新型顆粒增強(qiáng)鎂合金攪拌反應(yīng)釜的模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 楠

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

鎂合金作為一種新型的合金材料，因其密度小質(zhì)量輕，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能在航空航天、軍工及化工制造業(yè)都受到廣泛的應(yīng)用[1-5]，在金屬合金領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近些年來在鎂合金冶煉中加入非金屬顆粒，這樣可以在保證合金金屬特性之外，增強(qiáng)合金的硬度、剛性及抗氧化能力[6-9]。目前對(duì)于顆粒增強(qiáng)鎂合金技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在合金攪拌冶煉中加入碳化硅顆粒已經(jīng)形成商品產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)階段的研究主要集中于對(duì)于制備工藝及設(shè)備的優(yōu)化。如圖1 所示為傳統(tǒng)攪拌裝置的示意圖，其攪拌裝置主要包括攪拌槳，坩堝，加熱電極及通氣管。制備時(shí)將鎂合金熔化至半固態(tài)，通過熱電偶控制熔液溫度，將碳化硅顆粒置于熔液表面，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣體?？刂茢嚢杷俣?，經(jīng)過一定攪拌時(shí)間速可獲得成品。

1 新型攪拌釜設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的攪拌裝置是將增強(qiáng)顆粒通過從液面上端投入，利用自身重力和攪拌力的雙重作用下使得顆粒分散于合金液中。為使得增強(qiáng)顆粒充分于合金液融合往往需要較大的攪拌速度（300 r/min）以上，較大的轉(zhuǎn)速雖然可以保證增強(qiáng)顆粒均勻分散于合金液中，但由于攪拌速度過快，會(huì)使得液面上的空氣卷入合金液中導(dǎo)致鎂合金內(nèi)部的氧化。本文根據(jù)長期實(shí)驗(yàn)對(duì)攪拌釜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新采用全真空的攪拌反應(yīng)釜壁面空氣對(duì)于合金液的氧化，同時(shí)經(jīng)增強(qiáng)顆粒通過底部設(shè)置的氣孔，采用高壓氮?dú)庵苯訌牡撞肯蛏蠂娙牒辖鹨仓校刂茋娙霘怏w的壓力可壁面氣泡殘存于合金液的同時(shí)，使顆粒充分與合金液融合。如圖2 為所示的新型攪拌反應(yīng)釜。

2 新型攪拌釜模擬驗(yàn)證分析

圖1 傳統(tǒng)攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖

在ANSYS中建立攪拌反應(yīng)釜的三維幾何模型，采用混合網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。在攪拌槳周圍建立攪拌區(qū)域與靜止區(qū)域以交界面將兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行連接。設(shè)置不同攪拌速100、200、300 r/min，設(shè)置進(jìn)口氣體速度分別為：0.7、1.0、1.2 m/s。模擬中不考慮吧能量溫度對(duì)于攪拌速度和壓力的影響，認(rèn)為一定時(shí)間步長之后，該過程將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算收斂。圖3為計(jì)算收斂的參差曲線圖。

圖3 參差曲線圖

2.1 攪拌釜內(nèi)壓力場(chǎng)分析

如圖4所示為不同轉(zhuǎn)速下攪拌釜橫截面壓力分布圖，從圖中可以看出當(dāng)攪拌槳攪拌速度為100 r/min時(shí)，整個(gè)反應(yīng)釜熔化液內(nèi)存在明顯的壓力梯度，從液面頂部至底部壓力逐漸降低，而當(dāng)攪拌速度達(dá)到200 r/min時(shí)，攪拌釜內(nèi)整體壓力明顯有所升高，但是壓力梯度不是很明顯，這說明壓力的分布更加均勻。而隨著攪拌速度的繼續(xù)升高，攪拌釜內(nèi)壓力梯度又開始上升，因此確定合適的攪拌速度為200 r/min。而以往同類反應(yīng)攪拌釜的攪拌轉(zhuǎn)速基本在300 r/min 以上[10]，才能滿足攪拌的需要。

2.2 攪拌釜內(nèi)速度場(chǎng)分析

圖4 不同轉(zhuǎn)速下攪拌釜橫截面壓力分布圖

由于增強(qiáng)顆粒是隨著氣體噴射進(jìn)入合金液中，進(jìn)而在攪拌槳作用下彌散于熔液中，因此進(jìn)口氣體速度對(duì)于成品質(zhì)量很重要，本文研究了三種進(jìn)口速度：0.7、1.0、1.2 m/s。從圖5 中可以看，出當(dāng)進(jìn)口速度較低時(shí)（0.7 m/s），噴出的氣體較為分散，而隨著進(jìn)口速度的增加，分散的氣流開始直接由出口帶著顆粒向著液面上方?jīng)_擊，可以看出，當(dāng)進(jìn)口速度達(dá)到1.2 m/s時(shí)，氣流基本直接向液面豎直沖擊，沒有明顯的彌散且沒有直接沖擊出液面，這樣基本滿足于高質(zhì)量鎂合金的制備條件。

圖5 不同進(jìn)口速度下攪拌釜內(nèi)速度場(chǎng)分布圖

3 結(jié) 論

根據(jù)以往顆粒增強(qiáng)半固態(tài)鎂合金攪拌釜存在的問題，設(shè)計(jì)出新型半固態(tài)鎂合金攪拌反應(yīng)釜，將顆粒通過高速氣流從底部直接帶入合金液中，從而避免了高速攪拌下外界空氣對(duì)于鎂合金的氧化。通過計(jì)算模擬得到最佳攪拌速度為200 r/min，最佳氣體進(jìn)口速度為1.2 m/s。