一種鋅基合金生產攪拌均勻化測試試驗

陸興茂

(1.中南大學，湖南長沙 410083;2.株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004)

從19世紀50年代，用于生產合金的電爐，功率312 kW，到現在功率900 kW，同時35 T的爐窯發展到現在60 T的爐窯，爐窯的尺寸已經發生了很大變化，合金品種不斷增加，但是用于合金生產的攪拌機的設計并沒有大的變化，舊的攪拌機尺寸及參數不能適用新的爐窯，必須進行重新試驗確定其參數。另外，某公司合金產品一次合格率指標在此過程中，從99.1%下降到98.5%，再降到98%，這與合金生產條件變化不無關系，而合金生產最關鍵的是溫度控制和有效攪拌，所以研究合金生產中攪拌的有效性是提高合金產品一次合格率的有效途徑。

1 攪拌原理

鋅基合金生產過程，主要是Zn元素和其它元素攪拌混合過程，按照一定的比例把Zn元素和另一種或幾種元素攪拌固溶混合，達到均勻，澆鑄、冷卻，形成最終產品［1］。

本次試驗中機械攪拌，槳葉角度成45°，主要機理是攪拌剪切混合，剪切混合主要因剪切力的作用，槳葉移動產生剪切力，將物料拉延撕裂，同時這部分物料受攪拌槳葉推擠而被壓向鄰近物料，千百次折疊、包裹，物料組分被拉成愈來愈薄的料層，使某一種組分原來占有區域的尺寸愈來愈小，經過一段時間強制均勻混合，得到合格產品［2］。對于高粘度組分特別明顯。圖1是Zn、Al元素混合過程示意圖，圖1(a)～(c)是只分析了樣品一個層面上很小的區域，但是可以看出均勻化程度較低時如圖1(b)所示，當比較均勻時如圖1(c)所示，Al含量高低的差值可以代表均勻化程度的高低，當差值在一個相對較小的范圍時，可以認為合金液混合均勻。

圖1 Zn、Al元素混合過程示意圖

2 試驗過程

采用低頻感應電爐，生產某種鋅基合金，攪拌機功率 11 kW、速比 1/15、攪拌葉片寬 150 mm、長800 mm。攪拌槳葉與攪拌軸成一定角度，鋅液向上翻騰攪拌。分別測試不同的槳葉角度、溫度范圍、攪拌機軸長攪拌均勻所需要的時間。每隔3 min取一次樣，由直讀光譜儀分析，每個樣品分析3個點取其平均值。

3 試驗結果與分析

3.1 攪拌溫度對攪拌效果的影響

試驗采取攪拌槳葉與攪拌軸成45°，攪拌軸長920 mm，分別在470～500℃、480～515℃和490～530℃測得數據，見表1、表2、表3。

根據表1、表2、表3的數據作得如圖2所示的曲線圖。從圖2中可以看出，溫度較低時，曲線趨于平滑所需要的時間較長，溫度升高，曲線趨于平滑所需要的時間較短，即均勻化所需時間較短，攪拌效果較好。

表1 溫度470～500℃區間Al含量隨攪拌時間的變化

表2 溫度480～515℃區間Al含量隨攪拌時間的變化

表3 溫度490～530℃區間Al含量隨攪拌時間的變化

圖2 不同攪拌溫度和不同攪拌時間Al含量變化

3.2 攪拌槳葉角度對攪拌效果的影響

選擇拌機槳葉與攪拌軸夾角分別為25°和45°作對比試驗，測得不同攪拌槳葉角度下，溫度為480～515℃，軸長920 mm時不同Al含量，見表4、表5，并根據數據得曲線如圖3所示。從圖3可以看出，45°曲線比25°曲線更快趨于平滑，說明攪拌機槳葉與攪拌軸夾角45°優于25°。由于試驗條件限制，沒有做系統的試驗。

表4 攪拌槳葉角度25°，溫度480～515℃，軸長920 mm Al含量隨攪拌時間的變化

表5 攪拌槳葉角度45°，溫度480～515℃，軸長920 mm Al含量隨攪拌時間的變化

圖3 不同攪拌槳葉角度的Al含量變化曲線

3.3 攪拌深度對攪拌效果的影響

分別在攪拌軸720 mm、820 mm、920 mm、1 020 mm、1 120 mm下，測試攪拌效果，均攪拌20 min后，每隔3 min在合金爐內取一次樣進行直讀光譜儀分析，所得數據見表6～表10。

根據表6～表10數據，作各不同軸長Al含量隨時間變化圖，如圖4所示，從圖4中可以看出，波動開始都比較大，慢慢變小，最后逐漸趨于一個定值，即反應攪拌過程合金液逐步均勻化的過程。5條曲線相比較，從第1條到第5條，趨于均勻的速度越來越快，720 mm曲線，從20～50 min曲線波動較大，1 120 mm曲線，最快趨于平滑，合金化速度最快。

不同攪拌軸長合金液流動狀態示意圖如圖5所示。當攪拌機軸長為720 mm時，攪拌時發生如圖5(a)所示的狀態，下部的合金液，被攪拌機甩出正常液面許多，攪拌中心在合金液中上部，底部合金液沒有進入或很少進入攪拌范圍，攪拌功率浪費，攪拌效果差。在相對同等條件下，隨著攪拌軸加長，攪拌深度增加，合金化速度越快。在實際生產中，攪拌和空氣中接觸面積大，同時形成的渣率較高。

表6 攪拌軸長720 mm，溫度482～521℃，Al含量隨攪拌時間的變化

表7 攪拌機軸長820 mm，溫度485～523℃，Al含量隨攪拌時間的變化

表8 攪拌機軸長920 mm，溫度480～515℃，Al含量隨攪拌時間的變化

表10 攪拌機軸長1 120 mm，溫度482～519℃，Al含量隨攪拌時間的變化

圖4 不同軸長Al含量隨時間變化圖

如圖4所示，從第1到第5條曲線相比較趨于平滑的相對加速度越來越小，特別是最后兩條線差別不大。說明第五條曲線在本次試驗中結果相對達到一個較好的結果。如圖5(b)所示的狀態，攪拌機工作時，合金液軸附近向上翻騰，遠離軸的地方向下遠動，形成閉路循環，合金液向上動力靠攪拌機提供，向下則是重力的作用，攪拌機槳葉產生一個向上的推力，槳葉以下相當于形成負壓，合金液從四周向中心流動，力量分散，以攪拌葉片為中心，攪拌覆蓋的區域，上部區域大于下部區域。所以攪拌機槳葉中心應在合金液深度中心以下。

從曲線720 mm和1 120 mm的Al含量變化數據可以看出，試驗中攪拌機槳葉在中心以上350 mm處時，攪拌均勻需要45 min以上，在中心(深600 mm)以下650 mm處時，攪拌均勻需要35 min即可，攪拌效果明顯較好。此種結果證實了攪拌區域中上部大于下部區域。

圖5 不同攪拌軸長合金液流動狀態示意圖

該試驗選擇使用的某種低頻感應電爐，加熱方式采取噴流式感應體加熱，本身會引起合金液在爐內流動，增加了攪拌效率。

4 結論

1.溫度升高，合金液粘度降低，合金液均勻速度加快。

2.攪拌機槳葉與軸夾角45°，攪拌效果較好。

3.攪拌中心設計在合金液深度中心位置以下較為合適，試驗中攪拌機槳在距爐底550 mm較好。

［1］ 朱曉云，郭忠誠，曹梅．有色金屬特種功能粉體材料制備技術及應用［M］．北京:冶金工業出版社，2011．

［2］ 姚瑰妮．玻璃粒子在半固態鋁合金液中攪拌分散過程模擬的研究［D］．昆明:昆明理工大學，2012．