新型顆粒增強鎂合金攪拌反應釜的模擬優化設計

李 楠

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000）

鎂合金作為一種新型的合金材料，因其密度小質量輕，且具有優良的導電導熱性能在航空航天、軍工及化工制造業都受到廣泛的應用[1-5]，在金屬合金領域受到廣泛關注。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已經較為成熟，在合金攪拌冶煉中加入碳化硅顆粒已經形成商品產業化，現階段的研究主要集中于對于制備工藝及設備的優化。如圖1 所示為傳統攪拌裝置的示意圖，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，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。控制攪拌速度，經過一定攪拌時間速可獲得成品。

1 新型攪拌釜設計

傳統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致鎂合金內部的氧化。本文根據長期實驗對攪拌釜進行優化設計，創新采用全真空的攪拌反應釜壁面空氣對于合金液的氧化，同時經增強顆粒通過底部設置的氣孔，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釜。

2 新型攪拌釜模擬驗證分析

圖1 傳統攪拌釜結構示意圖

圖2 新型攪拌釜結構示意圖

在ANSYS中建立攪拌反應釜的三維幾何模型，采用混合網格對模型進行劃分。在攪拌槳周圍建立攪拌區域與靜止區域以交界面將兩個區域進行連接。設置不同攪拌速100、200、300 r/min，設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定狀態，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 攪拌釜內壓力場分析

如圖4所示為不同轉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，整個反應釜熔化液內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升高，攪拌釜內壓力梯度又開始上升，因此確定合適的攪拌速度為200 r/min。而以往同類反應攪拌釜的攪拌轉速基本在300 r/min 以上[10]，才能滿足攪拌的需要。

2.2 攪拌釜內速度場分析

圖4 不同轉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沖擊，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量鎂合金的制備條件。

圖5 不同進口速度下攪拌釜內速度場分布圖

3 結 論

根據以往顆粒增強半固態鎂合金攪拌釜存在的問題，設計出新型半固態鎂合金攪拌反應釜，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。