鎂合金熔煉水模擬試驗研究

李孫博，趙忠興，張顯飛，馮志軍，李宇飛

（1.沈陽理工大學，遼寧沈陽 110159；2.沈陽鑄造研究所有限公司，遼寧沈陽 110022）

0 引言

鎂及其合金是目前可應用的最輕的金屬結構材料,具有比強度和比剛度高、導熱性好、加工性能優良、易回收等優點，在航空航天、交通運輸、民用建筑等行業中應用廣泛[1，2]。隨著鎂合金在實際應用中的迅速增長，對其生產要求也有所提高，因此提高合金質量越來越重要。

由于鎂的密度低，在熔煉過程中，合金元素會產生沉降，造成熔體內的合金元素分布不均勻，產生偏析，從而造成鑄件或鑄錠組織和性能的不均勻。人工攪拌受操作者水平及經驗的限制，不能有效保證熔液均勻性，造成鑄件質量不穩定。可見為保證輕合金熔體成分均勻性，穩定輕合金鑄件質量，用機械攪拌代替人工攪拌。電磁攪拌通常應用于鑄件凝固過程中，但不能處理熔煉過程中坩堝內的鎂合金熔體。由于合金熔液的不透明性，很難對坩堝內部的雜質狀態和熔液運動狀況進行觀察，不能了解各工藝參數之間的相互影響。因此，為了直觀的觀察合金熔液的流動狀態和攪拌情況，采用水模擬技術進行試驗，對運動過程進行模擬[3]。在攪拌過程中，轉速、葉片形狀、桿距容器底部等影響因素對合金元素均勻程度的影響較大，選擇這3 種因素進行研究。以此來尋找各影響因素之間合理的實驗結果，獲得良好的工藝參數，使合金元素成分均勻分布，以此達到所需求的效果。

1 水模擬技術原理

水模擬技術是用來模擬觀測液體流動過程的可視化手段，它以流體力學中的相似理論為依據，滿足模型的幾何相似和流體的力學相似[4]，即在幾何相似的流場中使無量綱參數St（strouhalnumber）、Eu (Euler-number）、Re（Reynoldsnumber）、Fr（Frouds-number）相等[5]。對于Re 數，由公式（1）可推導出保證Re 相等的條件是調整ρ/μ 的比值，以此來保證水模擬過程和合金熔液流動狀態的相似。

在水模擬試驗中，人們只能憑借人眼、攝像等直觀的手段去研究流體運動狀態，進而定性地分析液態金屬的流動規律[6，7]。

2 試驗條件及試驗方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1 所示。此試驗裝置是采用所研發的鎂合金熔體成分均勻化調控設備、鐵架臺、轉子、水模擬容器等主要裝置。轉子的葉片半徑為120mm,水模擬容器高度為600mm，與實際坩堝尺寸為1:1，滿足坩堝與模型的幾何相似。

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 試驗條件

鎂液與水的粘度對比見表1[8]，由表1 可看出，常溫下的水粘度與700℃的鎂液的粘度相差較小，保證常溫的水與其流動趨勢較為接近。在水中所添加的示蹤粒子，包括鐵屑、鋁屑及塑料小球。其中，鐵屑、鋁屑用來模擬合金熔液中的雜質，塑料小球模擬除雜劑。與合金熔液中的雜質和除雜劑的密度差類似，因此在水中的流動狀態與合金熔液中的流動狀態具有一定的相似性。

表1 鎂液與水粘度值對比

2.3 試驗方法

向水中加入示蹤粒子，對攪拌過程進行觀測，考察工藝參數對試驗結果的影響。通過改變葉片形狀、轉速及旋轉桿距水模擬容器底部的高度等參數，來分析不同參數對熔體成分均勻性的影響。試驗過程中由攝像機進行跟蹤拍攝，再將拍攝下來的影像進行處理，選擇影像中大量關鍵性的靜態圖片。

（1）轉速

本次試驗所設計了3 種不同的轉速，分別為200r/min、250r/min、300r/min。

（2）葉片形狀

本次試驗設計了兩種不同的葉片形狀，一種設計為只有螺旋式葉片，另一種在螺旋式葉片的基礎上在旋轉桿底部加一個扇形葉片。

（3）桿距模型底部距離

本次試驗所設計了3 種不同的高度分別為90mm、120mm 和150mm。

3 試驗結果及分析

3.1 轉速影響分析

在控制其他條件一定時，只改變轉速，不同轉速下的試驗結果如圖2 所示。

圖2a、b 為200r/min、250r/min 時的試驗結果，下部金屬雜質能夠很快的向上卷起，大部分能夠均勻分布在水中，大部分的塑料小球也能夠均勻分布在水中，所取得的效果會比較好。但二者相比，在200r/min 時的轉速下，金屬雜質在容器底部的含量相對于250r/min 時要多一些。

圖2c 為300r/min 時的試驗結果。由于轉速過高，產生的離心力過大，造成容器內水波動過大，容器中會造成水珠迸濺的現象，向容器外濺出的水珠較多，所模擬的現象在實際生產中并不可取，取得的效果差。

圖2 轉速比較

在3 種轉速的對比分析之下，250r/min 時的轉速參數好于其他轉速，所取得的效果較為明顯，金屬雜質和塑料小球都能夠大致在水中均勻分布，且均勻的時間較快，為較優的轉速工藝參數。

3.2 葉片形狀影響分析

控制其他變量一定，只改變葉片形狀。不同葉片形狀下的試驗結果如圖3 所示。

圖3a 為旋轉桿下部加葉片的試驗結果。在圖中可明顯觀察出塑料小球在水中分布較為均勻，而金屬雜質主要集中于下半部分，只有少量的金屬雜質會漂浮在上半部分。

圖3b 為只有旋轉葉片的試驗結果。只有旋轉葉片時，塑料小球和金屬雜質能夠被葉片較為均勻地打散在水中，并順著葉片方向轉動。

圖3 葉片比較

塑料小球在水中的流動狀態，在二者中表現的十分類似，但金屬雜質所呈現的效果并不相同，在旋轉桿下部加葉片的情況下在桿下聚集的更多一些。因此，只有旋轉葉片的情況所取得的效果要好。

3.3 桿距模型底部距離的影響分析

在控制其他變量一定，在不同桿距下試驗結果如圖4 所示。如圖4a、b 所示，分別為桿距為90mm、120mm 的試驗結果。在這兩種桿距的試驗下，塑料小球和金屬雜質在水中分布較均勻。而桿距90mm 時能夠更快的均勻分布在水中，且均勻效果要好于桿距120mm 的情況。

如圖4c 為桿距150mm 的試驗結果。由于旋轉桿底部離模型底部距離較長，金屬雜質會需要較長的時間才能夠向上卷起，大部分金屬雜質會在旋轉桿底部聚集，同時，只有少量塑料小球能夠達到模型底部，所得的效果很差。

圖4 桿距比較

因此，在距離90mm 時，塑料小球和金屬雜質能夠大致均勻分布在水中，能夠取得良好的效果。

4 結論

（1）轉速對成分均勻性具有一定影響，250r/min左右時，效果較好。

（2）葉片形狀對成分均勻性具有一定影響，當只有螺旋葉片時效果較好。

（3）桿距對成分均勻性具有一定影響，桿距為90mm 左右時效果較好。