高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電極制粉設(shè)備是以純金屬或合金制成圓棒自耗電極,，電極棒高速旋轉(zhuǎn),，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(jìn)入制粉腔室并凝固成球形粉末。

旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備電極棒轉(zhuǎn)速越高其制備的粉末細(xì)粉率越高,，但電極棒振動(dòng)也會(huì)越大,，在相同轉(zhuǎn)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(dòng)，但縮短電極棒有可能會(huì)對(duì)與電極棒連接的相關(guān)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(zhuǎn)電極棒可縮短的空間,，為旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的改進(jìn)提供一定程度的參考。

圖1-1 旋轉(zhuǎn)電極制粉過程示意圖

結(jié)構(gòu)模型與材料
本次計(jì)算只針對(duì)旋轉(zhuǎn)電極棒料模型進(jìn)行分析,，棒料模型制粉端部形狀基于旋轉(zhuǎn)電極制粉剩余棒料逆向數(shù)據(jù)模型進(jìn)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(jì)算過程中采用Ansys workbench中不銹鋼的默認(rèn)參數(shù),，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為15.1W/m℃。


網(wǎng)格處理
采用Ansys workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分,，高級(jí)尺寸函數(shù)（Size Function）設(shè)為Curvature,，全局網(wǎng)格控制Relevance center設(shè)為Fine，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為5mm,；整個(gè)模型共有416,890個(gè)節(jié)點(diǎn),，100,225個(gè)單元，網(wǎng)格平均質(zhì)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(jì)算假設(shè)、邊界條件及接觸設(shè)置
本文采用穩(wěn)態(tài)熱分析進(jìn)行計(jì)算,，計(jì)算過程做出了如下假設(shè)：

1,、認(rèn)為棒料和密封圈摩擦所產(chǎn)生的熱量相對(duì)于端部熔化輸入熱量較小，忽略該熱量,；
2,、因橡膠圈為導(dǎo)熱系數(shù)較低的氟橡膠材料，且其與棒料的接觸面積相對(duì)較小,，忽略橡膠圈處的熱傳導(dǎo),；
3、與棒料后部端面連接的設(shè)備金屬零件所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)以對(duì)流換熱進(jìn)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(shè)為綁定接觸,。

本文結(jié)合實(shí)際的工作狀態(tài)設(shè)定以下邊界條件：

1. 棒料的熔化端面施加溫度載荷,，本文計(jì)算過程分別在熔化端面施加熔點(diǎn)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(zhuǎn)電極棒料表面的熱輻射,；
3. 參考文獻(xiàn)2指出當(dāng)靜止的水平圓柱處于靜止空氣的大空間環(huán)境下時(shí),，圓柱表面與其周圍大空間的換熱為自然對(duì)流換熱及輻射換熱，當(dāng)該圓柱在同樣的環(huán)境下繞軸中心旋轉(zhuǎn)時(shí),，圓柱表面與其周圍空氣間有了相對(duì)運(yùn)動(dòng),，他們之間的換熱則變?yōu)閺?qiáng)迫對(duì)流換熱及輻射換熱，對(duì)流換熱系數(shù)將增加,，但不可能無限的增加,，存在一個(gè)極大值。當(dāng)考慮空氣的粘性,，黏附在旋轉(zhuǎn)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(dāng)水平放置的圓柱直徑不太大時(shí),，可能會(huì)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(shí)旋轉(zhuǎn)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(shí)的圓柱表面與其周圍大空間的空氣間的換熱多一層導(dǎo)熱層,，因而對(duì)于一定直徑的圓柱,，隨著轉(zhuǎn)速增加，“空氣保溫膜”的厚度增加,，這種導(dǎo)熱熱阻作用隨之增加,，從而減弱了圓柱表面的換熱。文獻(xiàn)2通過實(shí)驗(yàn)得出針對(duì)直徑為21.7mm的不銹鋼圓柱旋轉(zhuǎn)過程其表面對(duì)流換熱系數(shù)有如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

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

仿真結(jié)果分析
5.1 工況1棒料溫度分析結(jié)果

圖5-1 工況1棒料溫度分布結(jié)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(jié)果

圖5-2 工況2棒料溫度分布結(jié)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(jié)果

圖5-3工況3棒料溫度分布結(jié)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(jié)論
從以上分析可知,，在本文的三種計(jì)算工況條件下（熔化端部為熔點(diǎn)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(duì)密封圈的影響，棒料存在一定長(zhǎng)度的縮短空間,。但縮短電極棒時(shí)仍需考慮溫度的升高可能會(huì)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(duì)相應(yīng)部件也采取相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施,。

參考文獻(xiàn)
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(xiàn)榮, 楊承, et al. 水平高速旋轉(zhuǎn)圓柱表面對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)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(xué)專業(yè)，博士學(xué)位,，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn),，參與并實(shí)施多項(xiàng)金屬增材制造科研課題及相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作；目前主要從事增材制造設(shè)備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作,。