胡蒙， 王哲， 郭占成

（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

隨著汽車的制造、建筑和航空航天等行業(yè)發(fā)展，對(duì)金屬材料的品質(zhì)要求日益增高，主要表現(xiàn)在金屬材料中夾雜物含量水平，及金屬材料的潔凈度方面[1]。隨著科技的發(fā)展，金屬熔體凈化工藝及手段變得多樣化，然而傳統(tǒng)方法在某些方面都具有一定的局限性。自超重力技術(shù)提出以來(lái)，因其在金屬熔體凈化方面高效率、低成本和無(wú)污染等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于金屬熔體的凈化。其原理是利用夾雜物與熔體兩者的密度差異，通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心產(chǎn)生的超重力來(lái)強(qiáng)化夾雜物的移動(dòng)，從而以達(dá)到金屬熔體的高效凈化。地球上超重力實(shí)質(zhì)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力。在夾雜物與熔體接觸的過(guò)程中相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及相際傳遞過(guò)程主要由動(dòng)力因素即浮力因子Δρg（Δρ為兩相之間密度差；g為重力加速度）決定，重力加速度越大，對(duì)相際分離的強(qiáng)化作用越大[2]。通過(guò)超重力技術(shù)可顯著提升兩相之間的浮力因子Δρg，從而使密度較大的夾雜物在金屬熔體中沿超重力方向定向移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾雜物的沉降去除。

以再生鋁熔體為例，再生鋁的生產(chǎn)在資源、能源和環(huán)境保護(hù)等方面較原鋁生產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展非常迅速，已成為現(xiàn)代鋁工業(yè)的重要組成部分[3-4]。廢雜鋁作為再生鋁的原料，常摻雜有多種雜質(zhì)，導(dǎo)致在廢雜鋁重熔回收過(guò)程中，熔體中含有大量的固體夾雜物和氣體，其中富鐵相、非金屬夾雜物和氫氣等夾雜物，會(huì)對(duì)材料的鑄造性能、氣密性能、力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[5-8]。因此在生產(chǎn)鋁鑄件前，需要對(duì)鋁熔體進(jìn)行凈化處理，其潔凈程度決定了鋁鑄件品質(zhì)的高低。目前常用的鋁熔體凈化方法有靜置法、氣泡浮游法、溶劑法、過(guò)濾法、電磁法、超聲法等[9-14]。這些方法雖然能夠有效去除大尺寸夾雜物，但是對(duì)于微小尺寸或與熔體密度差別較小的夾雜物去除效率較低，很難滿足高質(zhì)量鋁對(duì)于潔凈度的要求。超重力技術(shù)的提出為鋁熔體的凈化提供了新思路，孫士瞳等對(duì)過(guò)共晶Al-3.01%Fe合金熔體進(jìn)行超重力分離實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了富鐵相Al3Fe的定向富集[15]。SONG等通過(guò)對(duì)鋁熔體中的MgAl2O4非金屬夾雜進(jìn)行了超重力分離研究，密度較大的MgAl2O4被富集到試樣的底部，去除率超過(guò)90%[16]。研究結(jié)果表明，超重力技術(shù)在強(qiáng)化相際分離方面效果顯著，可以有效分離鋁熔體內(nèi)夾雜物進(jìn)而達(dá)到凈化金屬的目的。

目前相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)證明了鋁熔體超重力凈化工藝的理論可行性，但合理的工業(yè)設(shè)計(jì)尚未見(jiàn)報(bào)道。合理的工業(yè)設(shè)計(jì)是既要滿足鋁產(chǎn)品的高潔凈度要求，又要連續(xù)運(yùn)行以保證凈化效率，現(xiàn)仍處于探索階段。本文提出一種溢流式超重力凈化新方法，以鋁熔體的凈化為例，對(duì)溢流式超重力凈化反應(yīng)器內(nèi)鋁熔體中夾雜物運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探究溢流式超重力凈化工藝的凈化原理，為新工藝的實(shí)施建立工藝技術(shù)原型。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 溢流式超重力反應(yīng)器的工作原理

文中超重力場(chǎng)是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)。為了精準(zhǔn)表征重力場(chǎng)的大小，把旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的加速度與常重力加速度的比值定義為重力系數(shù)G，其計(jì)算公式如下：

式（1）中：ω為離心機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；N為旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器轉(zhuǎn)速，r/min；r為旋轉(zhuǎn)軸與鋁熔體中部距離，0.17 m；g為常重力加速度，9.81 m/s2，當(dāng)N=0時(shí)，G=1。

圖1所示為溢流式超重力凈化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理示意圖，將超重力反應(yīng)器安裝于凈化裝置內(nèi)并由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，超重力反應(yīng)器上部對(duì)稱安裝有2個(gè)溢流管；鋁熔體由裝置頂部流入超重力反應(yīng)器中，反應(yīng)器的離心旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其中鋁熔體的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著重力系數(shù)的增加，鋁熔體液面會(huì)由水平方向變?yōu)樨Q直方向，形成一層緊貼反應(yīng)器內(nèi)壁的鋁熔體層；由于夾雜物密度大，在超重力的作用下遷移、聚集在鋁熔體層外側(cè)，并被阻擋在超重力反應(yīng)器腔體內(nèi)部；隨著鋁熔體的不斷流入，鋁熔體在反應(yīng)器內(nèi)逐漸累積，鋁熔體層的厚度不斷增加，當(dāng)鋁熔體層液面超過(guò)反應(yīng)器上部的溢流管出口時(shí)，凈化后的鋁熔體會(huì)在離心壓力的作用下從溢流管流出，進(jìn)入凈化裝置內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了鋁熔體與夾雜物的連續(xù)分離。

圖1 溢流式超重力凈化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理示意Fig.1 Schematic of the overflow supergravity purification reactor

1.2 假 設(shè)

1）夾雜物顆粒被認(rèn)為是球形的，不考慮鋁熔體內(nèi)部夾雜物顆粒之間的相互作用，比如聚合、碰撞及破碎等現(xiàn)象；

2）鋁熔體內(nèi)部的夾雜物顆粒數(shù)量少且尺寸微小，只考慮鋁熔體流動(dòng)影響夾雜物運(yùn)動(dòng)，忽略?shī)A雜物運(yùn)動(dòng)對(duì)熔體流場(chǎng)的影響，即鋁熔體與夾雜物間采用單項(xiàng)耦合；

3）鋁熔體為黏性不可壓縮Newton流體，恒溫條件下，鋁熔體黏度不變。

1.3 流體控制方程

在旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)控制鋁熔體流動(dòng)的基本方程包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒方程。本文研究的是恒溫條件下鋁熔體內(nèi)部的流場(chǎng)，因此僅介紹質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及SST k-ω湍流模型下的流動(dòng)方程。

1.3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)方程，其表述為單位時(shí)間內(nèi)從流場(chǎng)的控制面流進(jìn)與流出流體的凈質(zhì)量等于單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量增量，其表達(dá)式為：

式（2）中：ρ為密度；為速度矢量；t為時(shí)間。

1.3.2 動(dòng)量守恒方程

任何流動(dòng)體系都必須滿足動(dòng)量守恒方程，其含義為外界作用在微元體上各種力之和與任何控制微元體中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率相等，其表達(dá)式為：

1.3.3 剪應(yīng)力傳輸SST k-ω流動(dòng)方程

SST k-ω模型由M ENTERD等發(fā)展，其可以在多領(lǐng)域獨(dú)立于k-ε模型，使得在近壁自由流中k-ω模型有廣泛的應(yīng)用范圍和精度[17]。故采用SST k-ω湍流模型對(duì)鋁熔體內(nèi)部流體流場(chǎng)特征進(jìn)行模擬研究，其表達(dá)式為：

式（4）、式（5）中：Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gω為由ω方程產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Γk和Γω分別代表k與ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk和Yω分別代表k與ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω代表正交發(fā)散項(xiàng)；Sk，Sω為用戶自定義源相。

1.4 夾雜物運(yùn)動(dòng)模型

由于模擬的鋁熔體內(nèi)部夾雜物濃度很低，體積分?jǐn)?shù)小于10%～12%，為研究溢流式超重力凈化反應(yīng)器內(nèi)鋁熔體中夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，選用FLUENT中的DPM離散相模型對(duì)夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行數(shù)值模擬研究。DPM模型中采用拉格朗日法來(lái)追蹤夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，夾雜物顆粒的受力平衡方程表現(xiàn)形式為：

式（6）中：vp，i為顆粒的速度；t為時(shí)間；gi為重力加速度；FD為拖拽系數(shù)；vi為流體的速度；ρ為流體的密度；ρp為顆粒的密度；FD（vi-vp，i）為顆粒所受的拖拽力加速度；gi（ρp-ρ）/ρp為顆粒所受重力與浮力的合力加速度；Fy，i為顆粒受到其他作用力所產(chǎn)生加速度的和。

鋁熔體中的夾雜物顆粒在水平上受到3個(gè)力的作用[18]：離心力、浮力和粘滯阻力，因DPM離散相模型本身不包含離心力，因此需要通過(guò)UDF自定義離心力并施加給夾雜物顆粒。在水平方向建立運(yùn)動(dòng)方程，求解可得在超重力條件下水平方向上粒子運(yùn)動(dòng)的最終平衡速度為：

式（7）中：vr為夾雜物與鋁熔體之間的相對(duì)速度，m/s；d為夾雜物顆粒的直徑，m；ρp，ρL分別為夾雜物顆粒與鋁熔體的密度，kg/m3；η為鋁熔體的動(dòng)力學(xué)黏度，Pa·s；G為重力系數(shù)；g為常重力加速度，9.81 m/s2。

1.5 計(jì)算模型及邊界條件

利用ANSYS ICEM CFD根據(jù)現(xiàn)有水模型采用1∶1的模型尺寸建立三維模型，超重力凈化反應(yīng)器的主要參數(shù)為旋轉(zhuǎn)桶高175 mm，直徑380 mm，溢流管高度108 mm，直徑10 mm，伸入長(zhǎng)度為40 mm，反應(yīng)器以特定轉(zhuǎn)速繞y軸旋轉(zhuǎn)。

計(jì)算網(wǎng)格作為流動(dòng)控制方程數(shù)值離散的基礎(chǔ)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用ANSYSICEM CFD對(duì)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的劃分，計(jì)算域網(wǎng)格的總數(shù)約11萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.5。為更好地觀察與分析旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布，平行于XZ面創(chuàng)建Y=108 mm平面作為模擬結(jié)果觀察面，如圖2（a）所示。鋁熔體初始時(shí)已存在于反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器頂部連接有進(jìn)液管，兩側(cè)對(duì)稱有溢流管，其余為壁面，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)熔體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，用到了進(jìn)口、出口與壁面3類邊界條件。文中用到的夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)的邊界條件有逃逸與反彈2種，鋁熔體和夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)的邊界條件如表1所列，為了更好地表示邊界條件位置，圖2所示為其示意圖。設(shè)置空氣質(zhì)量流量0，鋁熔體質(zhì)量流量為0.5 kg/s。

圖2 計(jì)算域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及邊界條件位置示意Fig.2 Structured grid in computing domain and schematic diagram of boundary condition location

表1 初始邊界條件Table 1 Initial boundary conditions

首先在FLUENT中添加鋁熔體為主相，空氣為第二相，定義一個(gè)圓柱體為空氣區(qū)域，其半徑為134 mm，高為175 mm，再補(bǔ)充定義該區(qū)域內(nèi)空氣體積比為1，計(jì)算區(qū)域內(nèi)鋁熔體以及空氣的初始相分布如圖3所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域內(nèi)兩相的初始分布Fig.3 Initial distribution of the two phases in the calculation area

本文使用32核CPU（DELL EMC PowerEdge T640工作站）并行計(jì)算，采用ANSYSFLUENT 19.2軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解計(jì)算，利用VOF兩相流模型對(duì)氣液兩相的流場(chǎng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，選取多重參考坐標(biāo)系（MRF）模擬旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，利用DPM離散相模型模擬夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及位置分布。壓力和速度耦合采用Coupled算法，空間離散化和迎風(fēng)格式均選擇Third-Order MUSCL格式，各個(gè)變量的相對(duì)殘差設(shè)置為10-5。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模型的可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的合理性，將其與水模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。利用ANSYS ICEM CFD建立Φ380×175 mm無(wú)溢流管超重力凈化反應(yīng)器模型并劃分結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，利用ANSYSFLUENT軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算求解，計(jì)算時(shí)間均為30 s。以加入水高度為87.5 mm為例，如圖4所示，不同轉(zhuǎn)速即重力系數(shù)條件下，貼壁處液面的高度與數(shù)值模擬值吻合較好，表明所選擇的數(shù)值模型合理，可以很好地用于鋁熔體流場(chǎng)特性和夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及位置分布的模擬研究。

圖4 數(shù)值模型的可靠性驗(yàn)證Fig.4 Reliability verification of the numerical model

2.2 不同重力系數(shù)的影響

高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的外加壓力，利用FLUENT能夠計(jì)算超重力場(chǎng)下鋁熔體內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。可看出在不同重力場(chǎng)下，空氣柱的壓力分布在反應(yīng)器中心位置大致相同，壓力值約為1.013×106Pa。熔體內(nèi)部沿超重力方向存在一個(gè)遞增的壓力梯度。隨著重力系數(shù)的不斷增大，熔體內(nèi)部相同位置的壓力隨之增大，當(dāng)重力系數(shù)G=500時(shí)，反應(yīng)器貼壁處鋁熔體的壓力值為5.75×105Pa。

圖5 不同重力場(chǎng)下鋁熔體內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布Fig.5 Pressure field distribution inside aluminum melt under different gravity fields

以鋁熔體-Al2O3夾雜體系為例，表2所列為該體系部分物性參數(shù)，鋁熔體中大部分夾雜粒徑在5～100μm之間，本節(jié)中選取平均粒徑為18μm的夾雜物顆粒，更大粒徑的夾雜物顆粒靜置處理可去除部分，更小粒徑的夾雜物顆粒會(huì)由于與熔體之間的作用造成較大的誤差，平均粒徑為18μm的夾雜物顆粒更具有代表性。從質(zhì)量流量入口處通過(guò)面注射添加夾雜物顆粒，以每秒加入數(shù)量1 000個(gè)為例。

表2 1 023 K下鋁熔體-Al2O3夾雜體系部分物性參數(shù)Table 2 Some physical parameters of aluminum melt-Al2O3 inclusion system at 1 023 K

根據(jù)以上條件研究不同重力場(chǎng)對(duì)夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及位置分布，由式（7）可知，重力系數(shù)對(duì)夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響顯著，速度大小與重力系數(shù)成正比，即隨著重力系數(shù)的增大，夾雜物的運(yùn)動(dòng)速度迅速增加。從圖6（a）—圖6（e）中粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡疏密程度可以看出，在超重力條件下鋁熔體中的Al2O3夾雜物顆粒向壁面運(yùn)動(dòng)并迅速貼壁，不同的重力場(chǎng)對(duì)夾雜物的分離效果有著顯著的影響。隨著重力系數(shù)的增大，相同條件下壁面處夾雜物顆粒富集逐漸增多，說(shuō)明超重力場(chǎng)可以強(qiáng)化鋁熔體中Al2O3夾雜物顆粒的分離過(guò)程，重力系數(shù)越大，強(qiáng)化效果越明顯即鋁熔體內(nèi)Al2O3夾雜物分離效果越好。

圖6 不同重力場(chǎng)下Al2O3夾雜顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況Fig.6 Movement trajectory and distribution of Al2O3 inclusion particles under different gravity fields

為了研究不同重力系數(shù)對(duì)Al2O3夾雜物分離效果的影響，當(dāng)夾雜物未隨鋁熔體從溢流管逃逸，則認(rèn)為夾雜物顆粒被分離，統(tǒng)計(jì)夾雜物未逃逸數(shù)量，并定義夾雜分離效率為未逃逸數(shù)量占夾雜物總數(shù)的百分比，其表達(dá)式如下：

式（8）中：ηt為夾雜物的分離效率；Nt為未逃逸夾雜物數(shù)；N0為模型中夾雜物總數(shù)。

圖7所示為不同重力系數(shù)下鋁熔體中Al2O3夾雜物顆粒的分離效率，當(dāng)重力系數(shù)G=48時(shí)，夾雜物顆粒的分離效率為97.73%。重力系數(shù)越大，夾雜物的分離效率越高，當(dāng)重力系數(shù)G=500時(shí)，夾雜物的分離效率可以達(dá)100%。

圖7 不同重力場(chǎng)下夾雜物顆粒的分離效率Fig.7 The separation efficiency of inclusion particles under different gravity fields

2.3 不同熔煉溫度的影響

鋁熔體的熔煉溫度將會(huì)影響熔體本身的密度、黏度以及表面張力，從而對(duì)鋁熔體中夾雜物的位置和分布造成一定的影響。對(duì)于鋁熔體，其密度隨著溫度的升高而減小，且當(dāng)溫度在933～1 190 K之間時(shí)，通常遵循線性關(guān)系。MARC J.ASSAELA等獲得了以下密度與溫度的ρ-T的函數(shù)方程[19]：

其 中，c1=2 377.23 kg/m3；c2=0.311 kg/（m3·K）；Tref=933 K是純鋁的熔點(diǎn)。

對(duì)于大多數(shù)熔體而言，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致黏度的降低，其黏度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。MARC J.ASSAELA等獲得了鋁熔體黏度與溫度的η-T的函數(shù)方程：

其中，η0=1 mPa·s；a1=0.732 4；a2=803.49 K。

鋁熔體的溫度同樣對(duì)其表面張力有著較大的影響，溫度升高，表面張力下降。袁章福等得出表面張力與溫度σ-T的函數(shù)方程[20]：

其中，σ=0.871 N/m，是鋁熔體在熔點(diǎn)933 K時(shí)已有的表面張力數(shù)據(jù)的平均值；dσ/dT=1.55×10-4N/（m·K），Tref=933 K是純鋁的熔點(diǎn)。

首先計(jì)算了在超重力場(chǎng)G=48中不同熔煉溫度下鋁熔體內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布，計(jì)算可知熔煉溫度對(duì)鋁熔體內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布幾乎無(wú)影響，壓力場(chǎng)分布如圖5（a）所示。

當(dāng)夾雜物含量很少時(shí)，不考慮夾雜物的體積分?jǐn)?shù)對(duì)熔體黏度的影響，僅考慮熔體溫度對(duì)鋁熔體密度、黏度以及表面張力的影響。如表3所列，整理了不同溫度下的鋁熔體密度、黏度與表面張力，鋁熔體溫度越高，其密度、黏度及表面張力越小。

表3 不同溫度下鋁熔體的密度、黏度與表面張力Table 3 Density,viscosity and surface tension of aluminum melt at different temperatures

以超重力場(chǎng)G=48，Al2O3夾雜物的直徑為d=18μm為例，根據(jù)以上條件研究不同鋁熔體溫度對(duì)夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及位置分布的影響。由式（7）可知，鋁熔體密度和黏度影響著夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)速度，速度大小與鋁熔體黏度成反比，即鋁熔體黏度的減小，夾雜物的運(yùn)動(dòng)速度增加，凈化效果越明顯。圖8（a）—圖8（e）反應(yīng)了在超重力場(chǎng)下鋁熔體溫度對(duì)夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡和位置分布的影響，由粒子的分布情況可以看出，Al2O3夾雜物顆粒的凈化效果隨溫度的升高略微提高，如表4所列，鋁熔體溫度T=1 073 K較T=933 K時(shí)的夾雜物顆粒的分離效率僅提高了2.84%。但是在實(shí)際生產(chǎn)中若鋁熔體溫度過(guò)高，會(huì)加劇鋁合金的氧化程度，若鋁熔體溫度過(guò)低，黏度則會(huì)變大，不利于夾雜物的有效分離，在模擬過(guò)程中忽略了這兩點(diǎn)帶來(lái)的影響，但在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)生產(chǎn)情況決定熔體溫度。

表4 不同溫度下夾雜物的分離效率Table 4 Separation efficiency of inclusions at different temperatures

圖8 不同鋁熔體溫度下Al2O3夾雜顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況Fig.8 Movement trajectory and distribution of Al2O3 inclusion particles under different aluminum melt temperatures

如圖9所示為鋁熔體溫度不同時(shí)Al2O3（18μm）夾雜物顆粒的分離效率，當(dāng)鋁熔體溫度T=933 K時(shí)，夾雜物顆粒的分離效率為96.21%。鋁熔體內(nèi)夾雜物的分離效率隨溫度升高而增大，當(dāng)T=1 173時(shí)，夾雜物的分離效率可以達(dá)99.05%。

圖9 不同鋁熔體溫度下夾雜物顆粒的分離效率Fig.9 The separation efficiency of inclusion particles at different aluminum melt temperatures

2.4 不同種類夾雜物的影響

鋁熔體中的固體夾雜物主要包括富鐵相、非金屬夾雜物、碳化物等，如表5所列。不同種類的夾雜物密度不同，則夾雜物與鋁熔體之間的Δρ存在差異。本文所研究的鋁熔體體系的部分物性參數(shù)如表6所列，由式（7）可知，密度差同樣影響著夾雜物的運(yùn)動(dòng)速度，速度的大小與夾密度差成正比，即隨著密度差的增大，夾雜物的運(yùn)動(dòng)速度顯著增加，夾雜物顆粒向壁面遷移得更快，相同條件下密度差大的夾雜物顆粒的凈化效果越顯著[21]。圖10（a）—圖10（e）反應(yīng)了在超重力場(chǎng)G=48中不同類型夾雜物對(duì)夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡和位置分布的影響，由粒子的分布情況可以看出，夾雜物與鋁熔體之間的密度差越大，夾雜物顆粒在壁面富集的現(xiàn)象越明顯，凈化效果也越好。

圖10 不同種類夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況Fig.10 Movement trajectory and distribution of different types of inclusions

表5 鋁熔體中部分夾雜物的物性參數(shù)Table 5 Physical property parameters of some inclusions in aluminum melt

表6 1 023 K下鋁熔體—夾雜物體系部分物性參數(shù)Table 6 Some physical parameters of aluminum melt-inclusion system at 1 023 K

圖11所示為不同類型夾雜物顆粒的分離效率，當(dāng)夾雜物（SiO2）密度為2 660 kg/m3時(shí)，夾雜物顆粒的分離效率為93.18%。夾雜物的密度越大，則夾雜物與鋁熔體之間的Δρ越大，夾雜物的分離效率越高，夾雜物（Al2O3）密度為3 970 kg/m3時(shí)，夾雜物的分離效率可以達(dá)97.73%。

圖11 不同類型夾雜物顆粒的分離效率Fig.11 The separation efficiency of different types of inclusion particles

2.5 不同尺寸夾雜物的影響

鋁熔體內(nèi)夾雜物尺寸直接影響著夾雜物的有效去除，傳統(tǒng)凈化方法能夠去除大尺寸的夾雜物，然而在微小尺寸夾雜物的去除方面效果不佳。例如自然沉淀法只對(duì)粒徑大于100μm的夾雜物能夠有效去除[22]，故有必要對(duì)超重力場(chǎng)中不同粒子尺寸對(duì)夾雜物運(yùn)動(dòng)行為的影響進(jìn)行研究。以鋁熔體—Al2O3夾雜物體系為例，表7所列為該體系的部分物性參數(shù)，從質(zhì)量流量入口處通過(guò)面注射添加夾雜物顆粒，以每秒加入數(shù)量1 000個(gè)為例。

表7 1 023 K下鋁熔體-Al2O3夾雜體系部分物性參數(shù)Table 7 Some physical parameters of aluminum melt-Al2O3 inclusion system at 1 023 K

由式（7）可知，鋁熔體中的夾雜物運(yùn)動(dòng)速度受其尺寸的影響較大，粒子運(yùn)動(dòng)速度大小與尺寸的平方成正比，相同條件下，粒子尺寸越大，其速度越大，即在超重力條件下尺寸越大的夾雜物也越容易向旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器壁面處遷移并富集，熔體的凈化越高效。如圖12（a）—圖12（f）為不同尺寸Al2O3夾雜物在超重力場(chǎng)G=48中夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡和位置分布情況，由粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的疏密程度和分布情況可以看出，夾雜物的尺寸越大，夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡越稀疏，說(shuō)明大尺寸的夾雜物顆粒在重力場(chǎng)下迅速貼壁并在壁面處富集，當(dāng)夾雜物尺寸≥50μm時(shí)，鋁熔體中的Al2O3夾雜物幾乎全部貼壁，去除效果十分顯著。

圖12 不同尺寸Al2O3夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況Fig.12 Movement trajectory and distribution of Al2O3 inclusions with different sizes

如圖13所示為不同尺寸Al2O3夾雜物顆粒的分離效率，可以看出當(dāng)夾雜物尺寸＜25μm時(shí)，夾雜物分離效率隨尺寸增大急劇增加，當(dāng)夾雜物尺寸＞25μm時(shí)，分離效率隨夾雜物尺寸的增大變化不大，說(shuō)明超重力場(chǎng)可以有效地去除小尺寸夾雜物，且效果非常顯著。當(dāng)夾雜物的尺寸≥50μm時(shí)，夾雜物的分離效率為100%。

圖13 不同尺寸Al2O3夾雜物顆粒的分離效率Fig.13 The separation efficiency of Al2O3 inclusion particles with different sizes

3 結(jié) 論

以溢流式超重力凈化反應(yīng)器為原型，利用ANSYA ICEM CFD軟件建立幾何模型并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，然后利用FLUENT中SSTk-ω湍流模型與DPM離散相模型相結(jié)合建立了鋁熔體—夾雜物體系，模擬分析了不同條件下鋁熔體內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布和夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)行為。通過(guò)分析壓力場(chǎng)分布和夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及位置分布，得出以下結(jié)論：

1）在超重力場(chǎng)中鋁熔體內(nèi)部沿超重力方向存在一個(gè)遞增的壓力梯度；隨著重力系數(shù)的增加，鋁熔體內(nèi)部相同位置的壓力值增大，當(dāng)重力系數(shù)G=500時(shí)，貼壁處鋁熔體的壓力值達(dá)到了5個(gè)大氣壓。

2）超重力可以強(qiáng)化鋁熔體中夾雜物的分離過(guò)程，粒子的運(yùn)動(dòng)速度與重力系數(shù)大小成正比，隨重力系數(shù)越大，粒子向壁面遷移地越快，鋁熔體的凈化效果越顯著，當(dāng)重力系數(shù)G=500時(shí)，鋁熔體中Al2O3夾雜（18μm）的分離效率為100%。

3）在超重力場(chǎng)中，決定夾雜物顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和位置分布的主要因素包括鋁熔體性質(zhì)、粒子本身物性參數(shù)等方面。在重力系數(shù)G=48的重力場(chǎng)中，鋁熔體溫度升高至1 173 K時(shí)，夾雜物的分離效率達(dá)99.05%；當(dāng)夾雜物密度(18μm）為3 970 kg/m3時(shí)，夾雜物的分離效率達(dá)97.73%；當(dāng)Al2O3夾雜物顆粒尺寸≥50μm時(shí)，夾雜物的分離效率達(dá)到100%。

4）較大的重力系數(shù)、較高的熔體溫度、較大的密度差和夾雜物尺寸可以促進(jìn)夾雜物的有效分離，其中重力系數(shù)、夾雜物種類和夾雜尺寸這3個(gè)因素影響較大。