凈鋁器石墨攪拌機(jī)構(gòu)高溫失效分析及數(shù)值模擬

馮藝,樓華山,李宏軍,闕燚彬,莫文峰

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,廣西 柳州 545006)

0 引言

利用鋁合金材料代替鋼鐵金屬材料是汽車輕量化設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的舉措,也是國(guó)家推行節(jié)能減排的有效措施之一[1-2]。對(duì)于所替代的鋁合金材料應(yīng)當(dāng)保障其強(qiáng)度、硬度等使用性能不變。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在對(duì)鋁合金材料的脫硫、脫氫工藝的研究,即在鋁合金熔煉制造過(guò)程中通過(guò)對(duì)鋁液的攪拌,然后通入氮?dú)獾妊趸瘹怏w,使得高溫下與氫、硫離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)以去除有害雜質(zhì)[3-5]。對(duì)于攪拌石墨碳棒的高溫失效特性研究,國(guó)內(nèi)外較少有相應(yīng)的報(bào)道。因鋁合金熔化溫度較高及高溫氧化反應(yīng)激烈,攪拌石墨碳棒常在使用過(guò)程中產(chǎn)生氧化反應(yīng)而失效,影響了鋁合金材料的熔煉性能[6-9]。

為了分析凈鋁器石墨攪拌機(jī)構(gòu)的失效特性,本文綜合石墨碳棒高溫失效影響因素下,利用流體軟件Fluent中的多重參考系法(MRF)、流體體積函數(shù)(VOF)和標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型對(duì)攪拌爐內(nèi)鋁液和氣體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了凈鋁器攪拌過(guò)程中的流場(chǎng)分布特點(diǎn)。結(jié)合石墨棒高溫試驗(yàn),分析石墨攪拌棒的高溫失效原因,以期為設(shè)備和工藝的改進(jìn)提供參考。

1 石墨攪拌機(jī)構(gòu)的高溫?cái)?shù)值模擬

1.1 計(jì)算流體力學(xué)理論分析

假設(shè)石墨棒攪拌器槽內(nèi)的鋁液流體和空氣為不可壓縮模型,選用流體體積函數(shù)模型對(duì)石墨棒攪拌器槽內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。遵循能量守恒方程:

(1)

式中:ρ表示鋁合金液態(tài)下的密度;μ表示鋁液流動(dòng)黏稠程度;k是鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù);T表示旋轉(zhuǎn)鋁液溫度;cp表示流場(chǎng)流量;ST表示黏性。

文中的鋁液流體是變化不定的,所以計(jì)算模型選用了湍流模型(k-ε),湍流模型相對(duì)于其他液體流動(dòng)形態(tài),具有適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算精度控制性好的特點(diǎn)。湍流的動(dòng)能計(jì)算方程如下:

(2)

(3)

式中:Gk表示層流速度梯度下的湍流動(dòng)能;Gb表示浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Ym表示擴(kuò)散的波動(dòng);常數(shù)G1ε=1.44,G2ε=1.92,G3ε=0.09;Sk、Sε表示源相。

1.2 計(jì)算模型

為了攪拌過(guò)程與實(shí)際情況一致性,本次模擬石墨攪拌棒的結(jié)構(gòu)如圖1所示,石墨攪拌棒總長(zhǎng)1 000mm、直徑60mm,共設(shè)置8片葉片,葉片厚度80mm、直徑160mm,石墨棒攪拌過(guò)程中浸入鋁液深度600mm。

圖1 石墨棒結(jié)構(gòu)

鋁液流體攪拌區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了更好地了解石墨棒的失效特性,把流體區(qū)域分為鋁液的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和攪拌過(guò)程中帶動(dòng)空氣的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域,鋁液中放入擋板改善鋁液的轉(zhuǎn)動(dòng)流向,以減少鋁液轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的共振引起鋁液上下波動(dòng)。鋁液攪拌中,熔化溫度為720℃,攪拌時(shí)間約為8min。

圖2 流體域模擬結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格

本文采用的攪拌機(jī)構(gòu)劃分為3個(gè)計(jì)算區(qū)域:鋁液流體靜域、空氣靜域和鋁液動(dòng)域。計(jì)算域結(jié)構(gòu)存在倒角、結(jié)構(gòu)不規(guī)則,有限元分析網(wǎng)格采用了非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分,共1 045 101個(gè)網(wǎng)格單元,186 409個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分完成后,通過(guò)裝配網(wǎng)格形式導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行求解。計(jì)算采用多重參考系法、流體體積函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)計(jì)算迭代2 000步得到穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果,分析出攪拌器流場(chǎng)分布特點(diǎn)。

1.3 計(jì)算結(jié)果

石墨棒攪拌器流體速度云圖如圖3所示,鋁液攪拌區(qū)域流體轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)向葉輪中心聚集靠攏,越接近石墨攪拌葉輪邊緣轉(zhuǎn)速越快?？諝鈪^(qū)域攪拌機(jī)構(gòu)處于封閉熔煉爐運(yùn)動(dòng),因鋁液的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)了空氣的轉(zhuǎn)動(dòng),并向氣-液交界處匯聚在攪拌棒周圍,形成旋轉(zhuǎn)氣流,即在氣-液交界面石墨棒周圍形成氣流積聚,加快了石墨棒的高溫氧化現(xiàn)象。石墨棒葉輪外邊緣由于切割水流,形成了較大的應(yīng)力集中,高溫下加快了葉輪的磨損失效。

圖3 石墨棒攪拌器流體速度云圖

2 攪拌機(jī)構(gòu)石墨棒的高溫失效試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用了攪拌熔煉爐,熔化鋁液溫度達(dá)720℃,石墨棒攪拌器通過(guò)從轉(zhuǎn)運(yùn)熔煉爐上蓋浸入熔化鋁液進(jìn)行攪拌,攪拌葉片轉(zhuǎn)速為500r/min,每次攪拌時(shí)間8min,攪拌間隔30min,反復(fù)循環(huán)2 000次,觀看石墨棒攪拌的高溫失效特性。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

石墨棒攪拌器高溫失效如圖4所示,石墨棒攪拌器主要失效發(fā)生在:a點(diǎn)區(qū)域,即石墨棒高溫?cái)嚢柽^(guò)程中鋁液與空氣交界處;b點(diǎn)區(qū)域,即浸入高溫熔煉鋁液的石墨棒空氣冷卻過(guò)程中裸露于空氣接觸區(qū)域。

圖4 石墨棒攪拌器高溫失效試驗(yàn)結(jié)果

a點(diǎn)鋁液與空氣交界處,石墨棒攪拌器直接與空氣產(chǎn)生接觸,由于石墨棒在氣-液交界面與高溫熔鋁合金接觸處溫度高達(dá)720℃,溫度隨遠(yuǎn)離氣-液交界面迅速降低到400℃以下形成較大溫度梯度。石墨高溫一般超過(guò)500℃以上存在較強(qiáng)高溫氧化反應(yīng),形成了CO2或CO氣體,并且溫度越高氧化速度越快[10],在較大的切應(yīng)力作用下石墨棒產(chǎn)生了高溫磨損。由上述數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于石墨棒攪拌高溫熔鋁形成旋轉(zhuǎn)氣流,在氣-液交界面處形成氣流集中和加速,同時(shí)石墨棒在氣-液交界面的溫度差產(chǎn)生變應(yīng)力以及氣-液旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切變應(yīng)力差,加速a點(diǎn)區(qū)的高溫磨損。因此a點(diǎn)區(qū)是石墨棒高溫失效危險(xiǎn)區(qū),特別是轉(zhuǎn)軸與液面相接觸部位的工況異常惡劣。同時(shí),也驗(yàn)證了本文對(duì)石墨棒攪拌器數(shù)值模擬的正確性。

b點(diǎn)區(qū)域石墨棒攪拌過(guò)程中浸入熔化的鋁水中,與空氣進(jìn)行了隔絕,氧化保護(hù)較好。但是,熔煉期間,需要將石墨轉(zhuǎn)子反復(fù)從鋁合金熔池提升,暴露在空氣中。石墨材料具有多孔特性,且大多孔隙彼此相通(圖5)。這些孔隙使得氧氣很容易侵入石墨材料內(nèi)部,導(dǎo)致組織變得疏松,從而造成結(jié)構(gòu)性破壞[11-13]。同時(shí),石墨棒靜止冷卻過(guò)程中表面粘附了熔化鋁的快速凝固層,鋁合金與石墨棒的熱膨脹系數(shù)差別,同時(shí)冷卻過(guò)程中的溫度梯度,使得石墨棒表面存在了較大的殘余拉應(yīng)力。因熔化鋁的重力作用,鋁合金在石墨棒表面凝固厚度不均,殘余拉應(yīng)力變化較大,而且部分區(qū)域暴露與空氣接觸,產(chǎn)生了高溫氧化。因此,b點(diǎn)區(qū)域石墨棒攪拌器的高溫失效主要是殘余拉應(yīng)力和石墨高溫氧化共同作用的結(jié)果,失效形式以石墨棒的開(kāi)裂失效為主,呈現(xiàn)出麻花形態(tài)(圖5(b))。

圖5 多孔性石墨結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用有限元仿真軟件ANSYS模擬石墨棒攪拌器旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)以及高溫應(yīng)力分布,結(jié)合對(duì)石墨棒攪拌器的試驗(yàn)的結(jié)果表明:石墨棒攪拌過(guò)程中氣-液交界面存在空氣流場(chǎng)聚集和溫度梯度差,石墨棒在該區(qū)域主要為氧化磨損失效;攪拌區(qū)域的石墨棒的失效主要是靜止冷卻過(guò)程中高溫凝固的鋁合金與石墨棒的熱膨脹系數(shù)差和溫度梯度差,石墨棒開(kāi)裂是該區(qū)域的主要失效形式。