力水平分力；f32为第三层颗粒对第二层颗粒的摩擦阻力；Fn23为是第二层和第三层颗粒间的粘性力。

式中，f23为第二层颗粒对第三层颗粒的摩擦力；Fm43为是第三层和第四层颗粒之间的磁场力水平分力；f43为是第四层颗粒对第三层颗粒的摩擦阻力；Fn34为是第三层和第四层颗粒间的粘性力。

式中，f34为第三层颗粒对第四等颗粒的摩擦力；f4为磁场源表面对第四层颗粒的摩擦阻力和磁场源对第四层颗粒磁场力的总和。

由于f21=f12，f32=f23，f43=f34，所以式（1）～式（4）中的等号左右都相加在一起可以得到各层颗粒全都可以移动的平衡公式（5）

但是并不是只要满足了式（5），各层就可以移动，式（5）只是各层移动的必要条件，而非充要条件。各层能否移动，关键是看是否满足式（1）～（4）。

由式（1）～式（3）得：

由式（6）～（8）可知 f1＞f12＞f23＞f34，即引导各层运动的力越近，磁场源越小。

如果某层颗粒引导的力（与台车边沿移动方向相同）小于总的阻力，那这层颗粒就不会移动。在烧结机气隙磁场密封装置上进行模拟台车移动试验时，可以观察到最下层的颗粒不随模拟台车移动就是由于f34＜f4。中间各层的移动根据该层受到的磁场力Fm和粘性力Fn来确定。又由于越靠近磁场源移动的力越小，而阻力磁场力越靠近，磁场源越大，所以越靠近磁场源的层移动的可能性越小，同时由于引导移动的力越来越小，得到的速度v也越来越小，即v1＞v2＞v3＞v4。因此磁场中台车的运动，使磁流变体微观上原来的链状结构被打破并重新形成新的链状结构，在这一变化中，磁流变体表现为分层运动。

4 结语

在烧结机磁场密封模拟中，模拟台车是运动的。磁流变体在台车运动时，有分层运动现象：靠近台车层的磁流变体随台车运动；靠近磁场源的磁流变体不随台车运动，保持不动；中间层的密封介质随台车运动，但运动速度小于靠近台车层的磁流变体。各层密封介质运动速度的不同是摩擦力和磁场力共同作用的结果。磁流变体磁性颗粒的半径越小，烧结机滑道气隙的高度越大，磁流变体各层就越容易运动；磁场强度越大，磁流变体的添加量越多，磁流变体各层就越不容易运动。