一種潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置設計研究

吳兆輝

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，汽車的輕量化對鋁合金的耐腐蝕、耐久性也有著更高的要求。市面上應用較多的鋁合金為鑄造鋁合金，通過鑄造可任意定型，不僅省時省料，縮短制造時間，廣泛用于汽車、航天及船舶領域[1]。鑄造類鋁合金，根據(jù)添加的稀有金屬元素不同，可分為鋁鋅合金、鋁鎂合金鋁稀土合金等。在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)使用條件來給鋁合金在熔煉過程中添加相應的稀土元素，比如發(fā)動機殼體、鋁合金輪轂等，使用環(huán)境較為惡劣，要求鋁合金不僅有較高的硬度和強度，同時也具備一定的韌性[2]。在鑄造這類鋁合金時要添加一些稀土和化學材料，同時還要求在熔煉攪拌過程中流場的速度分布、金相組織分散狀況、攪拌臨界轉速等指標數(shù)據(jù)測試，不斷完善和構建模型，達到模型構建接近實際使用的準確度。

攪拌裝置是鋁合金在熔煉過程不可少的一道關鍵工序，目前市面上的攪拌裝置很多是由上部電機，加上攪拌桿，攪拌桿底部嵌入攪拌槳組成[3]。這種裝置結構簡單，便于制造，但是在攪拌過程中，由于單個葉片攪拌水流會沿著圓通側壁流動，只有通過高轉速使水流高速流動，產(chǎn)生較大渦流時，才會獲得較好的攪拌效果。然而攪拌桿太長，而不能采用高轉速攪拌，因此，這種傳統(tǒng)的攪拌裝置僅用于對攪拌質量要求不高的場合。鑒于傳統(tǒng)攪拌裝置存在的不足，本項目設計一種潛入式攪拌裝置，采用雙電機設計方案，上部電機控制整個下潛裝置的緩慢旋轉，下潛電機控制兩個攪拌葉輪的旋轉。由于雙攪拌葉輪獨立旋轉，因此會產(chǎn)生兩個水流旋渦的形成，使溶液之間產(chǎn)生摩擦，由于攪拌桿很短，可實現(xiàn)高轉速的攪拌，而不必擔心溶液溢出裝置[4]。

1 潛入式鋁合金攪拌裝置的結構設計

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的結構如圖1（a）所示，由密封圈1、齒條2、頂端蓋板3、齒輪4、手柄5、圓柱桿6、電機7、減速器8、連接軸9、防水殼10、減速器11、防水電機12、攪拌桿13、攪拌葉輪14、支座腳15、下橫桿16、上橫桿17以及輸電線18組成。

圖1 潛入式攪拌裝置

頂端蓋板3為正方形結構，頂端蓋板3與四個支座腳15之間采用固定連接，四個支座腳15之間有橫向連桿四周固定連接，上橫桿17與橫向連接桿固定連接，下橫桿16與橫向連接桿連接。頂端蓋板3、上橫桿17和下橫桿16中間孔采用一體鉆孔成型，以保證同軸度。將圓柱桿6嵌入已經(jīng)加工好的孔內(nèi)，在配合時，圓柱桿6與上橫桿17中間的孔采用滑動軸承配合，滑動軸承的外圈與上橫桿17緊固配合，內(nèi)圈與圓柱桿6緊固配合。同樣，圓柱桿6與下橫桿16采用滑動軸承配合，滑動軸承的外圈與下橫桿16內(nèi)孔緊固配合，內(nèi)圈與圓柱桿6緊固配合。在圓柱桿6上端部分內(nèi)安裝齒條，并固定在圓柱桿6側面沿軸向放置。齒輪4和手柄5組成的支座安裝在上橫桿17上，齒輪4和齒條2嚙合。輸電線18從圓柱桿6頂部接入中間空心孔內(nèi)，與下面電機7連接，電機7從下端嵌入圓柱桿6內(nèi)部。電機7輸出軸與減速器8連接，減速器8的輸出軸采用加粗空管，與連接軸9固定連接。連接軸9下端與防水電機12固定密封連接。部分導電體從中間部分接入下端防水電機12內(nèi)，防水電機12采用雙輸出軸設計方案，兩端分別安裝有90°轉向減速器11，減速器11出口處做防水處理。減速器11輸出軸連接攪拌桿13，攪拌桿13與攪拌葉輪14固定連接。整個連接桿9下端連接機構均可以在液體下實現(xiàn)攪拌，且具有防水效果。

2 實施的方式

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的實施方式：將需要攪拌的物料溶液放入攪拌罐內(nèi)，旋轉手柄5，通過齒輪4和齒條2的嚙合帶動圓柱桿6上下移動到合適的位置。齒輪4和齒條2的升降機構自帶有鎖緊（即在齒輪4側面的輪齒上鑲嵌楔塊，阻止齒輪的轉動）。圓柱桿6沿著上橫桿17和下橫桿16中間孔軸心線上下移動，而滑動軸承可以確保圓柱桿6在工作中平穩(wěn)性，防止徑向竄動。與輸電線18連接的開關閉合，電線通電，電機7在減速器8的作用下做圓周緩慢轉動（轉速可根據(jù)攪拌要求調(diào)節(jié)快慢，由于是主驅動輸出軸，設置最大轉速不超過50 r/min）。減速器8輸出軸帶動與連接軸9固定的防水電機12同時旋轉，防水電機12在減速器11的兩側90°轉角側面輸出軸各連接攪拌葉輪14，在防水電機12的驅動下快速旋轉。由于攪拌桿13伸出長度短，在高速旋轉下不容易發(fā)生較大竄動現(xiàn)象。在電機7作用下做圓周緩慢轉動，防水電機12的作用下做快速的轉動，通過雙電機雙攪拌葉輪設計方案來實現(xiàn)高效攪拌。攪拌完成后，關停電源，旋轉手柄5，圓柱桿6上升抬起，完成整個攪拌過程。

在電機7采用順時針旋轉的情況下，根據(jù)實際的攪拌需要，攪拌葉輪14的旋轉方向可以有三種組合方式，如圖2（a）所示攪拌葉輪相向轉動，防水電機12的雙輸出軸，左邊輸出軸為順時針旋轉，右邊輸出軸逆時針旋轉，兩端分別安裝有90°轉向減速器11，減速器11輸出軸連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動攪拌葉輪14旋轉。左右葉輪旋轉方向相向進行，當兩個葉輪經(jīng)過的區(qū)域，溶體被吸入并向兩個攪拌葉片14中間向后流過。這種攪拌方式適合轉速不高，且要求攪拌均勻的場合。

如圖2（b）所示攪拌葉輪順時針轉動，防水電機12的雙輸出軸，左邊輸出軸為順時針旋轉，右邊輸出軸順時針旋轉，兩端同樣安裝有90°轉向減速器11，減速器11連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動攪拌葉輪14旋轉。由于兩個葉輪的方向都是順時針旋轉，在電機7同樣是順時針旋轉的情況下，兩個攪拌葉片14在較高轉速下可避免與電機7轉動而產(chǎn)生渦流，這種模式不適合葉片低轉速攪拌。

如圖2（c）所示攪拌葉輪逆時針轉動，防水電機12的雙輸出軸，左邊輸出軸為逆時針旋轉，右邊輸出軸逆時針旋轉，兩端同樣是減速器11連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動攪拌葉輪14逆時針旋轉，由于攪拌葉片14和電機7旋轉方向相反，因此在低速和高速模式下，均可以獲得較好的攪拌效果。

圖2 攪拌葉輪旋轉方向

3 攪拌裝置的可行性分析

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的設計方案如圖1所示，支座上上橫桿和下橫桿中間嵌入圓柱升降桿，為了保證圓柱升降桿上下運動的平穩(wěn)性，擬采用滑動導軌的設計方案。圓柱升降桿中間采用空心結構，為了確保升降桿的穩(wěn)定性，管內(nèi)孔設計尺寸較小，能通過導線和傳入惰性氣體便可。設計利用齒輪齒條結構可以調(diào)節(jié)升降桿的上下移動，裝置采用手柄設計，是在實驗中使用，以檢驗裝內(nèi)溶體的量調(diào)節(jié)高度[5]。

目前采用石墨作為攪拌葉輪材料，而石墨材料穩(wěn)定性溫度在300～700℃之間，比較適宜做鋁合金溶體攪拌的材料。電機安裝裝置中，一個電機安裝在在溶體上，另外一個電機放在溶體下。對在溶體內(nèi)的電機的密封及耐高溫做進一步的驗證，電機完全嵌入熔體中，不僅對密封有較高要求，且對耐高溫有一定的要求。目前市面上已經(jīng)有耐高溫耐輻射電機和高溫步進電機，采用特種材料制作而成，最高溫度可以到達300～500℃，真空度優(yōu)于10-7Pa，可完全滿足本實驗裝置的要求[6]。

為了熔煉攪拌出組分均勻分布的鋁合金原材料，本項目擬對攪拌石墨轉子結構做進一步改進，采用雙十字葉片設計，葉片采用石墨材料，在攪拌過程中產(chǎn)生兩個對應的渦流，相互作用下，不會產(chǎn)生較大的漩渦，在這種新型葉輪的攪拌混合作用下，可改善鋁合金組分均勻混合的效果。

4 結語

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置電機直接傳遞動力給下端的葉片，可以提高旋轉的速度。高的速度容易產(chǎn)生較大的漩渦，靠近中心漩渦流動速度快，容器壁上的溶體流動速度慢，同樣會導致攪拌的不均勻。因此采用雙十字石墨攪拌葉輪設計方案，將原本一個大的渦流分散為兩個渦流，減小單個漩渦的有效半徑，使溶體在流動過程中更加均勻。由于是雙十字葉輪設計，周邊的溶體也會有分布不均的情況出現(xiàn)，在圓柱桿6上安裝主電機，進行緩慢的圓周旋轉，擬帶動下端的雙十字進行圓周轉動，對于添加了合金元素的鋁合金溶體，可確保合金元素在攪拌過程中的均勻分布，提高鋁合金的綜合性能。