[發(fā)明專利]一種鋁熔體除氫的氣泡運動及傳質(zhì)數(shù)值模擬的方法

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• 申請日: 2019-10-25
• 公開（公告）號: CN110592404A
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高桂麗;曹榮賀
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C1/06;C22C21/00;G16C60/00
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本發(fā)明公開了一種鋁熔體除氫的氣泡運動及傳質(zhì)數(shù)值模擬的方法，涉及鋁熔體技術(shù)領(lǐng)域；它的方法如下：在擴散傳質(zhì)理論及Rayleigh方程基礎(chǔ)上，以旋轉(zhuǎn)及超聲場同時作用下流體中的凈化氣泡為研究對象，在考慮basset力情況下得出氣泡運動傳質(zhì)模型，利用MATLAB數(shù)值分析手段得出復(fù)合場中對凈化氣泡瞬態(tài)運動及傳質(zhì)的主要影響因素，同時利用水模擬進行實驗驗證，本發(fā)明利用VOF可以對氣泡運動過程的流場進行分析，通過該過程中凈化氣泡周圍速度勢、壓力場及氣泡形態(tài)的變化分析旋轉(zhuǎn)及超聲作用的影響；利用多相流模型可以對液相中的氣含率進行分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋁熔體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及旋轉(zhuǎn)場和超聲復(fù)合作用下鋁熔體除氫的氣泡運動及傳質(zhì)數(shù)值模擬的方法。

背景技術(shù)

近年來，鋁及其合金因其密度小、強度高、可成形性等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于電工材料、航空航天材料、高速列車底架、汽車車身等領(lǐng)域，與其相關(guān)的鋁生產(chǎn)和消耗隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大而劇增，但鋁及其合金在實際生產(chǎn)過程中，極易與空氣中的水蒸氣反應(yīng)進而產(chǎn)生氫氣，同時熔體與爐襯中的氧化物產(chǎn)生置換反應(yīng)形成夾雜物，而這些氣體及雜質(zhì)在鑄件凝固過程中形成氣孔，白點，疏松等缺陷，此外氫含量過高時還會產(chǎn)生第二類氫脆，影響鑄件的機械性能，鑄造性能等，這對于鋁材的性能有著嚴(yán)苛要求的場合會帶來致命后果，因為它不但破壞了鋁材內(nèi)部的連續(xù)性，而且使得鋁材的有效截面積減少，在使用過程中這些氣孔極易成為裂紋源。為此要獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品就必須提高鋁熔體的純凈度。凈化技術(shù)是獲得高質(zhì)量鋁熔體的關(guān)鍵。并且，鋁熔體中的夾雜與氫之間存在相互制約的關(guān)系，在不能保證夾雜完全除盡的情況下，除氣是進行凈化的最直接方法，而凈化技術(shù)的進步有賴于凈化理論發(fā)展，因此研究鋁熔體除氣凈化過程機理非常重要。

目前，鋁熔體中除氣凈化方法中，應(yīng)用最為廣泛的是氣泡浮游法中的旋轉(zhuǎn)吹氣法，由于其操作簡便，除氣效果好，沒有精煉劑帶來的污染危害，而得到了廣泛應(yīng)用，無論是凈化設(shè)備及方法都得到深入研究。但是，吹氣法除氫只能將熔體中的氫除到有限的程度，在旋轉(zhuǎn)吹氣凈化過程中，導(dǎo)入氣體的純度及其性質(zhì)，氣泡在鋁合金熔體中的均勻性、滯留時間及大小等因素是除氣效果的決定因素。已知當(dāng)旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速逐步增大時，氣泡被旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力破碎為更細(xì)小的氣泡氣泡分布越均勻，越微小，上浮速度越慢，和熔體接觸時間越長，除氣越有效果，但過大的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致卷氣和夾雜等缺陷，還會阻礙氣泡的均勻分布，這嚴(yán)重限制了凈化效率的提高。若想進一步提高除氣凈化效率，就要促進氣液兩相間氫的擴散過程，有必要研究新的除氣凈化技術(shù)。而功率超聲作為一種新型清潔能源，由于其能夠細(xì)化晶粒，改善鋁熔體性能，且對除雜具有明顯效果，能夠促進兩相間傳質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。但是，受超聲功率的限制，其作用范圍小，不能應(yīng)用于大批量生產(chǎn)，使其只能應(yīng)用于實驗研究過程。由此不難看出，單一凈化方法存在作用效果各不相同，若想進一步提高鋁熔體凈化效率及質(zhì)量，研究復(fù)合式除氣凈化方法非常必要。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析：

1.除雜方法及設(shè)備研究現(xiàn)狀：凈化鋁合金熔體的方法的分類標(biāo)準(zhǔn)很多，目前較常見的分類是按照各個方法的工作原理分為三類，分別為吸附凈化法、非吸附凈化法和復(fù)合凈化法。

1.1.吸附凈化法：吸附凈化是指依靠吸附劑與熔體中的氣、固態(tài)雜質(zhì)發(fā)生直接的物理、化學(xué)或者機械結(jié)合的作用，以達到凈化鋁熔體目標(biāo)的方式，是比較成熟且使用廣泛的鋁合金熔體凈化方法，主要包括吹氣法、熔劑法、過濾法等。