鎂合金熔煉水模擬試驗(yàn)研究

李孫博，趙忠興，張顯飛，馮志軍，李宇飛

（1.沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110159；2.沈陽鑄造研究所有限公司，遼寧沈陽 110022）

0 引言

鎂及其合金是目前可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性好、加工性能優(yōu)良、易回收等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、民用建筑等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1，2]。隨著鎂合金在實(shí)際應(yīng)用中的迅速增長(zhǎng)，對(duì)其生產(chǎn)要求也有所提高，因此提高合金質(zhì)量越來越重要。

由于鎂的密度低，在熔煉過程中，合金元素會(huì)產(chǎn)生沉降，造成熔體內(nèi)的合金元素分布不均勻，產(chǎn)生偏析，從而造成鑄件或鑄錠組織和性能的不均勻。人工攪拌受操作者水平及經(jīng)驗(yàn)的限制，不能有效保證熔液均勻性，造成鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。可見為保證輕合金熔體成分均勻性，穩(wěn)定輕合金鑄件質(zhì)量，用機(jī)械攪拌代替人工攪拌。電磁攪拌通常應(yīng)用于鑄件凝固過程中，但不能處理熔煉過程中坩堝內(nèi)的鎂合金熔體。由于合金熔液的不透明性，很難對(duì)坩堝內(nèi)部的雜質(zhì)狀態(tài)和熔液運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行觀察，不能了解各工藝參數(shù)之間的相互影響。因此，為了直觀的觀察合金熔液的流動(dòng)狀態(tài)和攪拌情況，采用水模擬技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬[3]。在攪拌過程中，轉(zhuǎn)速、葉片形狀、桿距容器底部等影響因素對(duì)合金元素均勻程度的影響較大，選擇這3 種因素進(jìn)行研究。以此來尋找各影響因素之間合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得良好的工藝參數(shù)，使合金元素成分均勻分布，以此達(dá)到所需求的效果。

1 水模擬技術(shù)原理

水模擬技術(shù)是用來模擬觀測(cè)液體流動(dòng)過程的可視化手段，它以流體力學(xué)中的相似理論為依據(jù)，滿足模型的幾何相似和流體的力學(xué)相似[4]，即在幾何相似的流場(chǎng)中使無量綱參數(shù)St（strouhalnumber）、Eu (Euler-number）、Re（Reynoldsnumber）、Fr（Frouds-number）相等[5]。對(duì)于Re 數(shù)，由公式（1）可推導(dǎo)出保證Re 相等的條件是調(diào)整ρ/μ 的比值，以此來保證水模擬過程和合金熔液流動(dòng)狀態(tài)的相似。

在水模擬試驗(yàn)中，人們只能憑借人眼、攝像等直觀的手段去研究流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而定性地分析液態(tài)金屬的流動(dòng)規(guī)律[6，7]。

2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1 所示。此試驗(yàn)裝置是采用所研發(fā)的鎂合金熔體成分均勻化調(diào)控設(shè)備、鐵架臺(tái)、轉(zhuǎn)子、水模擬容器等主要裝置。轉(zhuǎn)子的葉片半徑為120mm,水模擬容器高度為600mm，與實(shí)際坩堝尺寸為1:1，滿足坩堝與模型的幾何相似。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)條件

鎂液與水的粘度對(duì)比見表1[8]，由表1 可看出，常溫下的水粘度與700℃的鎂液的粘度相差較小，保證常溫的水與其流動(dòng)趨勢(shì)較為接近。在水中所添加的示蹤粒子，包括鐵屑、鋁屑及塑料小球。其中，鐵屑、鋁屑用來模擬合金熔液中的雜質(zhì)，塑料小球模擬除雜劑。與合金熔液中的雜質(zhì)和除雜劑的密度差類似，因此在水中的流動(dòng)狀態(tài)與合金熔液中的流動(dòng)狀態(tài)具有一定的相似性。

表1 鎂液與水粘度值對(duì)比

2.3 試驗(yàn)方法

向水中加入示蹤粒子，對(duì)攪拌過程進(jìn)行觀測(cè)，考察工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過改變?nèi)~片形狀、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)桿距水模擬容器底部的高度等參數(shù)，來分析不同參數(shù)對(duì)熔體成分均勻性的影響。試驗(yàn)過程中由攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤拍攝，再將拍攝下來的影像進(jìn)行處理，選擇影像中大量關(guān)鍵性的靜態(tài)圖片。

（1）轉(zhuǎn)速

本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)了3 種不同的轉(zhuǎn)速，分別為200r/min、250r/min、300r/min。

（2）葉片形狀

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種不同的葉片形狀，一種設(shè)計(jì)為只有螺旋式葉片，另一種在螺旋式葉片的基礎(chǔ)上在旋轉(zhuǎn)桿底部加一個(gè)扇形葉片。

（3）桿距模型底部距離

本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)了3 種不同的高度分別為90mm、120mm 和150mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 轉(zhuǎn)速影響分析

在控制其他條件一定時(shí)，只改變轉(zhuǎn)速，不同轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2a、b 為200r/min、250r/min 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，下部金屬雜質(zhì)能夠很快的向上卷起，大部分能夠均勻分布在水中，大部分的塑料小球也能夠均勻分布在水中，所取得的效果會(huì)比較好。但二者相比，在200r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)速下，金屬雜質(zhì)在容器底部的含量相對(duì)于250r/min 時(shí)要多一些。

圖2c 為300r/min 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由于轉(zhuǎn)速過高，產(chǎn)生的離心力過大，造成容器內(nèi)水波動(dòng)過大，容器中會(huì)造成水珠迸濺的現(xiàn)象，向容器外濺出的水珠較多，所模擬的現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)中并不可取，取得的效果差。

圖2 轉(zhuǎn)速比較

在3 種轉(zhuǎn)速的對(duì)比分析之下，250r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)速參數(shù)好于其他轉(zhuǎn)速，所取得的效果較為明顯，金屬雜質(zhì)和塑料小球都能夠大致在水中均勻分布，且均勻的時(shí)間較快，為較優(yōu)的轉(zhuǎn)速工藝參數(shù)。

3.2 葉片形狀影響分析

控制其他變量一定，只改變?nèi)~片形狀。不同葉片形狀下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3a 為旋轉(zhuǎn)桿下部加葉片的試驗(yàn)結(jié)果。在圖中可明顯觀察出塑料小球在水中分布較為均勻，而金屬雜質(zhì)主要集中于下半部分，只有少量的金屬雜質(zhì)會(huì)漂浮在上半部分。

圖3b 為只有旋轉(zhuǎn)葉片的試驗(yàn)結(jié)果。只有旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，塑料小球和金屬雜質(zhì)能夠被葉片較為均勻地打散在水中，并順著葉片方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 葉片比較

塑料小球在水中的流動(dòng)狀態(tài)，在二者中表現(xiàn)的十分類似，但金屬雜質(zhì)所呈現(xiàn)的效果并不相同，在旋轉(zhuǎn)桿下部加葉片的情況下在桿下聚集的更多一些。因此，只有旋轉(zhuǎn)葉片的情況所取得的效果要好。

3.3 桿距模型底部距離的影響分析

在控制其他變量一定，在不同桿距下試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。如圖4a、b 所示，分別為桿距為90mm、120mm 的試驗(yàn)結(jié)果。在這兩種桿距的試驗(yàn)下，塑料小球和金屬雜質(zhì)在水中分布較均勻。而桿距90mm 時(shí)能夠更快的均勻分布在水中，且均勻效果要好于桿距120mm 的情況。

如圖4c 為桿距150mm 的試驗(yàn)結(jié)果。由于旋轉(zhuǎn)桿底部離模型底部距離較長(zhǎng)，金屬雜質(zhì)會(huì)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能夠向上卷起，大部分金屬雜質(zhì)會(huì)在旋轉(zhuǎn)桿底部聚集，同時(shí)，只有少量塑料小球能夠達(dá)到模型底部，所得的效果很差。

圖4 桿距比較

因此，在距離90mm 時(shí)，塑料小球和金屬雜質(zhì)能夠大致均勻分布在水中，能夠取得良好的效果。

4 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)速對(duì)成分均勻性具有一定影響，250r/min左右時(shí)，效果較好。

（2）葉片形狀對(duì)成分均勻性具有一定影響，當(dāng)只有螺旋葉片時(shí)效果較好。

（3）桿距對(duì)成分均勻性具有一定影響，桿距為90mm 左右時(shí)效果較好。