闕燚彬，李宏軍

柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545006

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用水模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究金屬精煉凈化過(guò)程中的氣泡分布的情況、氣泡大小變化的特性、氣液界面行為及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等性能指標(biāo)。為了體現(xiàn)出金屬精煉凈化過(guò)程流動(dòng)（原型）的主要現(xiàn)象，并做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，水模擬實(shí)驗(yàn)在幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡、動(dòng)力特性等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置（模型）有很高的要求：模型和原型必須保持嚴(yán)格的流動(dòng)力學(xué)相似關(guān)系。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)重視不夠，現(xiàn)有的一些傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)不到完全相似的程度，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大誤差，具體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置存在以下不足。

（1）不具備調(diào)整轉(zhuǎn)軸在容器中傾斜角度的功能。

（2）不能實(shí)現(xiàn)氣體經(jīng)由葉輪噴嘴徑向射入水中形成氣泡的物理場(chǎng)景。

（3）氣體流量及葉輪與方桶底部之間距離不能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

（4）不具備編程控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行時(shí)間的功能。

上述不足，直接影響了氣—液兩相流測(cè)試結(jié)果的可靠性，進(jìn)而制約了金屬精煉凈化工藝的改進(jìn)。因此，有必要開(kāi)發(fā)出一種儀器級(jí)的傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)可視化流場(chǎng)的定性定量的描述，掌握各影響因素對(duì)氣泡的大小、分散程度及運(yùn)動(dòng)狀的作用機(jī)理與規(guī)律。

1 裝置設(shè)計(jì)及原理

本文設(shè)計(jì)的傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置目的在于克服現(xiàn)有水模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在的不足，提供一種適合模擬觀測(cè)傾斜式旋轉(zhuǎn)噴吹法精煉凈化鋁合金熔體過(guò)程的水模擬實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)試方法，通過(guò)直接測(cè)試傾斜式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置中流場(chǎng)速度分布、氣泡分布及大小，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不透明鋁合金熔體在特定工藝條件下（例如，轉(zhuǎn)軸傾斜）氣-液兩相流場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[1]。

1.1 裝置設(shè)計(jì)

本裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由氣源裝置1、氣管2、機(jī)架3、傾斜臺(tái)4、導(dǎo)線5、滑臺(tái)組件6、電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7、電動(dòng)機(jī)支架8、控制柜9、方桶組件10組成，各零件之間結(jié)構(gòu)關(guān)系如下。

（1）如圖2所示氣源裝置1的高壓氣瓶14上安裝有氣瓶手輪11、流量閥13，流量閥13連接玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)12并與氣管2相通。

（2）如圖3所示三根支柱16與底板15用螺紋連接，并通過(guò)三對(duì)圓螺母18與動(dòng)板17構(gòu)成穩(wěn)固的機(jī)架3，墊板20通過(guò)螺釘19固定在動(dòng)板上。傾斜臺(tái)4通過(guò)螺釘固定在機(jī)架3上。

（3）傾斜臺(tái)4的轉(zhuǎn)臺(tái)與傾斜臺(tái)座為弧面接觸，并通過(guò)壓板、鎖緊螺母鎖緊，轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝有蝸桿軸承座及蝸桿，蝸桿與傾斜臺(tái)座的蝸輪面嚙合，角度標(biāo)尺安裝在傾斜臺(tái)座上，滑臺(tái)組件6通過(guò)螺釘固定在傾斜臺(tái)4上。

（4）滑臺(tái)組件6的燕尾滑臺(tái)座上安裝了燕尾滑塊，其間安裝有墊片，燕尾滑臺(tái)座上還安裝了軸承座、絲桿及滑臺(tái)手輪，絲桿與絲桿螺母配合，絲桿螺母與燕尾滑塊通過(guò)螺釘固定連接，電動(dòng)機(jī)支架8通過(guò)螺釘固定在滑臺(tái)組件6上。

（5）電動(dòng)機(jī)支架8由蓋板、支架底板、卡板組成，通過(guò)螺釘固定連接。電動(dòng)機(jī)支架8分別與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7的電動(dòng)機(jī)、三個(gè)軸承固定連接。

（6）電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7主要由電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)帶輪、傳動(dòng)帶、從動(dòng)帶輪和轉(zhuǎn)軸組成，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸與主動(dòng)帶輪為固定連接關(guān)系。

（7）轉(zhuǎn)軸為空心長(zhǎng)軸件，其外圓同軸度精度要求控制在±φ0.5mm范圍。轉(zhuǎn)軸與三個(gè)軸承、從動(dòng)帶輪等均是間隙配合，并以緊定螺釘緊固。

（8）轉(zhuǎn)軸與多孔葉輪、旋轉(zhuǎn)接頭之間，均安裝O形密封圈形成過(guò)盈配合，并以緊定螺釘緊固。

（9）控制柜9的控制柜體內(nèi)安裝了觸摸屏、PLC單片機(jī)、變頻器。觸摸屏與PLC單片機(jī)之間以通訊線51連接，變頻器與PLC單片機(jī)之間以導(dǎo)線連接。

1.2 工作原理

（1）為了增加機(jī)構(gòu)運(yùn)行的整體穩(wěn)定性，減小因彈性變形引起的振動(dòng)。在設(shè)計(jì)方面具體采用了如下措施：①采用三根支柱16與底板15、動(dòng)板17連接成穩(wěn)固的機(jī)架。將電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7安裝在電動(dòng)機(jī)支架8上，電動(dòng)機(jī)支架8通過(guò)滑臺(tái)組件6與傾斜臺(tái)4連接。其中，滑臺(tái)組件6的導(dǎo)軌為燕尾槽和平面導(dǎo)軌型結(jié)構(gòu)，剛性強(qiáng)可以減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7因懸臂而引起的彈性變形，從而達(dá)到降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。②利用對(duì)稱平衡布局設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加了整體機(jī)構(gòu)的剛度，規(guī)避了機(jī)構(gòu)固有共振頻率，以減小空心轉(zhuǎn)軸運(yùn)行時(shí)的擺動(dòng)，具體措施有：a）傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的軸心線與機(jī)架的幾何中心對(duì)齊；b）空心轉(zhuǎn)軸外圓同軸度精度為±0.5mm；c）安裝在電動(dòng)機(jī)支架8的轉(zhuǎn)軸的軸心線與機(jī)架的幾何中心對(duì)齊；d）安裝在空心轉(zhuǎn)軸上的從動(dòng)帶輪置于軸承之間，并盡量靠近軸承；e）主動(dòng)帶輪與從動(dòng)帶輪平齊；f）采用三組軸承支撐空心轉(zhuǎn)軸。

（2）在多孔葉輪定位方面，通過(guò)調(diào)整滑臺(tái)組件6中燕尾滑塊的位置、機(jī)架3的動(dòng)板17的高低以及傾斜臺(tái)4的轉(zhuǎn)臺(tái)的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪角度的調(diào)整及定位。

（3）在氣路方面，空心轉(zhuǎn)軸的一端與旋轉(zhuǎn)接頭通過(guò)緊定螺釘連為一體，另一端也通過(guò)緊定螺釘與多孔葉輪連為一體。由于空心轉(zhuǎn)軸與多孔葉輪之間、空心轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)接頭之間，均安裝O形密封圈45形成過(guò)盈配合，確保了氣體不會(huì)發(fā)生泄漏。旋松高壓氣瓶手輪11，氣體即由高壓氣瓶14流出，經(jīng)流量閥13、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)12、氣管2、旋轉(zhuǎn)接頭、空心轉(zhuǎn)軸后，流至多孔葉輪，并經(jīng)其小孔噴嘴射出。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)12的最小刻度為1L/min，故通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥13，即可對(duì)通氣流量實(shí)現(xiàn)1L/min的精確控制。

（4）考慮到當(dāng)“氣-液”兩相流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，水流對(duì)氣泡的剪切作用下降，導(dǎo)致氣泡分散、破碎效果變差。為了提高氣泡分散、破碎效果，探索出新工藝，本機(jī)構(gòu)中，空心轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)接頭及空心轉(zhuǎn)軸與多孔葉輪均以緊定螺釘緊固連接，為正反轉(zhuǎn)運(yùn)行提供了條件，因而，本機(jī)構(gòu)可以利用反轉(zhuǎn)功能破壞流場(chǎng)的穩(wěn)定，使得水流對(duì)氣泡的剪切作用增強(qiáng)。其具體實(shí)現(xiàn)方式，如下：采用PLC單片機(jī)經(jīng)由RS485選件板、導(dǎo)線，與變頻器、觸摸屏連接成控制回路，從而對(duì)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制[2]。

（5）在水模擬觀測(cè)方面，澄清的水及透明亞克力方筒為直觀觀察“氣-液”兩相流創(chuàng)造了條件，而且透明亞克力方筒外部安裝的鋼直尺最小刻度為毫米，因而，高速相機(jī)可以清晰地捕獲毫米級(jí)精度大小的氣泡及其運(yùn)行軌跡。

2 水模擬測(cè)試方法

本文設(shè)計(jì)金屬熔體旋轉(zhuǎn)噴吹凈化過(guò)程流場(chǎng)特性的水模擬測(cè)試方法，采用室溫的澄清水為介質(zhì)模擬金屬溶液，選用透明方筒作為盛裝水介質(zhì)的容器以實(shí)現(xiàn)模擬金屬精煉過(guò)程可視化的目的。具體步驟如下：①多孔葉輪制備及安裝：根據(jù)金屬精煉工藝實(shí)際尺寸，按照固定的比例，采用高精度塑料絲熔融沉積3D打印機(jī)成型多孔葉輪，并將多孔葉輪安裝至轉(zhuǎn)軸上。②制備透明方桶并找正：按照實(shí)驗(yàn)比例，選用高透明度的亞克力材料制備方筒，安裝時(shí)使方桶的中心軸線與轉(zhuǎn)軸的中心線重合。③校正多孔葉輪位置：旋轉(zhuǎn)傾斜臺(tái)的蝸桿，使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸傾斜，當(dāng)轉(zhuǎn)軸達(dá)到需要的傾斜角度時(shí)，用扳手旋緊鎖緊螺母固定轉(zhuǎn)臺(tái)，傾斜角度由角度標(biāo)尺測(cè)定；旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向下移動(dòng)，并帶動(dòng)與之聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)噴吹裝置下移，直至最低點(diǎn)；調(diào)節(jié)機(jī)架上的三對(duì)圓螺母的下面的螺母使動(dòng)板垂直向下移動(dòng)，當(dāng)多孔葉輪接觸方桶的底部時(shí)，旋緊上面的圓螺母鎖定動(dòng)板。④調(diào)整多孔葉輪位置：再次旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向上滑動(dòng)，并帶動(dòng)多孔葉輪上移，以調(diào)整多孔葉輪與方桶底部之間的距離。當(dāng)燕尾滑塊到達(dá)滑臺(tái)標(biāo)尺的所需刻度位置時(shí)，用內(nèi)六角扳手上緊鎖緊螺釘[3]。移動(dòng)調(diào)整方桶組件，使多孔葉輪底部中心到方桶的側(cè)壁在長(zhǎng)度方向保持需要的距離。⑤按比例注水：按照實(shí)驗(yàn)指定比例往圓筒中注入水至需水位。⑥調(diào)定通氣流量：開(kāi)高壓氣瓶，使氣體（N2或Ar）從旋轉(zhuǎn)接頭流入轉(zhuǎn)軸的中心通孔，抵達(dá)多孔葉輪，經(jīng)其噴嘴射入水中，形成氣泡。調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量閥，直至氣體流量穩(wěn)定在所需設(shè)定值。⑦編程并運(yùn)行：操作面板的觸摸屏，按實(shí)驗(yàn)設(shè)定分別輸入轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行時(shí)間等工藝參數(shù)，并運(yùn)行程序。⑧調(diào)試相機(jī)及成像拍攝：用相機(jī)記錄氣泡分散、大小及運(yùn)行軌跡變化的圖像，并根據(jù)觀察的幅面尺度的需要，調(diào)整相機(jī)的位置、鏡頭高度及焦距。程序運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)高清單反數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能，捕獲“氣-液”流場(chǎng)瞬間變化的信息。

3 實(shí)施

通過(guò)如下實(shí)施實(shí)例對(duì)本文所設(shè)計(jì)裝置及其測(cè)試方法做進(jìn)一步的實(shí)踐描述。

步驟一：制備多孔葉輪。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)噴吹法除氣凈化技術(shù)，如單孔吹氣法和多孔噴吹法難以滿足凈化的各項(xiàng)綜合要求。多孔噴吹法雖比單孔法產(chǎn)生的氣泡更小些，但改善作用不大。單孔吹氣是較早的噴氣精煉方法，就是通過(guò)一根管子直接將精煉氣體吹入熔體。由于管內(nèi)徑大，在液體中產(chǎn)生的氣泡也大，液體易飛濺，且氣泡上浮速度較快，降低了氣泡與液體的接觸面積和作用時(shí)間，效果較差。目前采用這種精煉方法應(yīng)用較少。為了進(jìn)一步提高精煉效果，在單孔吹氣和多孔噴吹法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的微孔吹頭精煉工藝得到了較快的發(fā)展[4]。通過(guò)3D打印增材制造技術(shù)，在葉輪上打印出規(guī)則布置的多個(gè)細(xì)微孔。由于精煉氣體通道的微細(xì)化，在液體中產(chǎn)生氣泡直徑在0.5~2mm，上浮速度慢，有效地增加了氣體與液體的作用時(shí)間和作用面積。

根據(jù)鋁合金精煉工藝中葉輪的實(shí)際尺寸400mm，按照1∶4的比例，采用高精度塑料絲熔融沉積3D打印機(jī)成型多孔葉輪，直徑為100mm，徑向144個(gè)0.5mm小孔，并將其安裝至轉(zhuǎn)軸上。

步驟二：制備透明方桶。

為便于觀察，并考慮在運(yùn)行中保持平穩(wěn)，選用厚度為4mm的高透明度的亞克力材料，按照1:4的比例制備830mm×630mm×400mm的方桶（熔煉爐內(nèi)膽尺寸3300mm×2500mm×2000mm，鋁合金熔體高900mm），將方桶安裝在可傾式水模擬實(shí)驗(yàn)裝置下方，并使方桶的中心軸線與轉(zhuǎn)軸的中心軸線對(duì)正。

步驟三：校正多孔葉輪零位。

（1）旋轉(zhuǎn)傾斜臺(tái)的蝸桿，使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸傾斜，當(dāng)轉(zhuǎn)軸與水平夾角達(dá)到50°（實(shí)際工藝參數(shù)為50°~70°）時(shí)，用扳手旋緊鎖緊螺母固定轉(zhuǎn)臺(tái)，傾斜角度由角度標(biāo)尺測(cè)定。

（2）旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向下移動(dòng)，并帶動(dòng)與之聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)噴吹裝置（電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、多孔葉輪及氣管等）下移，直至最低點(diǎn)。

調(diào)節(jié)機(jī)架上的三對(duì)圓螺母的下面的螺母使動(dòng)板垂直向下移動(dòng)，當(dāng)多孔葉輪接觸方桶的底部時(shí)，旋緊上面的圓螺母鎖定動(dòng)板。調(diào)整時(shí)三對(duì)圓螺母應(yīng)平衡進(jìn)行并以水平儀校驗(yàn)動(dòng)板的水平度。

步驟四：調(diào)整多孔葉輪位置40mm。

（1）旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向上滑動(dòng)，并帶動(dòng)多孔葉輪上移，當(dāng)燕尾滑塊相對(duì)滑臺(tái)標(biāo)尺移動(dòng)了52mm則垂直方向上升40mm（通過(guò)傾斜角度換算）時(shí)，用內(nèi)六角扳手上緊鎖緊螺釘，使多孔葉輪與透明方桶底部之間的距離固定為40mm。

（2）移動(dòng)調(diào)整方桶組件在長(zhǎng)度方向的位置，使多孔葉輪底部中心到方桶側(cè)壁在長(zhǎng)度方向的距離達(dá)到150mm（熔煉爐內(nèi)壁側(cè)面距離葉輪底部中心距離600mm）。

步驟五：注入水介質(zhì)。

按照約1:4的比例往透明方桶中注入水，直至達(dá)到所需230mm水位（熔煉爐容納鋁合金熔體高900mm）。

步驟六：調(diào)定通氣流量5L/min。

旋松高壓氣瓶手輪，使氣體（N2或Ar）從高壓氣瓶經(jīng)氣管流出，再?gòu)男D(zhuǎn)接頭流入轉(zhuǎn)軸的中心通孔，抵達(dá)多孔葉輪，經(jīng)其噴嘴射入水中，形成氣泡。然后，調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量閥，直至氣體流量穩(wěn)定在5L/min。

步驟七：編程運(yùn)行。

操作面板的觸摸屏，按表1所列的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行時(shí)間等工藝參數(shù)，建立相應(yīng)運(yùn)行程序，按下觸摸屏的啟動(dòng)按鍵，使轉(zhuǎn)軸按照設(shè)定程序運(yùn)行。

表1 程序工藝參數(shù)表

步驟八：調(diào)試相機(jī)及成像拍攝。

選用尼康Z5單反數(shù)碼相機(jī)記錄氣泡分散、大小及運(yùn)行軌跡變化的圖像，并根據(jù)觀察的幅面尺度的需要，調(diào)整尼康Z5單反數(shù)碼相機(jī)的位置、鏡頭高度及焦距。在程序運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)尼康Z5單反數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能，捕獲“氣-液”流場(chǎng)瞬間變化的信息。

通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該裝置通過(guò)對(duì)可視化流場(chǎng)的定性定量描述，通過(guò)直接測(cè)試該水模擬實(shí)驗(yàn)裝置中流場(chǎng)速度分布、氣泡分布及大小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不透明金屬熔體氣—液兩相流流場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)方法可靠性高[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的制備方法簡(jiǎn)單、便捷，裝置結(jié)構(gòu)合理，易于操作，使用可靠?？梢苑奖愕乜刂妻D(zhuǎn)軸正反轉(zhuǎn)，并可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，滿足研究不同轉(zhuǎn)向、不同轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間對(duì)氣泡生成及運(yùn)動(dòng)的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，在以下方面得到了提升：借助高速攝影技術(shù)，可直觀可視地觀察研究微小氣泡生成及運(yùn)動(dòng)軌跡；可以精確調(diào)節(jié)多孔葉輪在透明方筒中的不同位置，滿足研究多孔葉輪不同位置對(duì)氣泡生成及運(yùn)動(dòng)的影響，以便優(yōu)化工藝；多孔葉輪有利于氣泡均勻懸浮，側(cè)面開(kāi)有大量的氣孔作為噴嘴，可生成大量小氣泡，并可測(cè)量其大小。