高速旋轉電極棒制粉過程溫度仿真分析

作者：謝琰軍
來源：安世亞太

旋轉電極制粉設備是以純金屬或合金制成圓棒自耗電極，電極棒高速旋轉，電極棒末端伸入制粉腔室，其端面受熱源（如電弧、等離子體、電子束等）加熱而熔化成液體，熔融金屬液在離心力的作用下沿電極棒端面切線方向發(fā)散成小液滴進入制粉腔室并凝固成球形粉末。

旋轉電極制粉設備電極棒轉速越高其制備的粉末細粉率越高，但電極棒振動也會越大，在相同轉速的情況下縮短電極棒可以在一定程度上減弱電極棒的振動，但縮短電極棒有可能會對與電極棒連接的相關部件產(chǎn)生影響（例如：與電極棒接觸的各部件的溫度承載能力）。本期增材專欄通過分析電極棒在制粉過程中的溫度分布以及從溫度方面考量旋轉電極棒可縮短的空間，為旋轉電極制粉設備的改進提供一定程度的參考。

圖1-1 旋轉電極制粉過程示意圖

結構模型與材料
本次計算只針對旋轉電極棒料模型進行分析，棒料模型制粉端部形狀基于旋轉電極制粉剩余棒料逆向數(shù)據(jù)模型進行建模。制粉棒料端部模型如圖2-1所示。

圖2-1棒料端部形態(tài)

棒料材料為不銹鋼，本文計算過程中采用Ansys workbench中不銹鋼的默認參數(shù)，其熱傳導系數(shù)為15.1W/m℃。


網(wǎng)格處理
采用Ansys workbench進行網(wǎng)格劃分，高級尺寸函數(shù)（Size Function）設為Curvature，全局網(wǎng)格控制Relevance center設為Fine，最大網(wǎng)格尺寸設為5mm；整個模型共有416,890個節(jié)點，100,225個單元，網(wǎng)格平均質量0.73，具體網(wǎng)格劃分情況見圖3-1。

圖3-1 網(wǎng)格劃分情況

計算假設、邊界條件及接觸設置
本文采用穩(wěn)態(tài)熱分析進行計算，計算過程做出了如下假設：

1、認為棒料和密封圈摩擦所產(chǎn)生的熱量相對于端部熔化輸入熱量較小，忽略該熱量；
2、因橡膠圈為導熱系數(shù)較低的氟橡膠材料，且其與棒料的接觸面積相對較小，忽略橡膠圈處的熱傳導；
3、與棒料后部端面連接的設備金屬零件所產(chǎn)生的熱傳導以對流換熱進行等效；
4、忽略不同棒料螺紋連接處的熱阻，端部棒料和后續(xù)棒料之間的接觸設為綁定接觸。

本文結合實際的工作狀態(tài)設定以下邊界條件：

1. 棒料的熔化端面施加溫度載荷，本文計算過程分別在熔化端面施加熔點溫度1450℃，并考慮一定過熱溫度施加1650℃和1850℃三種工況；
2. 考慮不銹鋼旋轉電極棒料表面的熱輻射；
3. 參考文獻2指出當靜止的水平圓柱處于靜止空氣的大空間環(huán)境下時，圓柱表面與其周圍大空間的換熱為自然對流換熱及輻射換熱，當該圓柱在同樣的環(huán)境下繞軸中心旋轉時，圓柱表面與其周圍空氣間有了相對運動，他們之間的換熱則變?yōu)閺娖葘α鲹Q熱及輻射換熱，對流換熱系數(shù)將增加，但不可能無限的增加，存在一個極大值。當考慮空氣的粘性，黏附在旋轉的圓柱表面的空氣必然受反切向離心力的影響，盡管存在熱浮升力的作用，當水平放置的圓柱直徑不太大時，可能會形成一層隨這種作用力增加其徑向厚度不斷增加的圍繞圓柱表面與圓柱同時旋轉的空氣層，因而可以看作在圓柱表面上包裹著一層“空氣保溫膜”，這時的圓柱表面與其周圍大空間的空氣間的換熱多一層導熱層，因而對于一定直徑的圓柱，隨著轉速增加，“空氣保溫膜”的厚度增加，這種導熱熱阻作用隨之增加，從而減弱了圓柱表面的換熱。文獻2通過實驗得出針對直徑為21.7mm的不銹鋼圓柱旋轉過程其表面對流換熱系數(shù)有如下的經(jīng)驗公式：

其中d為圓柱直徑；vi為周圍氣體的運動粘度(本文計算涉及到兩種氣體（空氣和氮氣），本計算取值空氣的運動粘度為15.787mm2/s；氬氣的運動粘度為14.030mm2/s)；v（m/s）為表面轉速（本文按照12000r/min的轉速進行計算）；為氣體的導熱系數(shù)（本計算取值空氣的導熱系數(shù)為0.0233W/m℃；氬氣的導熱系數(shù)為0.0173W/m℃），Re為雷諾系數(shù)，本文雷諾系數(shù)的計算采用旋轉電極棒料實際工況（12000r/min進行計算），并根據(jù)求得的雷諾系數(shù)根據(jù)公式2計算得到努塞爾數(shù)Nu，然后采用公式1計算對流換熱系數(shù) ，計算得到的對流換熱系數(shù)施加于本文計算的旋轉電極棒的表面，計算得到與空氣接觸的棒料表面對流換熱系數(shù)為9.12W/m2℃；與氬氣接觸的棒料表面對流換熱系數(shù)為6.77W/m2℃。

仿真結果分析
5.1 工況1棒料溫度分析結果

圖5-1 工況1棒料溫度分布結果

由圖5-1可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面約為500至550mm處，工況1條件下與密封圈接觸的金屬棒料的溫度約為77.88℃至96.31℃之間；

5.2 工況2棒料溫度分析結果

圖5-2 工況2棒料溫度分布結果

由圖5-2可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面約為500至550mm處，工況2條件下與密封圈接觸的金屬棒料的溫度約為81.52℃至101.23℃之間；

5.3 工況3棒料溫度分析結果

圖5-3工況3棒料溫度分布結果

由圖5-3可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面約為500至550mm處，工況3條件下與密封圈接觸的金屬棒料的溫度約為84.89℃至105.79℃之間；


結論
從以上分析可知，在本文的三種計算工況條件下（熔化端部為熔點并考慮了一定的過熱的三種工況），與密封圈接觸的金屬棒料的溫度約為77.88℃至105.79℃之間；單純考慮溫度對密封圈的影響，棒料存在一定長度的縮短空間。但縮短電極棒時仍需考慮溫度的升高可能會帶來密封圈膨脹，與金屬棒料間摩擦系數(shù)增大，密封加速磨損甚至失效的情況，因此需要對相應部件也采取相應的優(yōu)化改進措施。

參考文獻
1. Chen G, Zhao S Y, Tan P, et al. A comparative study of Ti-6Al-4V powders for additive manufacturing by gas atomization, plasma rotating electrode process and plasma atomization[J]. Powder Technology, 2018: 38-46.

2. 楊澤亮, 卓獻榮, 楊承, et al. 水平高速旋轉圓柱表面對流換熱的實驗研究[J]. 工業(yè)加熱, 2002, 31(5):17-20.

—作者—
謝琰軍
材料物理與化學專業(yè)，博士學位，多年材料及增材制造領域研發(fā)經(jīng)驗，參與并實施多項金屬增材制造科研課題及相關技術開發(fā)工作；目前主要從事增材制造設備及工藝相關的仿真及咨詢工作。