一种潜入式铝合金熔炼搅拌装置设计研究

吴兆辉

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

0 引言

随着汽车行业的不断发展和人们环保意识的提高，汽车的轻量化对铝合金的耐腐蚀、耐久性也有着更高的要求。市面上应用较多的铝合金为铸造铝合金，通过铸造可任意定型，不仅省时省料，缩短制造时间，广泛用于汽车、航天及船舶领域[1]。铸造类铝合金，根据添加的稀有金属元素不同，可分为铝锌合金、铝镁合金铝稀土合金等。在实际生产过程中，根据使用条件来给铝合金在熔炼过程中添加相应的稀土元素，比如发动机壳体、铝合金轮毂等，使用环境较为恶劣，要求铝合金不仅有较高的硬度和强度，同时也具备一定的韧性[2]。在铸造这类铝合金时要添加一些稀土和化学材料，同时还要求在熔炼搅拌过程中流场的速度分布、金相组织分散状况、搅拌临界转速等指标数据测试，不断完善和构建模型，达到模型构建接近实际使用的准确度。

搅拌装置是铝合金在熔炼过程不可少的一道关键工序，目前市面上的搅拌装置很多是由上部电机，加上搅拌杆，搅拌杆底部嵌入搅拌桨组成[3]。这种装置结构简单，便于制造，但是在搅拌过程中，由于单个叶片搅拌水流会沿着圆通侧壁流动，只有通过高转速使水流高速流动，产生较大涡流时，才会获得较好的搅拌效果。然而搅拌杆太长，而不能采用高转速搅拌，因此，这种传统的搅拌装置仅用于对搅拌质量要求不高的场合。鉴于传统搅拌装置存在的不足，本项目设计一种潜入式搅拌装置，采用双电机设计方案，上部电机控制整个下潜装置的缓慢旋转，下潜电机控制两个搅拌叶轮的旋转。由于双搅拌叶轮独立旋转，因此会产生两个水流旋涡的形成，使溶液之间产生摩擦，由于搅拌杆很短，可实现高转速的搅拌，而不必担心溶液溢出装置[4]。

1 潜入式铝合金搅拌装置的结构设计

潜入式铝合金熔炼搅拌装置的结构如图1（a）所示，由密封圈1、齿条2、顶端盖板3、齿轮4、手柄5、圆柱杆6、电机7、减速器8、连接轴9、防水壳10、减速器11、防水电机12、搅拌杆13、搅拌叶轮14、支座脚15、下横杆16、上横杆17以及输电线18组成。

图1 潜入式搅拌装置

顶端盖板3为正方形结构，顶端盖板3与四个支座脚15之间采用固定连接，四个支座脚15之间有横向连杆四周固定连接，上横杆17与横向连接杆固定连接，下横杆16与横向连接杆连接。顶端盖板3、上横杆17和下横杆16中间孔采用一体钻孔成型，以保证同轴度。将圆柱杆6嵌入已经加工好的孔内，在配合时，圆柱杆6与上横杆17中间的孔采用滑动轴承配合，滑动轴承的外圈与上横杆17紧固配合，内圈与圆柱杆6紧固配合。同样，圆柱杆6与下横杆16采用滑动轴承配合，滑动轴承的外圈与下横杆16内孔紧固配合，内圈与圆柱杆6紧固配合。在圆柱杆6上端部分内安装齿条，并固定在圆柱杆6侧面沿轴向放置。齿轮4和手柄5组成的支座安装在上横杆17上，齿轮4和齿条2啮合。输电线18从圆柱杆6顶部接入中间空心孔内，与下面电机7连接，电机7从下端嵌入圆柱杆6内部。电机7输出轴与减速器8连接，减速器8的输出轴采用加粗空管，与连接轴9固定连接。连接轴9下端与防水电机12固定密封连接。部分导电体从中间部分接入下端防水电机12内，防水电机12采用双输出轴设计方案，两端分别安装有90°转向减速器11，减速器11出口处做防水处理。减速器11输出轴连接搅拌杆13，搅拌杆13与搅拌叶轮14固定连接。整个连接杆9下端连接机构均可以在液体下实现搅拌，且具有防水效果。

2 实施的方式

潜入式铝合金熔炼搅拌装置的实施方式：将需要搅拌的物料溶液放入搅拌罐内，旋转手柄5，通过齿轮4和齿条2的啮合带动圆柱杆6上下移动到合适的位置。齿轮4和齿条2的升降机构自带有锁紧（即在齿轮4侧面的轮齿上镶嵌楔块，阻止齿轮的转动）。圆柱杆6沿着上横杆17和下横杆16中间孔轴心线上下移动，而滑动轴承可以确保圆柱杆6在工作中平稳性，防止径向窜动。与输电线18连接的开关闭合，电线通电，电机7在减速器8的作用下做圆周缓慢转动（转速可根据搅拌要求调节快慢，由于是主驱动输出轴，设置最大转速不超过50 r/min）。减速器8输出轴带动与连接轴9固定的防水电机12同时旋转，防水电机12在减速器11的两侧90°转角侧面输出轴各连接搅拌叶轮14，在防水电机12的驱动下快速旋转。由于搅拌杆13伸出长度短，在高速旋转下不容易发生较大窜动现象。在电机7作用下做圆周缓慢转动，防水电机12的作用下做快速的转动，通过双电机双搅拌叶轮设计方案来实现高效搅拌。搅拌完成后，关停电源，旋转手柄5，圆柱杆6上升抬起，完成整个搅拌过程。

在电机7采用顺时针旋转的情况下，根据实际的搅拌需要，搅拌叶轮14的旋转方向可以有三种组合方式，如图2（a）所示搅拌叶轮相向转动，防水电机12的双输出轴，左边输出轴为顺时针旋转，右边输出轴逆时针旋转，两端分别安装有90°转向减速器11，减速器11输出轴连接搅拌杆13，搅拌杆13与带动搅拌叶轮14旋转。左右叶轮旋转方向相向进行，当两个叶轮经过的区域，溶体被吸入并向两个搅拌叶片14中间向后流过。这种搅拌方式适合转速不高，且要求搅拌均匀的场合。

如图2（b）所示搅拌叶轮顺时针转动，防水电机12的双输出轴，左边输出轴为顺时针旋转，右边输出轴顺时针旋转，两端同样安装有90°转向减速器11，减速器11连接搅拌杆13，搅拌杆13与带动搅拌叶轮14旋转。由于两个叶轮的方向都是顺时针旋转，在电机7同样是顺时针旋转的情况下，两个搅拌叶片14在较高转速下可避免与电机7转动而产生涡流，这种模式不适合叶片低转速搅拌。

如图2（c）所示搅拌叶轮逆时针转动，防水电机12的双输出轴，左边输出轴为逆时针旋转，右边输出轴逆时针旋转，两端同样是减速器11连接搅拌杆13，搅拌杆13与带动搅拌叶轮14逆时针旋转，由于搅拌叶片14和电机7旋转方向相反，因此在低速和高速模式下，均可以获得较好的搅拌效果。

图2 搅拌叶轮旋转方向

3 搅拌装置的可行性分析

潜入式铝合金熔炼搅拌装置的设计方案如图1所示，支座上上横杆和下横杆中间嵌入圆柱升降杆，为了保证圆柱升降杆上下运动的平稳性，拟采用滑动导轨的设计方案。圆柱升降杆中间采用空心结构，为了确保升降杆的稳定性，管内孔设计尺寸较小，能通过导线和传入惰性气体便可。设计利用齿轮齿条结构可以调节升降杆的上下移动，装置采用手柄设计，是在实验中使用，以检验装内溶体的量调节高度[5]。

目前采用石墨作为搅拌叶轮材料，而石墨材料稳定性温度在300～700℃之间，比较适宜做铝合金溶体搅拌的材料。电机安装装置中，一个电机安装在在溶体上，另外一个电机放在溶体下。对在溶体内的电机的密封及耐高温做进一步的验证，电机完全嵌入熔体中，不仅对密封有较高要求，且对耐高温有一定的要求。目前市面上已经有耐高温耐辐射电机和高温步进电机，采用特种材料制作而成，最高温度可以到达300～500℃，真空度优于10-7Pa，可完全满足本实验装置的要求[6]。

为了熔炼搅拌出组分均匀分布的铝合金原材料，本项目拟对搅拌石墨转子结构做进一步改进，采用双十字叶片设计，叶片采用石墨材料，在搅拌过程中产生两个对应的涡流，相互作用下，不会产生较大的漩涡，在这种新型叶轮的搅拌混合作用下，可改善铝合金组分均匀混合的效果。

4 结语

潜入式铝合金熔炼搅拌装置电机直接传递动力给下端的叶片，可以提高旋转的速度。高的速度容易产生较大的漩涡，靠近中心漩涡流动速度快，容器壁上的溶体流动速度慢，同样会导致搅拌的不均匀。因此采用双十字石墨搅拌叶轮设计方案，将原本一个大的涡流分散为两个涡流，减小单个漩涡的有效半径，使溶体在流动过程中更加均匀。由于是双十字叶轮设计，周边的溶体也会有分布不均的情况出现，在圆柱杆6上安装主电机，进行缓慢的圆周旋转，拟带动下端的双十字进行圆周转动，对于添加了合金元素的铝合金溶体，可确保合金元素在搅拌过程中的均匀分布，提高铝合金的综合性能。