高速旋转电极棒制粉过程温度仿真分析

作者：谢琰军
来源：安世亚太

旋转电极制粉设备是以纯金属或合金制成圆棒自耗电极，电极棒高速旋转，电极棒末端伸入制粉腔室，其端面受热源（如电弧、等离子体、电子束等）加热而熔化成液体，熔融金属液在离心力的作用下沿电极棒端面切线方向发散成小液滴进入制粉腔室并凝固成球形粉末。

旋转电极制粉设备电极棒转速越高其制备的粉末细粉率越高，但电极棒振动也会越大，在相同转速的情况下缩短电极棒可以在一定程度上减弱电极棒的振动，但缩短电极棒有可能会对与电极棒连接的相关部件产生影响（例如：与电极棒接触的各部件的温度承载能力）。本期增材专栏通过分析电极棒在制粉过程中的温度分布以及从温度方面考量旋转电极棒可缩短的空间，为旋转电极制粉设备的改进提供一定程度的参考。

图1-1 旋转电极制粉过程示意图

结构模型与材料
本次计算只针对旋转电极棒料模型进行分析，棒料模型制粉端部形状基于旋转电极制粉剩余棒料逆向数据模型进行建模。制粉棒料端部模型如图2-1所示。

图2-1棒料端部形态

棒料材料为不锈钢，本文计算过程中采用Ansys workbench中不锈钢的默认参数，其热传导系数为15.1W/m℃。


网格处理
采用Ansys workbench进行网格划分，高级尺寸函数（Size Function）设为Curvature，全局网格控制Relevance center设为Fine，最大网格尺寸设为5mm；整个模型共有416,890个节点，100,225个单元，网格平均质量0.73，具体网格划分情况见图3-1。

图3-1 网格划分情况

计算假设、边界条件及接触设置
本文采用稳态热分析进行计算，计算过程做出了如下假设：

1、认为棒料和密封圈摩擦所产生的热量相对于端部熔化输入热量较小，忽略该热量；
2、因橡胶圈为导热系数较低的氟橡胶材料，且其与棒料的接触面积相对较小，忽略橡胶圈处的热传导；
3、与棒料后部端面连接的设备金属零件所产生的热传导以对流换热进行等效；
4、忽略不同棒料螺纹连接处的热阻，端部棒料和后续棒料之间的接触设为绑定接触。

本文结合实际的工作状态设定以下边界条件：

1. 棒料的熔化端面施加温度载荷，本文计算过程分别在熔化端面施加熔点温度1450℃，并考虑一定过热温度施加1650℃和1850℃三种工况；
2. 考虑不锈钢旋转电极棒料表面的热辐射；
3. 参考文献2指出当静止的水平圆柱处于静止空气的大空间环境下时，圆柱表面与其周围大空间的换热为自然对流换热及辐射换热，当该圆柱在同样的环境下绕轴中心旋转时，圆柱表面与其周围空气间有了相对运动，他们之间的换热则变为强迫对流换热及辐射换热，对流换热系数将增加，但不可能无限的增加，存在一个极大值。当考虑空气的粘性，黏附在旋转的圆柱表面的空气必然受反切向离心力的影响，尽管存在热浮升力的作用，当水平放置的圆柱直径不太大时，可能会形成一层随这种作用力增加其径向厚度不断增加的围绕圆柱表面与圆柱同时旋转的空气层，因而可以看作在圆柱表面上包裹着一层“空气保温膜”，这时的圆柱表面与其周围大空间的空气间的换热多一层导热层，因而对于一定直径的圆柱，随着转速增加，“空气保温膜”的厚度增加，这种导热热阻作用随之增加，从而减弱了圆柱表面的换热。文献2通过实验得出针对直径为21.7mm的不锈钢圆柱旋转过程其表面对流换热系数有如下的经验公式：

其中d为圆柱直径；vi为周围气体的运动粘度(本文计算涉及到两种气体（空气和氮气），本计算取值空气的运动粘度为15.787mm2/s；氩气的运动粘度为14.030mm2/s)；v（m/s）为表面转速（本文按照12000r/min的转速进行计算）；为气体的导热系数（本计算取值空气的导热系数为0.0233W/m℃；氩气的导热系数为0.0173W/m℃），Re为雷诺系数，本文雷诺系数的计算采用旋转电极棒料实际工况（12000r/min进行计算），并根据求得的雷诺系数根据公式2计算得到努塞尔数Nu，然后采用公式1计算对流换热系数 ，计算得到的对流换热系数施加于本文计算的旋转电极棒的表面，计算得到与空气接触的棒料表面对流换热系数为9.12W/m2℃；与氩气接触的棒料表面对流换热系数为6.77W/m2℃。

仿真结果分析
5.1 工况1棒料温度分析结果

图5-1 工况1棒料温度分布结果

由图5-1可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面约为500至550mm处，工况1条件下与密封圈接触的金属棒料的温度约为77.88℃至96.31℃之间；

5.2 工况2棒料温度分析结果

图5-2 工况2棒料温度分布结果

由图5-2可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面约为500至550mm处，工况2条件下与密封圈接触的金属棒料的温度约为81.52℃至101.23℃之间；

5.3 工况3棒料温度分析结果

图5-3工况3棒料温度分布结果

由图5-3可知：
1）密封圈所在位置距熔化端面约为500至550mm处，工况3条件下与密封圈接触的金属棒料的温度约为84.89℃至105.79℃之间；


结论
从以上分析可知，在本文的三种计算工况条件下（熔化端部为熔点并考虑了一定的过热的三种工况），与密封圈接触的金属棒料的温度约为77.88℃至105.79℃之间；单纯考虑温度对密封圈的影响，棒料存在一定长度的缩短空间。但缩短电极棒时仍需考虑温度的升高可能会带来密封圈膨胀，与金属棒料间摩擦系数增大，密封加速磨损甚至失效的情况，因此需要对相应部件也采取相应的优化改进措施。

参考文献
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. 杨泽亮, 卓献荣, 杨承, et al. 水平高速旋转圆柱表面对流换热的实验研究[J]. 工业加热, 2002, 31(5):17-20.

—作者—
谢琰军
材料物理与化学专业，博士学位，多年材料及增材制造领域研发经验，参与并实施多项金属增材制造科研课题及相关技术开发工作；目前主要从事增材制造设备及工艺相关的仿真及咨询工作。