铝熔体净化过程流场特性的倾斜式水模拟实验装置及其实验方法

阙燚彬，李宏军

柳州职业技术学院，广西柳州，545006

0 引言

目前，国内外普遍采用水模拟实验技术研究金属精炼净化过程中的气泡分布的情况、气泡大小变化的特性、气液界面行为及流场结构特点等性能指标。为了体现出金属精炼净化过程流动（原型）的主要现象，并做出准确预测，水模拟实验在几何尺寸、运动状态和轨迹、动力特性等方面对实验装置（模型）有很高的要求：模型和原型必须保持严格的流动力学相似关系。然而，国内对倾斜式水模拟实验装置的研发重视不够，现有的一些倾斜式水模拟实验装置达不到完全相似的程度，导致试验结果与实际数据之间存在较大误差，具体来说，国内倾斜式水模拟实验装置存在以下不足。

（1）不具备调整转轴在容器中倾斜角度的功能。

（2）不能实现气体经由叶轮喷嘴径向射入水中形成气泡的物理场景。

（3）气体流量及叶轮与方桶底部之间距离不能精准调节。

（4）不具备编程控制转子的转速、转向、运行时间的功能。

上述不足，直接影响了气—液两相流测试结果的可靠性，进而制约了金属精炼净化工艺的改进。因此，有必要开发出一种仪器级的倾斜式水模拟实验装置，通过对可视化流场的定性定量的描述，掌握各影响因素对气泡的大小、分散程度及运动状的作用机理与规律。

1 装置设计及原理

本文设计的倾斜式水模拟实验装置目的在于克服现有水模拟实验技术存在的不足，提供一种适合模拟观测倾斜式旋转喷吹法精炼净化铝合金熔体过程的水模拟实验装置及其测试方法，通过直接测试倾斜式水模拟实验装置中流场速度分布、气泡分布及大小，最终实现对不透明铝合金熔体在特定工艺条件下（例如，转轴倾斜）气-液两相流场的准确预测[1]。

1.1 装置设计

本装置结构如图1所示，由气源装置1、气管2、机架3、倾斜台4、导线5、滑台组件6、电动机传动机构7、电动机支架8、控制柜9、方桶组件10组成，各零件之间结构关系如下。

（1）如图2所示气源装置1的高压气瓶14上安装有气瓶手轮11、流量阀13，流量阀13连接玻璃转子流量计12并与气管2相通。

（2）如图3所示三根支柱16与底板15用螺纹连接，并通过三对圆螺母18与动板17构成稳固的机架3，垫板20通过螺钉19固定在动板上。倾斜台4通过螺钉固定在机架3上。

（3）倾斜台4的转台与倾斜台座为弧面接触，并通过压板、锁紧螺母锁紧，转台上安装有蜗杆轴承座及蜗杆，蜗杆与倾斜台座的蜗轮面啮合，角度标尺安装在倾斜台座上，滑台组件6通过螺钉固定在倾斜台4上。

（4）滑台组件6的燕尾滑台座上安装了燕尾滑块，其间安装有垫片，燕尾滑台座上还安装了轴承座、丝杆及滑台手轮，丝杆与丝杆螺母配合，丝杆螺母与燕尾滑块通过螺钉固定连接，电动机支架8通过螺钉固定在滑台组件6上。

（5）电动机支架8由盖板、支架底板、卡板组成，通过螺钉固定连接。电动机支架8分别与电动机传动机构7的电动机、三个轴承固定连接。

（6）电动机传动机构7主要由电动机、主动带轮、传动带、从动带轮和转轴组成，电动机的转轴与主动带轮为固定连接关系。

（7）转轴为空心长轴件，其外圆同轴度精度要求控制在±φ0.5mm范围。转轴与三个轴承、从动带轮等均是间隙配合，并以紧定螺钉紧固。

（8）转轴与多孔叶轮、旋转接头之间，均安装O形密封圈形成过盈配合，并以紧定螺钉紧固。

（9）控制柜9的控制柜体内安装了触摸屏、PLC单片机、变频器。触摸屏与PLC单片机之间以通讯线51连接，变频器与PLC单片机之间以导线连接。

1.2 工作原理

（1）为了增加机构运行的整体稳定性，减小因弹性变形引起的振动。在设计方面具体采用了如下措施：①采用三根支柱16与底板15、动板17连接成稳固的机架。将电动机传动机构7安装在电动机支架8上，电动机支架8通过滑台组件6与倾斜台4连接。其中，滑台组件6的导轨为燕尾槽和平面导轨型结构，刚性强可以减小传动机构7因悬臂而引起的弹性变形，从而达到降低传动机构7运行时的振动。②利用对称平衡布局设计，进一步增加了整体机构的刚度，规避了机构固有共振频率，以减小空心转轴运行时的摆动，具体措施有：a）传动电动机的轴心线与机架的几何中心对齐；b）空心转轴外圆同轴度精度为±0.5mm；c）安装在电动机支架8的转轴的轴心线与机架的几何中心对齐；d）安装在空心转轴上的从动带轮置于轴承之间，并尽量靠近轴承；e）主动带轮与从动带轮平齐；f）采用三组轴承支撑空心转轴。

（2）在多孔叶轮定位方面，通过调整滑台组件6中燕尾滑块的位置、机架3的动板17的高低以及倾斜台4的转台的角度，实现对叶轮角度的调整及定位。

（3）在气路方面，空心转轴的一端与旋转接头通过紧定螺钉连为一体，另一端也通过紧定螺钉与多孔叶轮连为一体。由于空心转轴与多孔叶轮之间、空心转轴与旋转接头之间，均安装O形密封圈45形成过盈配合，确保了气体不会发生泄漏。旋松高压气瓶手轮11，气体即由高压气瓶14流出，经流量阀13、玻璃转子流量计12、气管2、旋转接头、空心转轴后，流至多孔叶轮，并经其小孔喷嘴射出。玻璃转子流量计12的最小刻度为1L/min，故通过调节流量阀13，即可对通气流量实现1L/min的精确控制。

（4）考虑到当“气-液”两相流达到稳定时，水流对气泡的剪切作用下降，导致气泡分散、破碎效果变差。为了提高气泡分散、破碎效果，探索出新工艺，本机构中，空心转轴与旋转接头及空心转轴与多孔叶轮均以紧定螺钉紧固连接，为正反转运行提供了条件，因而，本机构可以利用反转功能破坏流场的稳定，使得水流对气泡的剪切作用增强。其具体实现方式，如下：采用PLC单片机经由RS485选件板、导线，与变频器、触摸屏连接成控制回路，从而对传动电动机转动的方向、转速和运行时间进行精准调节控制[2]。

（5）在水模拟观测方面，澄清的水及透明亚克力方筒为直观观察“气-液”两相流创造了条件，而且透明亚克力方筒外部安装的钢直尺最小刻度为毫米，因而，高速相机可以清晰地捕获毫米级精度大小的气泡及其运行轨迹。

2 水模拟测试方法

本文设计金属熔体旋转喷吹净化过程流场特性的水模拟测试方法，采用室温的澄清水为介质模拟金属溶液，选用透明方筒作为盛装水介质的容器以实现模拟金属精炼过程可视化的目的。具体步骤如下：①多孔叶轮制备及安装：根据金属精炼工艺实际尺寸，按照固定的比例，采用高精度塑料丝熔融沉积3D打印机成型多孔叶轮，并将多孔叶轮安装至转轴上。②制备透明方桶并找正：按照实验比例，选用高透明度的亚克力材料制备方筒，安装时使方桶的中心轴线与转轴的中心线重合。③校正多孔叶轮位置：旋转倾斜台的蜗杆，使转台转动并带动转轴倾斜，当转轴达到需要的倾斜角度时，用扳手旋紧锁紧螺母固定转台，倾斜角度由角度标尺测定；旋转滑台手轮，使燕尾滑块沿着丝杆向下移动，并带动与之联结的旋转喷吹装置下移，直至最低点；调节机架上的三对圆螺母的下面的螺母使动板垂直向下移动，当多孔叶轮接触方桶的底部时，旋紧上面的圆螺母锁定动板。④调整多孔叶轮位置：再次旋转滑台手轮，使燕尾滑块沿着丝杆向上滑动，并带动多孔叶轮上移，以调整多孔叶轮与方桶底部之间的距离。当燕尾滑块到达滑台标尺的所需刻度位置时，用内六角扳手上紧锁紧螺钉[3]。移动调整方桶组件，使多孔叶轮底部中心到方桶的侧壁在长度方向保持需要的距离。⑤按比例注水：按照实验指定比例往圆筒中注入水至需水位。⑥调定通气流量：开高压气瓶，使气体（N2或Ar）从旋转接头流入转轴的中心通孔，抵达多孔叶轮，经其喷嘴射入水中，形成气泡。调节玻璃转子流量计的流量阀，直至气体流量稳定在所需设定值。⑦编程并运行：操作面板的触摸屏，按实验设定分别输入转轴的转速、转向、运行时间等工艺参数，并运行程序。⑧调试相机及成像拍摄：用相机记录气泡分散、大小及运行轨迹变化的图像，并根据观察的幅面尺度的需要，调整相机的位置、镜头高度及焦距。程序运行时，启动高清单反数码相机的高速连拍功能，捕获“气-液”流场瞬间变化的信息。

3 实施

通过如下实施实例对本文所设计装置及其测试方法做进一步的实践描述。

步骤一：制备多孔叶轮。

传统的旋转喷吹法除气净化技术，如单孔吹气法和多孔喷吹法难以满足净化的各项综合要求。多孔喷吹法虽比单孔法产生的气泡更小些，但改善作用不大。单孔吹气是较早的喷气精炼方法，就是通过一根管子直接将精炼气体吹入熔体。由于管内径大，在液体中产生的气泡也大，液体易飞溅，且气泡上浮速度较快，降低了气泡与液体的接触面积和作用时间，效果较差。目前采用这种精炼方法应用较少。为了进一步提高精炼效果，在单孔吹气和多孔喷吹法的基础上发展起来的微孔吹头精炼工艺得到了较快的发展[4]。通过3D打印增材制造技术，在叶轮上打印出规则布置的多个细微孔。由于精炼气体通道的微细化，在液体中产生气泡直径在0.5~2mm，上浮速度慢，有效地增加了气体与液体的作用时间和作用面积。

根据铝合金精炼工艺中叶轮的实际尺寸400mm，按照1∶4的比例，采用高精度塑料丝熔融沉积3D打印机成型多孔叶轮，直径为100mm，径向144个0.5mm小孔，并将其安装至转轴上。

步骤二：制备透明方桶。

为便于观察，并考虑在运行中保持平稳，选用厚度为4mm的高透明度的亚克力材料，按照1:4的比例制备830mm×630mm×400mm的方桶（熔炼炉内胆尺寸3300mm×2500mm×2000mm，铝合金熔体高900mm），将方桶安装在可倾式水模拟实验装置下方，并使方桶的中心轴线与转轴的中心轴线对正。

步骤三：校正多孔叶轮零位。

（1）旋转倾斜台的蜗杆，使转台转动并带动转轴倾斜，当转轴与水平夹角达到50°（实际工艺参数为50°~70°）时，用扳手旋紧锁紧螺母固定转台，倾斜角度由角度标尺测定。

（2）旋转滑台手轮，使燕尾滑块沿着丝杆向下移动，并带动与之联结的旋转喷吹装置（电动机、转轴、多孔叶轮及气管等）下移，直至最低点。

调节机架上的三对圆螺母的下面的螺母使动板垂直向下移动，当多孔叶轮接触方桶的底部时，旋紧上面的圆螺母锁定动板。调整时三对圆螺母应平衡进行并以水平仪校验动板的水平度。

步骤四：调整多孔叶轮位置40mm。

（1）旋转滑台手轮，使燕尾滑块沿着丝杆向上滑动，并带动多孔叶轮上移，当燕尾滑块相对滑台标尺移动了52mm则垂直方向上升40mm（通过倾斜角度换算）时，用内六角扳手上紧锁紧螺钉，使多孔叶轮与透明方桶底部之间的距离固定为40mm。

（2）移动调整方桶组件在长度方向的位置，使多孔叶轮底部中心到方桶侧壁在长度方向的距离达到150mm（熔炼炉内壁侧面距离叶轮底部中心距离600mm）。

步骤五：注入水介质。

按照约1:4的比例往透明方桶中注入水，直至达到所需230mm水位（熔炼炉容纳铝合金熔体高900mm）。

步骤六：调定通气流量5L/min。

旋松高压气瓶手轮，使气体（N2或Ar）从高压气瓶经气管流出，再从旋转接头流入转轴的中心通孔，抵达多孔叶轮，经其喷嘴射入水中，形成气泡。然后，调节玻璃转子流量计的流量阀，直至气体流量稳定在5L/min。

步骤七：编程运行。

操作面板的触摸屏，按表1所列的转速、转向、运行时间等工艺参数，建立相应运行程序，按下触摸屏的启动按键，使转轴按照设定程序运行。

表1 程序工艺参数表

步骤八：调试相机及成像拍摄。

选用尼康Z5单反数码相机记录气泡分散、大小及运行轨迹变化的图像，并根据观察的幅面尺度的需要，调整尼康Z5单反数码相机的位置、镜头高度及焦距。在程序运行时，启动尼康Z5单反数码相机的高速连拍功能，捕获“气-液”流场瞬间变化的信息。

通过实践验证，该装置通过对可视化流场的定性定量描述，通过直接测试该水模拟实验装置中流场速度分布、气泡分布及大小，可实现对不透明金属熔体气—液两相流流场的准确预测，实验方法可靠性高[5]。

4 结语

本文设计的制备方法简单、便捷，装置结构合理，易于操作，使用可靠。可以方便地控制转轴正反转，并可无级调节转轴的转速，满足研究不同转向、不同转速、运行时间对气泡生成及运动的影响。与现有技术相比，在以下方面得到了提升：借助高速摄影技术，可直观可视地观察研究微小气泡生成及运动轨迹；可以精确调节多孔叶轮在透明方筒中的不同位置，满足研究多孔叶轮不同位置对气泡生成及运动的影响，以便优化工艺；多孔叶轮有利于气泡均匀悬浮，侧面开有大量的气孔作为喷嘴，可生成大量小气泡，并可测量其大小。