除气板与旋转喷吹复合净化水模拟试验研究

马玉娇，赵忠兴，耿德军，徐兴文

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



除气板与旋转喷吹复合净化水模拟试验研究

马玉娇，赵忠兴，耿德军，徐兴文

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

采用自行研制的除气板与旋转喷吹复合净化，通过水模拟试验，考察气源压力、气流量、转子转速对气泡数量及分布状态的影响规律，并对影响因素进行优化，寻找出最佳工艺参数。结果表明：该除气板可获得数量较多、细小弥散、分布均匀的气泡，经对铝液的实际除气处理，可显著提高铝熔体密度；除气板与旋转喷吹复合净化的过程中，没有产生气泡合并和液面翻滚的现象，互不干扰。

铝合金；除气板；旋转喷吹；水模拟

随着铝及其合金的广泛应用，对其质量的要求越来越高，其中氢的存在给铝及其合金的性能带来直接或间接的危害。对此采用净化除气处理是提高铝熔体纯净度水平，生产高质量铝材的关键[1]。净化除气处理工艺一般使用旋转喷吹净化及熔剂净化，对于低压铸造的机下炉、熔池较深的熔炼炉并不适用[2]。在低压铸造工艺流程中，铝锭经熔炼炉融化后可进行常规净化处理，随后由熔炼炉倒入转运包，转运包中铝熔体从机下炉侧口倒入，会造成再次吸气，旋转喷吹净化对机下炉具有较大的局限性。在熔池较深的熔炼炉中，由于旋转喷吹净化吹头长度有限，只采用旋转喷吹净化会造成净化除气的盲区(坩埚底部铝液)，从而影响坩埚底部区域铝合金液的除气效果；如果将除气板深入到坩埚底部与旋转喷吹净化相复合，可以很好地解决此类问题，除气板对盲区可以进行有效净化，旋转喷吹的搅拌可以使熔体与气体均匀混合，充分接触，提高铝合金液整体的净化效果[3-5]。

针对上述工艺的特殊性，试验研究了一种耐火材料制作的除气板，该除气板具有微小的孔洞，可形成小于1.5mm的氩气泡，可以与旋转喷吹工艺复合使用。采用水模拟试验方法[6]，对试验净化过程中的气泡形态及运动状况进行观察，从除气动力学角度分析工艺参数间的相互影响，寻找出影响因素之间的最佳组合，获得最佳的工艺参数，为实际生产提供理论依据。

1 试验条件与方法

试验设备采用自行研制的除气板与旋转喷吹复合净化装置，其示意图如图1所示。主要由有机玻璃坩埚、除气板、石墨转子、氩气瓶和照相机组成。其中自制除气板是基体耐火材料作为主料，同时添加粉末状有机物，先经烘箱400℃烘干，再经600～800℃的焙烧，其目的是为了烧掉除气板中粉末状有机物，形成细小空隙具有可控的透气性。根据相似准则，采用水模拟试验方法，将除气板与石墨转子放入注满水的有机玻璃坩埚，打开气阀通入惰性气体，对工艺参数进行调节，观察气泡的变化及分布状态，分析工艺参数对除气板与旋转喷出复合净化的影响。

2 试验结果及分析

2.1 除气板的水模拟试验

除气板除气属于气泡浮游法，气泡的大小与分布状态决定着铝液的净化效果。影响气泡分布的主要工艺参数为气源压力和气流量，由于试验设备的限制及工艺的原因，气流量、气源压力选取在一定范围内，各选取两个最佳值。通过调节气源压力和气流量，改变气泡状态，对此设定了四种方案进行对比分析，见表1。对应于不同气源压力、气流量的气泡分布状态如图2所示。

图1 除气板与旋转喷吹复合净化水模拟装置示意图

方案序号气源压力P/MPa气体流量Q/(m3/h)10.150.2020.150.1530.100.1540.100.20

图2 除气板水模拟气泡状态分布图

影响除气板除氢效果的主要因素有气源压力和气体流量。从图2对比可知，在气源压力相同的条件下，随着气体流量的增加气泡数量明显增加，气泡大小在气流量由0.15m3/h到0.2m3/h的过程中，气泡有变大的趋向。在气流量相同的条件下，随着气源压力的增加气泡数量增加，气泡尺寸有所增加。这是由于气源压力的增加使气体成功克服了液体流动阻力，使单位时间内气泡数目增多。从除气动力学原理分析[7]，气泡数目的增加，使铝液与气泡两相间的实际接触比面积增大。由动力学公式可知[8]，气泡尺寸越小，气泡分布越均匀，分布密度越大，便延长了气泡在铝液中上升浮游的行程，增加气泡在铝液内停留的时间，即增加气泡除氢时间，提高了除气效果。

式中：k为传质系数；Cm为铝液内氢的浓度；Cms为气液界面处氢的浓度；V为铝液的容积；A为单位时间内通过的表面积；D为氢在铝液中的扩散系数；ts为气泡与体积元之间的接触时间；Vb为气泡上浮速度；db为气泡直径。

从水模拟试验结果看，所研制的除气板在一定的气源压力和气体流量条件下，可获得直径小于1.5mm的细小、均匀分布的气泡，均有较好的除氢动力学特性，能满足实际生产的基本要求。

2.2 除气板与旋转喷吹复合水模拟试验

在上面试验结果的基础上，固定除气板的工艺参数，采用表1的方案2；旋转喷吹工艺参数改变量如表2所示，在气源压力、气体流量、转子转速各不同的条件下，分析气泡分布状态，如图3所示。

表2 除气板与旋转喷吹复合水模拟试验方案参数

除气板与旋转喷吹同时通入惰性气体，通过图3中的对比可以看出，在气源压力、气流量一定的条件下，随着转速的提高液体中气泡变得更细小、分布更均匀，没有产生气泡合并和液面翻滚的现象，互不干扰。这是因为在除气板产生气泡的同时，转子经气孔喷吹气泡，通过旋转产生的剪切力将气泡破碎为更加细小的气泡，随着转子的运动趋势做圆周向上运动，气泡的向上运动带动了初始静止的液体运动，形成了液体的紊流运动，促使气泡在熔池中分布更加均匀[9]。转子转速越大气泡在铝液内的运动速度越快，使熔体与气体均匀混合，充分接触，强化了气液表面更新率，即传质系数k增大。

图3 除气板与旋转喷吹复合水模拟气泡状态分布图

由图3c和图3d对比可以看出，在气源压力、转速相同的情况下，随着气流量的增加气泡数目不断增加，但气泡亦有合泡趋势。这是由于透气孔处气流量增大时，转子的切向力破碎作用越快，则单位时间形成的气泡数目越多，但转速与气流量、气源压力是相互制约的，为了减小气泡的直径，需提高转速，而转速过大，使液体回流无规则，引起转子产生的气泡与除气板产生的气泡合并，两个小气泡合并为大气泡，减小了铝液与气泡间的有效接触面积，影响了除气效果。

3 除气板对铝合金液净化试验

采用50kg坩埚熔化ZL101A铝合金液进行除气板试验，采用密度检测方法分析合金液的含气量，工艺参数为：气源压力：0.15MPa，气体流量：0.15m3/h，除气时间15min，除气前合金液的密度为2.56g/cm3,除气后合金液的密度为2.64g/cm3，针孔度等级从除气前的三级变为一级，达到了较好的净化效果。密度试样低倍组织如图4所示。

图4 密度试样低倍组织图

4 结论

(1)经水模拟试验证明，除气板净化在气源压力为0.15MPa，气流量为0.15m3/h时为最佳工艺参数，气泡数目较多，分布广泛、细小弥散，没有产生气泡合并现象，具有较好的除气效率。

(2)除气板与旋转喷吹复合净化中，转速、气源压力和气流量三者相互制约，经水模拟试验证明，在气源压力为0.1MPa，气流量为0.4m3/h，转速为320r/min时，可产生数量较多、分布均匀，尺寸较小的气泡，并且除气板产生的气泡与旋转喷吹产生的气泡无合泡现象，互不干扰。

[1]巫瑞智,孙宝德,疏达,等.铝熔体除氢[J].材料科学与工艺,2006,14(2):218-221.

[2]张佳伟,李宝东,祝强,等.铝合金液除气板的试验研究[J].铸造,2011,60(3):252-253.

[3]傅高升,陈文哲,陈鸿玲.铝熔体高效净化的理论及净化处理技术的现状分析[J].铸造技术,2004,25(4):291-292.

[4]E Escobar de Obaldia,S D Felicelli.Quantitative prediction of microporosi ty in aluminum[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,22(191):265-269.

[5]Yubo Zuo,Yiyao Kang,Yue Lin,et al.Application and study in aluminum melt degassing technologies[J].China Foundry,2004,10(31):7-13.

[6]闻绍玲,赵忠兴,刘兵.铝液充型过程水模拟技术的研究[J].轻合金加工技术,2005,33(2):16-17.

[7]陆文华,李隆盛,黄良余.铸造合金及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,2002:309-312.

[8]张忠华,边秀房,刘相法.铝熔体除氢过程动力学[J].中国有色金属学报,2000,10(2):217-220.

[9]杨长贺.旋转喷头法铝液除氢效率的剖析与研讨[J].轻合金加工技术,1995,23(2):5-10.

(责任编辑：马金发)

Test and Study on Complex Purification of Degassing Plate and Rotary Impeller by Water Simulation

MA Yujiao,ZHAO Zhongxing,GENG Dejun,XU Xingwen

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Using self-developed degassing plate and rotary impeller for complex purification,the influence of air pressure,air flow rate,rotor speed on the number and the distribution state of bubbles were investigated by the water simulation test.At the same time,the optimum process parameters were found out by optimizing the influence factors.The results show that the purging bubbles from the degassing plate are very fine and uniformly distributed and the amount of bubbles is appropriate.The degassing plate was practically applied to Al-alloy melt which can significantly improve the density of the aluminum melt.In the process of complex purification,the phenomenon of the merge of bubbles and the roll surface could not be observed without disturbing each other.

aluminum alloy;degassing plate;rotary impeller;water simulation

2015-07-10

马玉娇(1990—)，女，硕士研究生；通讯作者：赵忠兴(1963—)，男，教授，研究方向：铸造铝合金。

1003-1251(2016)05-0087-04

TG292

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