陸興茂

(1.中南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410083;2.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004)

從19世紀(jì)50年代，用于生產(chǎn)合金的電爐，功率312 kW，到現(xiàn)在功率900 kW，同時(shí)35 T的爐窯發(fā)展到現(xiàn)在60 T的爐窯，爐窯的尺寸已經(jīng)發(fā)生了很大變化，合金品種不斷增加，但是用于合金生產(chǎn)的攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有大的變化，舊的攪拌機(jī)尺寸及參數(shù)不能適用新的爐窯，必須進(jìn)行重新試驗(yàn)確定其參數(shù)。另外，某公司合金產(chǎn)品一次合格率指標(biāo)在此過(guò)程中，從99.1%下降到98.5%，再降到98%，這與合金生產(chǎn)條件變化不無(wú)關(guān)系，而合金生產(chǎn)最關(guān)鍵的是溫度控制和有效攪拌，所以研究合金生產(chǎn)中攪拌的有效性是提高合金產(chǎn)品一次合格率的有效途徑。

1 攪拌原理

鋅基合金生產(chǎn)過(guò)程，主要是Zn元素和其它元素?cái)嚢杌旌线^(guò)程，按照一定的比例把Zn元素和另一種或幾種元素?cái)嚢韫倘芑旌?，達(dá)到均勻，澆鑄、冷卻，形成最終產(chǎn)品［1］。

本次試驗(yàn)中機(jī)械攪拌，槳葉角度成45°，主要機(jī)理是攪拌剪切混合，剪切混合主要因剪切力的作用，槳葉移動(dòng)產(chǎn)生剪切力，將物料拉延撕裂，同時(shí)這部分物料受攪拌槳葉推擠而被壓向鄰近物料，千百次折疊、包裹，物料組分被拉成愈來(lái)愈薄的料層，使某一種組分原來(lái)占有區(qū)域的尺寸愈來(lái)愈小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間強(qiáng)制均勻混合，得到合格產(chǎn)品［2］。對(duì)于高粘度組分特別明顯。圖1是Zn、Al元素混合過(guò)程示意圖，圖1(a)～(c)是只分析了樣品一個(gè)層面上很小的區(qū)域，但是可以看出均勻化程度較低時(shí)如圖1(b)所示，當(dāng)比較均勻時(shí)如圖1(c)所示，Al含量高低的差值可以代表均勻化程度的高低，當(dāng)差值在一個(gè)相對(duì)較小的范圍時(shí)，可以認(rèn)為合金液混合均勻。

圖1 Zn、Al元素混合過(guò)程示意圖

2 試驗(yàn)過(guò)程

采用低頻感應(yīng)電爐，生產(chǎn)某種鋅基合金，攪拌機(jī)功率 11 kW、速比 1/15、攪拌葉片寬 150 mm、長(zhǎng)800 mm。攪拌槳葉與攪拌軸成一定角度，鋅液向上翻騰攪拌。分別測(cè)試不同的槳葉角度、溫度范圍、攪拌機(jī)軸長(zhǎng)攪拌均勻所需要的時(shí)間。每隔3 min取一次樣，由直讀光譜儀分析，每個(gè)樣品分析3個(gè)點(diǎn)取其平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 攪拌溫度對(duì)攪拌效果的影響

試驗(yàn)采取攪拌槳葉與攪拌軸成45°，攪拌軸長(zhǎng)920 mm，分別在470～500℃、480～515℃和490～530℃測(cè)得數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1、表2、表3。

根據(jù)表1、表2、表3的數(shù)據(jù)作得如圖2所示的曲線圖。從圖2中可以看出，溫度較低時(shí)，曲線趨于平滑所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，溫度升高，曲線趨于平滑所需要的時(shí)間較短，即均勻化所需時(shí)間較短，攪拌效果較好。

表1 溫度470～500℃區(qū)間Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表2 溫度480～515℃區(qū)間Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表3 溫度490～530℃區(qū)間Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

圖2 不同攪拌溫度和不同攪拌時(shí)間Al含量變化

3.2 攪拌槳葉角度對(duì)攪拌效果的影響

選擇拌機(jī)槳葉與攪拌軸夾角分別為25°和45°作對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)得不同攪拌槳葉角度下，溫度為480～515℃，軸長(zhǎng)920 mm時(shí)不同Al含量，見(jiàn)表4、表5，并根據(jù)數(shù)據(jù)得曲線如圖3所示。從圖3可以看出，45°曲線比25°曲線更快趨于平滑，說(shuō)明攪拌機(jī)槳葉與攪拌軸夾角45°優(yōu)于25°。由于試驗(yàn)條件限制，沒(méi)有做系統(tǒng)的試驗(yàn)。

表4 攪拌槳葉角度25°，溫度480～515℃，軸長(zhǎng)920 mm Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表5 攪拌槳葉角度45°，溫度480～515℃，軸長(zhǎng)920 mm Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

圖3 不同攪拌槳葉角度的Al含量變化曲線

3.3 攪拌深度對(duì)攪拌效果的影響

分別在攪拌軸720 mm、820 mm、920 mm、1 020 mm、1 120 mm下，測(cè)試攪拌效果，均攪拌20 min后，每隔3 min在合金爐內(nèi)取一次樣進(jìn)行直讀光譜儀分析，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表6～表10。

根據(jù)表6～表10數(shù)據(jù)，作各不同軸長(zhǎng)Al含量隨時(shí)間變化圖，如圖4所示，從圖4中可以看出，波動(dòng)開(kāi)始都比較大，慢慢變小，最后逐漸趨于一個(gè)定值，即反應(yīng)攪拌過(guò)程合金液逐步均勻化的過(guò)程。5條曲線相比較，從第1條到第5條，趨于均勻的速度越來(lái)越快，720 mm曲線，從20～50 min曲線波動(dòng)較大，1 120 mm曲線，最快趨于平滑，合金化速度最快。

不同攪拌軸長(zhǎng)合金液流動(dòng)狀態(tài)示意圖如圖5所示。當(dāng)攪拌機(jī)軸長(zhǎng)為720 mm時(shí)，攪拌時(shí)發(fā)生如圖5(a)所示的狀態(tài)，下部的合金液，被攪拌機(jī)甩出正常液面許多，攪拌中心在合金液中上部，底部合金液沒(méi)有進(jìn)入或很少進(jìn)入攪拌范圍，攪拌功率浪費(fèi)，攪拌效果差。在相對(duì)同等條件下，隨著攪拌軸加長(zhǎng)，攪拌深度增加，合金化速度越快。在實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌和空氣中接觸面積大，同時(shí)形成的渣率較高。

表6 攪拌軸長(zhǎng)720 mm，溫度482～521℃，Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表7 攪拌機(jī)軸長(zhǎng)820 mm，溫度485～523℃，Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表8 攪拌機(jī)軸長(zhǎng)920 mm，溫度480～515℃，Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

表10 攪拌機(jī)軸長(zhǎng)1 120 mm，溫度482～519℃，Al含量隨攪拌時(shí)間的變化

圖4 不同軸長(zhǎng)Al含量隨時(shí)間變化圖

如圖4所示，從第1到第5條曲線相比較趨于平滑的相對(duì)加速度越來(lái)越小，特別是最后兩條線差別不大。說(shuō)明第五條曲線在本次試驗(yàn)中結(jié)果相對(duì)達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果。如圖5(b)所示的狀態(tài)，攪拌機(jī)工作時(shí)，合金液軸附近向上翻騰，遠(yuǎn)離軸的地方向下遠(yuǎn)動(dòng)，形成閉路循環(huán)，合金液向上動(dòng)力靠攪拌機(jī)提供，向下則是重力的作用，攪拌機(jī)槳葉產(chǎn)生一個(gè)向上的推力，槳葉以下相當(dāng)于形成負(fù)壓，合金液從四周向中心流動(dòng)，力量分散，以攪拌葉片為中心，攪拌覆蓋的區(qū)域，上部區(qū)域大于下部區(qū)域。所以攪拌機(jī)槳葉中心應(yīng)在合金液深度中心以下。

從曲線720 mm和1 120 mm的Al含量變化數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)中攪拌機(jī)槳葉在中心以上350 mm處時(shí)，攪拌均勻需要45 min以上，在中心(深600 mm)以下650 mm處時(shí)，攪拌均勻需要35 min即可，攪拌效果明顯較好。此種結(jié)果證實(shí)了攪拌區(qū)域中上部大于下部區(qū)域。

圖5 不同攪拌軸長(zhǎng)合金液流動(dòng)狀態(tài)示意圖

該試驗(yàn)選擇使用的某種低頻感應(yīng)電爐，加熱方式采取噴流式感應(yīng)體加熱，本身會(huì)引起合金液在爐內(nèi)流動(dòng)，增加了攪拌效率。

4 結(jié)論

1.溫度升高，合金液粘度降低，合金液均勻速度加快。

2.攪拌機(jī)槳葉與軸夾角45°，攪拌效果較好。

3.攪拌中心設(shè)計(jì)在合金液深度中心位置以下較為合適，試驗(yàn)中攪拌機(jī)槳在距爐底550 mm較好。

［1］ 朱曉云，郭忠誠(chéng)，曹梅．有色金屬特種功能粉體材料制備技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

［2］ 姚瑰妮．玻璃粒子在半固態(tài)鋁合金液中攪拌分散過(guò)程模擬的研究［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2012．