鋁熔體凈化過程流場特性的傾斜式水模擬實驗裝置及其實驗方法

闕燚彬，李宏軍

柳州職業技術學院，廣西柳州，545006

0 引言

目前，國內外普遍采用水模擬實驗技術研究金屬精煉凈化過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結構特點等性能指標。為了體現出金屬精煉凈化過程流動（原型）的主要現象，并做出準確預測，水模擬實驗在幾何尺寸、運動狀態和軌跡、動力特性等方面對實驗裝置（模型）有很高的要求：模型和原型必須保持嚴格的流動力學相似關系。然而，國內對傾斜式水模擬實驗裝置的研發重視不夠，現有的一些傾斜式水模擬實驗裝置達不到完全相似的程度，導致試驗結果與實際數據之間存在較大誤差，具體來說，國內傾斜式水模擬實驗裝置存在以下不足。

（1）不具備調整轉軸在容器中傾斜角度的功能。

（2）不能實現氣體經由葉輪噴嘴徑向射入水中形成氣泡的物理場景。

（3）氣體流量及葉輪與方桶底部之間距離不能精準調節。

（4）不具備編程控制轉子的轉速、轉向、運行時間的功能。

上述不足，直接影響了氣—液兩相流測試結果的可靠性，進而制約了金屬精煉凈化工藝的改進。因此，有必要開發出一種儀器級的傾斜式水模擬實驗裝置，通過對可視化流場的定性定量的描述，掌握各影響因素對氣泡的大小、分散程度及運動狀的作用機理與規律。

1 裝置設計及原理

本文設計的傾斜式水模擬實驗裝置目的在于克服現有水模擬實驗技術存在的不足，提供一種適合模擬觀測傾斜式旋轉噴吹法精煉凈化鋁合金熔體過程的水模擬實驗裝置及其測試方法，通過直接測試傾斜式水模擬實驗裝置中流場速度分布、氣泡分布及大小，最終實現對不透明鋁合金熔體在特定工藝條件下（例如，轉軸傾斜）氣-液兩相流場的準確預測[1]。

1.1 裝置設計

本裝置結構如圖1所示，由氣源裝置1、氣管2、機架3、傾斜臺4、導線5、滑臺組件6、電動機傳動機構7、電動機支架8、控制柜9、方桶組件10組成，各零件之間結構關系如下。

（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連接玻璃轉子流量計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，并通過三對圓螺母18與動板17構成穩固的機架3，墊板20通過螺釘19固定在動板上。傾斜臺4通過螺釘固定在機架3上。

（3）傾斜臺4的轉臺與傾斜臺座為弧面接觸，并通過壓板、鎖緊螺母鎖緊，轉臺上安裝有蝸桿軸承座及蝸桿，蝸桿與傾斜臺座的蝸輪面嚙合，角度標尺安裝在傾斜臺座上，滑臺組件6通過螺釘固定在傾斜臺4上。

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

（5）電動機支架8由蓋板、支架底板、卡板組成，通過螺釘固定連接。電動機支架8分別與電動機傳動機構7的電動機、三個軸承固定連接。

（6）電動機傳動機構7主要由電動機、主動帶輪、傳動帶、從動帶輪和轉軸組成，電動機的轉軸與主動帶輪為固定連接關系。

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

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

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

1.2 工作原理

（1）為了增加機構運行的整體穩定性，減小因彈性變形引起的振動。在設計方面具體采用了如下措施：①采用三根支柱16與底板15、動板17連接成穩固的機架。將電動機傳動機構7安裝在電動機支架8上，電動機支架8通過滑臺組件6與傾斜臺4連接。其中，滑臺組件6的導軌為燕尾槽和平面導軌型結構，剛性強可以減小傳動機構7因懸臂而引起的彈性變形，從而達到降低傳動機構7運行時的振動。②利用對稱平衡布局設計，進一步增加了整體機構的剛度，規避了機構固有共振頻率，以減小空心轉軸運行時的擺動，具體措施有：a）傳動電動機的軸心線與機架的幾何中心對齊；b）空心轉軸外圓同軸度精度為±0.5mm；c）安裝在電動機支架8的轉軸的軸心線與機架的幾何中心對齊；d）安裝在空心轉軸上的從動帶輪置于軸承之間，并盡量靠近軸承；e）主動帶輪與從動帶輪平齊；f）采用三組軸承支撐空心轉軸。

（2）在多孔葉輪定位方面，通過調整滑臺組件6中燕尾滑塊的位置、機架3的動板17的高低以及傾斜臺4的轉臺的角度，實現對葉輪角度的調整及定位。

（3）在氣路方面，空心轉軸的一端與旋轉接頭通過緊定螺釘連為一體，另一端也通過緊定螺釘與多孔葉輪連為一體。由于空心轉軸與多孔葉輪之間、空心轉軸與旋轉接頭之間，均安裝O形密封圈45形成過盈配合，確保了氣體不會發生泄漏。旋松高壓氣瓶手輪11，氣體即由高壓氣瓶14流出，經流量閥13、玻璃轉子流量計12、氣管2、旋轉接頭、空心轉軸后，流至多孔葉輪，并經其小孔噴嘴射出。玻璃轉子流量計12的最小刻度為1L/min，故通過調節流量閥13，即可對通氣流量實現1L/min的精確控制。

（4）考慮到當“氣-液”兩相流達到穩定時，水流對氣泡的剪切作用下降，導致氣泡分散、破碎效果變差。為了提高氣泡分散、破碎效果，探索出新工藝，本機構中，空心轉軸與旋轉接頭及空心轉軸與多孔葉輪均以緊定螺釘緊固連接，為正反轉運行提供了條件，因而，本機構可以利用反轉功能破壞流場的穩定，使得水流對氣泡的剪切作用增強。其具體實現方式，如下：采用PLC單片機經由RS485選件板、導線，與變頻器、觸摸屏連接成控制回路，從而對傳動電動機轉動的方向、轉速和運行時間進行精準調節控制[2]。

（5）在水模擬觀測方面，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，高速相機可以清晰地捕獲毫米級精度大小的氣泡及其運行軌跡。

2 水模擬測試方法

本文設計金屬熔體旋轉噴吹凈化過程流場特性的水模擬測試方法，采用室溫的澄清水為介質模擬金屬溶液，選用透明方筒作為盛裝水介質的容器以實現模擬金屬精煉過程可視化的目的。具體步驟如下：①多孔葉輪制備及安裝：根據金屬精煉工藝實際尺寸，按照固定的比例，采用高精度塑料絲熔融沉積3D打印機成型多孔葉輪，并將多孔葉輪安裝至轉軸上。②制備透明方桶并找正：按照實驗比例，選用高透明度的亞克力材料制備方筒，安裝時使方桶的中心軸線與轉軸的中心線重合。③校正多孔葉輪位置：旋轉傾斜臺的蝸桿，使轉臺轉動并帶動轉軸傾斜，當轉軸達到需要的傾斜角度時，用扳手旋緊鎖緊螺母固定轉臺，傾斜角度由角度標尺測定；旋轉滑臺手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向下移動，并帶動與之聯結的旋轉噴吹裝置下移，直至最低點；調節機架上的三對圓螺母的下面的螺母使動板垂直向下移動，當多孔葉輪接觸方桶的底部時，旋緊上面的圓螺母鎖定動板。④調整多孔葉輪位置：再次旋轉滑臺手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向上滑動，并帶動多孔葉輪上移，以調整多孔葉輪與方桶底部之間的距離。當燕尾滑塊到達滑臺標尺的所需刻度位置時，用內六角扳手上緊鎖緊螺釘[3]。移動調整方桶組件，使多孔葉輪底部中心到方桶的側壁在長度方向保持需要的距離。⑤按比例注水：按照實驗指定比例往圓筒中注入水至需水位。⑥調定通氣流量：開高壓氣瓶，使氣體（N2或Ar）從旋轉接頭流入轉軸的中心通孔，抵達多孔葉輪，經其噴嘴射入水中，形成氣泡。調節玻璃轉子流量計的流量閥，直至氣體流量穩定在所需設定值。⑦編程并運行：操作面板的觸摸屏，按實驗設定分別輸入轉軸的轉速、轉向、運行時間等工藝參數，并運行程序。⑧調試相機及成像拍攝：用相機記錄氣泡分散、大小及運行軌跡變化的圖像，并根據觀察的幅面尺度的需要，調整相機的位置、鏡頭高度及焦距。程序運行時，啟動高清單反數碼相機的高速連拍功能，捕獲“氣-液”流場瞬間變化的信息。

3 實施

通過如下實施實例對本文所設計裝置及其測試方法做進一步的實踐描述。

步驟一：制備多孔葉輪。

傳統的旋轉噴吹法除氣凈化技術，如單孔吹氣法和多孔噴吹法難以滿足凈化的各項綜合要求。多孔噴吹法雖比單孔法產生的氣泡更小些，但改善作用不大。單孔吹氣是較早的噴氣精煉方法，就是通過一根管子直接將精煉氣體吹入熔體。由于管內徑大，在液體中產生的氣泡也大，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間，效果較差。目前采用這種精煉方法應用較少。為了進一步提高精煉效果，在單孔吹氣和多孔噴吹法的基礎上發展起來的微孔吹頭精煉工藝得到了較快的發展[4]。通過3D打印增材制造技術，在葉輪上打印出規則布置的多個細微孔。由于精煉氣體通道的微細化，在液體中產生氣泡直徑在0.5~2mm，上浮速度慢，有效地增加了氣體與液體的作用時間和作用面積。

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

步驟二：制備透明方桶。

為便于觀察，并考慮在運行中保持平穩，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驗裝置下方，并使方桶的中心軸線與轉軸的中心軸線對正。

步驟三：校正多孔葉輪零位。

（1）旋轉傾斜臺的蝸桿，使轉臺轉動并帶動轉軸傾斜，當轉軸與水平夾角達到50°（實際工藝參數為50°~70°）時，用扳手旋緊鎖緊螺母固定轉臺，傾斜角度由角度標尺測定。

（2）旋轉滑臺手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向下移動，并帶動與之聯結的旋轉噴吹裝置（電動機、轉軸、多孔葉輪及氣管等）下移，直至最低點。

調節機架上的三對圓螺母的下面的螺母使動板垂直向下移動，當多孔葉輪接觸方桶的底部時，旋緊上面的圓螺母鎖定動板。調整時三對圓螺母應平衡進行并以水平儀校驗動板的水平度。

步驟四：調整多孔葉輪位置40mm。

（1）旋轉滑臺手輪，使燕尾滑塊沿著絲桿向上滑動，并帶動多孔葉輪上移，當燕尾滑塊相對滑臺標尺移動了52mm則垂直方向上升40mm（通過傾斜角度換算）時，用內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）移動調整方桶組件在長度方向的位置，使多孔葉輪底部中心到方桶側壁在長度方向的距離達到150mm（熔煉爐內壁側面距離葉輪底部中心距離600mm）。

步驟五：注入水介質。

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

步驟六：調定通氣流量5L/min。

旋松高壓氣瓶手輪，使氣體（N2或Ar）從高壓氣瓶經氣管流出，再從旋轉接頭流入轉軸的中心通孔，抵達多孔葉輪，經其噴嘴射入水中，形成氣泡。然后，調節玻璃轉子流量計的流量閥，直至氣體流量穩定在5L/min。

步驟七：編程運行。

操作面板的觸摸屏，按表1所列的轉速、轉向、運行時間等工藝參數，建立相應運行程序，按下觸摸屏的啟動按鍵，使轉軸按照設定程序運行。

表1 程序工藝參數表

步驟八：調試相機及成像拍攝。

選用尼康Z5單反數碼相機記錄氣泡分散、大小及運行軌跡變化的圖像，并根據觀察的幅面尺度的需要，調整尼康Z5單反數碼相機的位置、鏡頭高度及焦距。在程序運行時，啟動尼康Z5單反數碼相機的高速連拍功能，捕獲“氣-液”流場瞬間變化的信息。

通過實踐驗證，該裝置通過對可視化流場的定性定量描述，通過直接測試該水模擬實驗裝置中流場速度分布、氣泡分布及大小，可實現對不透明金屬熔體氣—液兩相流流場的準確預測，實驗方法可靠性高[5]。

4 結語

本文設計的制備方法簡單、便捷，裝置結構合理，易于操作，使用可靠。可以方便地控制轉軸正反轉，并可無級調節轉軸的轉速，滿足研究不同轉向、不同轉速、運行時間對氣泡生成及運動的影響。與現有技術相比，在以下方面得到了提升：借助高速攝影技術，可直觀可視地觀察研究微小氣泡生成及運動軌跡；可以精確調節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氣泡生成及運動的影響，以便優化工藝；多孔葉輪有利于氣泡均勻懸浮，側面開有大量的氣孔作為噴嘴，可生成大量小氣泡，并可測量其大小。