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        新型顆粒增強鎂合金攪拌反應(yīng)釜的模擬優(yōu)化設(shè)計

        2020-01-17 06:10:14
        工業(yè)加熱 2019年6期
        關(guān)鍵詞:釜內(nèi)反應(yīng)釜液面

        李 楠

        (陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南714000)

        鎂合金作為一種新型的合金材料,因其密度小質(zhì)量輕,且具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能在航空航天、軍工及化工制造業(yè)都受到廣泛的應(yīng)用[1-5],在金屬合金領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近些年來在鎂合金冶煉中加入非金屬顆粒,這樣可以在保證合金金屬特性之外,增強合金的硬度、剛性及抗氧化能力[6-9]。目前對于顆粒增強鎂合金技術(shù)已經(jīng)較為成熟,在合金攪拌冶煉中加入碳化硅顆粒已經(jīng)形成商品產(chǎn)業(yè)化,現(xiàn)階段的研究主要集中于對于制備工藝及設(shè)備的優(yōu)化。如圖1 所示為傳統(tǒng)攪拌裝置的示意圖,其攪拌裝置主要包括攪拌槳,坩堝,加熱電極及通氣管。制備時將鎂合金熔化至半固態(tài),通過熱電偶控制熔液溫度,將碳化硅顆粒置于熔液表面,同時通入氬氣作為保護氣體??刂茢嚢杷俣?,經(jīng)過一定攪拌時間速可獲得成品。

        1 新型攪拌釜設(shè)計

        傳統(tǒng)的攪拌裝置是將增強顆粒通過從液面上端投入,利用自身重力和攪拌力的雙重作用下使得顆粒分散于合金液中。為使得增強顆粒充分于合金液融合往往需要較大的攪拌速度(300 r/min)以上,較大的轉(zhuǎn)速雖然可以保證增強顆粒均勻分散于合金液中,但由于攪拌速度過快,會使得液面上的空氣卷入合金液中導(dǎo)致鎂合金內(nèi)部的氧化。本文根據(jù)長期實驗對攪拌釜進行優(yōu)化設(shè)計,創(chuàng)新采用全真空的攪拌反應(yīng)釜壁面空氣對于合金液的氧化,同時經(jīng)增強顆粒通過底部設(shè)置的氣孔,采用高壓氮氣直接從底部向上噴入合金也中,控制噴入氣體的壓力可壁面氣泡殘存于合金液的同時,使顆粒充分與合金液融合。如圖2 為所示的新型攪拌反應(yīng)釜。

        2 新型攪拌釜模擬驗證分析

        圖1 傳統(tǒng)攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 新型攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖

        在ANSYS中建立攪拌反應(yīng)釜的三維幾何模型,采用混合網(wǎng)格對模型進行劃分。在攪拌槳周圍建立攪拌區(qū)域與靜止區(qū)域以交界面將兩個區(qū)域進行連接。設(shè)置不同攪拌速100、200、300 r/min,設(shè)置進口氣體速度分別為:0.7、1.0、1.2 m/s。模擬中不考慮吧能量溫度對于攪拌速度和壓力的影響,認為一定時間步長之后,該過程將達到一個穩(wěn)定狀態(tài),計算收斂。圖3為計算收斂的參差曲線圖。

        圖3 參差曲線圖

        2.1 攪拌釜內(nèi)壓力場分析

        如圖4所示為不同轉(zhuǎn)速下攪拌釜橫截面壓力分布圖,從圖中可以看出當攪拌槳攪拌速度為100 r/min時,整個反應(yīng)釜熔化液內(nèi)存在明顯的壓力梯度,從液面頂部至底部壓力逐漸降低,而當攪拌速度達到200 r/min時,攪拌釜內(nèi)整體壓力明顯有所升高,但是壓力梯度不是很明顯,這說明壓力的分布更加均勻。而隨著攪拌速度的繼續(xù)升高,攪拌釜內(nèi)壓力梯度又開始上升,因此確定合適的攪拌速度為200 r/min。而以往同類反應(yīng)攪拌釜的攪拌轉(zhuǎn)速基本在300 r/min 以上[10],才能滿足攪拌的需要。

        2.2 攪拌釜內(nèi)速度場分析

        圖4 不同轉(zhuǎn)速下攪拌釜橫截面壓力分布圖

        由于增強顆粒是隨著氣體噴射進入合金液中,進而在攪拌槳作用下彌散于熔液中,因此進口氣體速度對于成品質(zhì)量很重要,本文研究了三種進口速度:0.7、1.0、1.2 m/s。從圖5 中可以看,出當進口速度較低時(0.7 m/s),噴出的氣體較為分散,而隨著進口速度的增加,分散的氣流開始直接由出口帶著顆粒向著液面上方?jīng)_擊,可以看出,當進口速度達到1.2 m/s時,氣流基本直接向液面豎直沖擊,沒有明顯的彌散且沒有直接沖擊出液面,這樣基本滿足于高質(zhì)量鎂合金的制備條件。

        圖5 不同進口速度下攪拌釜內(nèi)速度場分布圖

        3 結(jié) 論

        根據(jù)以往顆粒增強半固態(tài)鎂合金攪拌釜存在的問題,設(shè)計出新型半固態(tài)鎂合金攪拌反應(yīng)釜,將顆粒通過高速氣流從底部直接帶入合金液中,從而避免了高速攪拌下外界空氣對于鎂合金的氧化。通過計算模擬得到最佳攪拌速度為200 r/min,最佳氣體進口速度為1.2 m/s。

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