馬玉嬌，趙忠興，耿德軍，徐興文

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

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除氣板與旋轉噴吹復合凈化水模擬試驗研究

馬玉嬌，趙忠興，耿德軍，徐興文

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

采用自行研制的除氣板與旋轉噴吹復合凈化，通過水模擬試驗，考察氣源壓力、氣流量、轉子轉速對氣泡數(shù)量及分布狀態(tài)的影響規(guī)律，并對影響因素進行優(yōu)化，尋找出最佳工藝參數(shù)。結果表明：該除氣板可獲得數(shù)量較多、細小彌散、分布均勻的氣泡，經(jīng)對鋁液的實際除氣處理，可顯著提高鋁熔體密度；除氣板與旋轉噴吹復合凈化的過程中，沒有產(chǎn)生氣泡合并和液面翻滾的現(xiàn)象，互不干擾。

鋁合金；除氣板；旋轉噴吹；水模擬

隨著鋁及其合金的廣泛應用，對其質量的要求越來越高，其中氫的存在給鋁及其合金的性能帶來直接或間接的危害。對此采用凈化除氣處理是提高鋁熔體純凈度水平，生產(chǎn)高質量鋁材的關鍵[1]。凈化除氣處理工藝一般使用旋轉噴吹凈化及熔劑凈化，對于低壓鑄造的機下爐、熔池較深的熔煉爐并不適用[2]。在低壓鑄造工藝流程中，鋁錠經(jīng)熔煉爐融化后可進行常規(guī)凈化處理，隨后由熔煉爐倒入轉運包，轉運包中鋁熔體從機下爐側口倒入，會造成再次吸氣，旋轉噴吹凈化對機下爐具有較大的局限性。在熔池較深的熔煉爐中，由于旋轉噴吹凈化吹頭長度有限，只采用旋轉噴吹凈化會造成凈化除氣的盲區(qū)(坩堝底部鋁液)，從而影響坩堝底部區(qū)域鋁合金液的除氣效果；如果將除氣板深入到坩堝底部與旋轉噴吹凈化相復合，可以很好地解決此類問題，除氣板對盲區(qū)可以進行有效凈化，旋轉噴吹的攪拌可以使熔體與氣體均勻混合，充分接觸，提高鋁合金液整體的凈化效果[3-5]。

針對上述工藝的特殊性，試驗研究了一種耐火材料制作的除氣板，該除氣板具有微小的孔洞，可形成小于1.5mm的氬氣泡，可以與旋轉噴吹工藝復合使用。采用水模擬試驗方法[6]，對試驗凈化過程中的氣泡形態(tài)及運動狀況進行觀察，從除氣動力學角度分析工藝參數(shù)間的相互影響，尋找出影響因素之間的最佳組合，獲得最佳的工藝參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗條件與方法

試驗設備采用自行研制的除氣板與旋轉噴吹復合凈化裝置，其示意圖如圖1所示。主要由有機玻璃坩堝、除氣板、石墨轉子、氬氣瓶和照相機組成。其中自制除氣板是基體耐火材料作為主料，同時添加粉末狀有機物，先經(jīng)烘箱400℃烘干，再經(jīng)600～800℃的焙燒，其目的是為了燒掉除氣板中粉末狀有機物，形成細小空隙具有可控的透氣性。根據(jù)相似準則，采用水模擬試驗方法，將除氣板與石墨轉子放入注滿水的有機玻璃坩堝，打開氣閥通入惰性氣體，對工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，觀察氣泡的變化及分布狀態(tài)，分析工藝參數(shù)對除氣板與旋轉噴出復合凈化的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 除氣板的水模擬試驗

除氣板除氣屬于氣泡浮游法，氣泡的大小與分布狀態(tài)決定著鋁液的凈化效果。影響氣泡分布的主要工藝參數(shù)為氣源壓力和氣流量，由于試驗設備的限制及工藝的原因，氣流量、氣源壓力選取在一定范圍內(nèi)，各選取兩個最佳值。通過調(diào)節(jié)氣源壓力和氣流量，改變氣泡狀態(tài)，對此設定了四種方案進行對比分析，見表1。對應于不同氣源壓力、氣流量的氣泡分布狀態(tài)如圖2所示。

圖1 除氣板與旋轉噴吹復合凈化水模擬裝置示意圖

方案序號氣源壓力P/MPa氣體流量Q/(m3/h)10.150.2020.150.1530.100.1540.100.20

圖2 除氣板水模擬氣泡狀態(tài)分布圖

影響除氣板除氫效果的主要因素有氣源壓力和氣體流量。從圖2對比可知，在氣源壓力相同的條件下，隨著氣體流量的增加氣泡數(shù)量明顯增加，氣泡大小在氣流量由0.15m3/h到0.2m3/h的過程中，氣泡有變大的趨向。在氣流量相同的條件下，隨著氣源壓力的增加氣泡數(shù)量增加，氣泡尺寸有所增加。這是由于氣源壓力的增加使氣體成功克服了液體流動阻力，使單位時間內(nèi)氣泡數(shù)目增多。從除氣動力學原理分析[7]，氣泡數(shù)目的增加，使鋁液與氣泡兩相間的實際接觸比面積增大。由動力學公式可知[8]，氣泡尺寸越小，氣泡分布越均勻，分布密度越大，便延長了氣泡在鋁液中上升浮游的行程，增加氣泡在鋁液內(nèi)停留的時間，即增加氣泡除氫時間，提高了除氣效果。

式中：k為傳質系數(shù)；Cm為鋁液內(nèi)氫的濃度；Cms為氣液界面處氫的濃度；V為鋁液的容積；A為單位時間內(nèi)通過的表面積；D為氫在鋁液中的擴散系數(shù)；ts為氣泡與體積元之間的接觸時間；Vb為氣泡上浮速度；db為氣泡直徑。

從水模擬試驗結果看，所研制的除氣板在一定的氣源壓力和氣體流量條件下，可獲得直徑小于1.5mm的細小、均勻分布的氣泡，均有較好的除氫動力學特性，能滿足實際生產(chǎn)的基本要求。

2.2 除氣板與旋轉噴吹復合水模擬試驗

在上面試驗結果的基礎上，固定除氣板的工藝參數(shù)，采用表1的方案2；旋轉噴吹工藝參數(shù)改變量如表2所示，在氣源壓力、氣體流量、轉子轉速各不同的條件下，分析氣泡分布狀態(tài)，如圖3所示。

表2 除氣板與旋轉噴吹復合水模擬試驗方案參數(shù)

除氣板與旋轉噴吹同時通入惰性氣體，通過圖3中的對比可以看出，在氣源壓力、氣流量一定的條件下，隨著轉速的提高液體中氣泡變得更細小、分布更均勻，沒有產(chǎn)生氣泡合并和液面翻滾的現(xiàn)象，互不干擾。這是因為在除氣板產(chǎn)生氣泡的同時，轉子經(jīng)氣孔噴吹氣泡，通過旋轉產(chǎn)生的剪切力將氣泡破碎為更加細小的氣泡，隨著轉子的運動趨勢做圓周向上運動，氣泡的向上運動帶動了初始靜止的液體運動，形成了液體的紊流運動，促使氣泡在熔池中分布更加均勻[9]。轉子轉速越大氣泡在鋁液內(nèi)的運動速度越快，使熔體與氣體均勻混合，充分接觸，強化了氣液表面更新率，即傳質系數(shù)k增大。

圖3 除氣板與旋轉噴吹復合水模擬氣泡狀態(tài)分布圖

由圖3c和圖3d對比可以看出，在氣源壓力、轉速相同的情況下，隨著氣流量的增加氣泡數(shù)目不斷增加，但氣泡亦有合泡趨勢。這是由于透氣孔處氣流量增大時，轉子的切向力破碎作用越快，則單位時間形成的氣泡數(shù)目越多，但轉速與氣流量、氣源壓力是相互制約的，為了減小氣泡的直徑，需提高轉速，而轉速過大，使液體回流無規(guī)則，引起轉子產(chǎn)生的氣泡與除氣板產(chǎn)生的氣泡合并，兩個小氣泡合并為大氣泡，減小了鋁液與氣泡間的有效接觸面積，影響了除氣效果。

3 除氣板對鋁合金液凈化試驗

采用50kg坩堝熔化ZL101A鋁合金液進行除氣板試驗，采用密度檢測方法分析合金液的含氣量，工藝參數(shù)為：氣源壓力：0.15MPa，氣體流量：0.15m3/h，除氣時間15min，除氣前合金液的密度為2.56g/cm3,除氣后合金液的密度為2.64g/cm3，針孔度等級從除氣前的三級變?yōu)橐患?，達到了較好的凈化效果。密度試樣低倍組織如圖4所示。

圖4 密度試樣低倍組織圖

4 結論

(1)經(jīng)水模擬試驗證明，除氣板凈化在氣源壓力為0.15MPa，氣流量為0.15m3/h時為最佳工藝參數(shù)，氣泡數(shù)目較多，分布廣泛、細小彌散，沒有產(chǎn)生氣泡合并現(xiàn)象，具有較好的除氣效率。

(2)除氣板與旋轉噴吹復合凈化中，轉速、氣源壓力和氣流量三者相互制約，經(jīng)水模擬試驗證明，在氣源壓力為0.1MPa，氣流量為0.4m3/h，轉速為320r/min時，可產(chǎn)生數(shù)量較多、分布均勻，尺寸較小的氣泡，并且除氣板產(chǎn)生的氣泡與旋轉噴吹產(chǎn)生的氣泡無合泡現(xiàn)象，互不干擾。

[1]巫瑞智,孫寶德,疏達,等.鋁熔體除氫[J].材料科學與工藝,2006,14(2):218-221.

[2]張佳偉,李寶東,祝強,等.鋁合金液除氣板的試驗研究[J].鑄造,2011,60(3):252-253.

[3]傅高升,陳文哲,陳鴻玲.鋁熔體高效凈化的理論及凈化處理技術的現(xiàn)狀分析[J].鑄造技術,2004,25(4):291-292.

[4]E Escobar de Obaldia,S D Felicelli.Quantitative prediction of microporosi ty in aluminum[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,22(191):265-269.

[5]Yubo Zuo,Yiyao Kang,Yue Lin,et al.Application and study in aluminum melt degassing technologies[J].China Foundry,2004,10(31):7-13.

[6]聞紹玲,趙忠興,劉兵.鋁液充型過程水模擬技術的研究[J].輕合金加工技術,2005,33(2):16-17.

[7]陸文華,李隆盛,黃良余.鑄造合金及其熔煉[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:309-312.

[8]張忠華,邊秀房,劉相法.鋁熔體除氫過程動力學[J].中國有色金屬學報,2000,10(2):217-220.

[9]楊長賀.旋轉噴頭法鋁液除氫效率的剖析與研討[J].輕合金加工技術,1995,23(2):5-10.

(責任編輯：馬金發(fā))

Test and Study on Complex Purification of Degassing Plate and Rotary Impeller by Water Simulation

MA Yujiao,ZHAO Zhongxing,GENG Dejun,XU Xingwen

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Using self-developed degassing plate and rotary impeller for complex purification,the influence of air pressure,air flow rate,rotor speed on the number and the distribution state of bubbles were investigated by the water simulation test.At the same time,the optimum process parameters were found out by optimizing the influence factors.The results show that the purging bubbles from the degassing plate are very fine and uniformly distributed and the amount of bubbles is appropriate.The degassing plate was practically applied to Al-alloy melt which can significantly improve the density of the aluminum melt.In the process of complex purification,the phenomenon of the merge of bubbles and the roll surface could not be observed without disturbing each other.

aluminum alloy;degassing plate;rotary impeller;water simulation

2015-07-10

馬玉嬌(1990—)，女，碩士研究生；通訊作者：趙忠興(1963—)，男，教授，研究方向：鑄造鋁合金。

1003-1251(2016)05-0087-04

TG292

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