（机械设计及理论专业论文）镁合金保护气体流场模拟与控制系统研究.pdf

浙江t 业人学硕士学位论文 镁合金保护气体流场模拟与控制系统研究 摘要 镁及镁合金以其低密度、高比强度、高比刚度等优异的性能被广泛地应用于航空航天、 汽车制造等领域。由于镁合金易于氧化燃烧，使得镁合金气体保护技术成为镁合金应用的 关键技术之一。纵观镁合金保护气体的研究现状，大部分集中在保护机理方面，而关于保 护气体在镁合金熔炉内的流场特性及在此基础上的装置研究还很不成熟。本文研究了镁合 金熔炉内保护气体的流场特性，并针对熔炼工艺设计了保护气体的控制系统，研究内容具 有重要的理论价值和实际意义。 论文分析了保护气体在镁合金熔炉内的流动过程，建立了镁合金熔炉内保护气体湍流 流动的数学模型，应用f l u e n t 流体计算软件进行了数值模拟。使用有限容积法对控制方 程进行离散，然后用s i m p l e 算法求解，进而分析了工艺参数( 入口速度、入口浓度) 和 工况( 镁液温度、镁液高度) 对保护气体流场的影响。使用t e c p l o t 软件将数值模拟得 到的计算结果用图像表述出来，从而更为直观地表现出保护气体在熔炉内的流场及分布状 况，实现计算结果的可视化。模拟结果表明：保护气体的入口流速应该控制在一定范围内， 若流速太小，保护气体受热浮力作用发生上浮现象，若流速太大，会造成保护气体在镁液 上方分布不均。调节保护气体的入口浓度能够有效调节保护气体的有效成分在镁液上方的 含量。当工况发生变化时，改变工艺参数能够获得很好的保护效果。 针对保护气体在镁液上方分布不均的现象，提出了利用多孔分流器来优化保护气体流 场。采用理论分析和计算流体动力学分析相结合的方法，得出了多孔分流器各孔口流量分 配规律，为多孔分流器的改进打下了基础。研究表明：通过增大多孔分流器主管直径，有 效降低了保护气体在分流器内的压降，从而提高了多孔分流器孔口出流的均匀性。 为了确保保护气体流量的稳定性及良好的系统性能，设计了以p l c 为核心控制单元、 触摸屏为人机交流平台的保护气体自控整体方案。以质量流量控制器为测控器件，实现了 对保护气体流量及浓度的精确控制。 关键词：镁合金，保护气体，数值模拟，多孔分流器，p l c i t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o na n d r e s e a r c h o nco n t r o ls y s t e mo fs h i e l d i n gg a sf o r m a g n es i u ma l l o y a b s t r a c t m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e di ns p a c e f l i g h ta n da u t o m o b i l e m a k i n gf o ri t se x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c ha sl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dh i g hs p e c i f i c r i g i d i t y d u et ot h e i rc h e m i c a la c t i v en a t u r e ，m ga l l o y sa r ep r o n et oo x i d a t i o na n di g n i t i o n t h e r e f o r e ，t h et e c h n i q u eo fg a sp r o t e c t e dm e l t i n gb e c o m ep a r to ft h ek e yt e c h n i q u e si nm g p r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n i nt e r m so ft h ep r e s e n td e v e l o p i n ga n dr e s e a r c hc o n d i t i o n so f s h i e l d i n gg a sf o rm a g n e s i u ma l l o y s ，m o s to ft h ef o c u si sc o n c e n t r a t e do np r o t e c t i v em e c h a n i s m w h e r e a s ，i ti sn o tv e r ym a t u r ei nt e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so nf l o wf i e l do fs h i e l d i n gg a si n m a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c ea n dt h ea p p a r a t u sf o rt h es h i e l d i n gg a s t h i sw o r ki si n v o l v e d i nt h ec h a r a c t e r i s t i c so nf l o wf i e l do fs h i e l d i n gg a si nm a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c ea n dt h e c o n t r o ls y s t e ma p p a r a t u si sd e s i g nb a s eo nt h em e l t i n gp r o c e s s i nt h i sw o r k ，s h i e l d i n gg a sf l o wp r o c e s si nm a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c ei sa n a l y z e d w i t ht h ea i do ft h es o f t w a r e - - - f l u e n t , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft u r b u l e n tf l o wi nt h e m a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c ei se s t a b l i s h e d t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sa r es o l v e dw i t h s i m p l e a l g o r i t h mi nf i n i t ev o l u m ew a y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h ec o m p o n e n to ff l o wf i e l da r ed i s c u s s e ds u c ha sp r o c e s s p a r a m e t e r s ( e g i n l e tv e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o nr a t i o ) a n dw o r k i n g c o n d i t i o n ( e g t h et e m p e r a t u r eo fm o l t e nm a g n e s i u ma l l o y , t h e l i q u i dh e i g h t ) t h er e s u l t sa r ed i s p l a y e db yt e c p l o t , s ot h ef l o wf i e l d sa n dg a sd i s t r i b u t i o na r e s h o w e dd i r e c t l yt or e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no ft h ec a l c u l a t i o n s t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t et h a ti n l e tv e l o c i t ys h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i nc e r t a i nr a n g e ，t h e r i s i n g p h e n o m e n o nw i l lo c c u r r e dd u et ot h eb u o y a n c yf o r c ei ft h ei n l e tv e l o c i t yw a st o os m a l la n dt h e p h e n o m e n o no fb n e v e nd i s t r i b u t i o na b o v et h em a g n e s i u ma l l o ym o l t e ns u r f a c ew i l lo c c u r r e d w h e nt h ei n l e tv e l o c i t yw a st o oh i g h t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ee f f e c t i v ec o m p o n e n ta b o v et h e 浙江工业大学硕上学位论文 m a g n e s i u ma l l o ym o l t e ns u r f a c ec a l lc h a n g ea l o n gw i t ht h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n g o o dp r o t e c t i v e e f f e c tc a nb eo b t a i n e db yc h a n g i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw h e nt h ew o r k i n gc o n d i t i o ni s c h a n g e d a i m i n ga tt h ep h e n o m e n o no fu n e v e nd i s t r i b u t i o na b o v et h em a g n e s i u ma l l o ym o l t e n s u r f a c e ，t h ea p p a r a t u so fm u l t i h o l ed i v e r t e ri sp u tf o r w a r d i ta d o p t e st h e o r e t i c a lm o d e la n df i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa c h i e v et h ed i s t r i b u t i o no fm u l t i h o l ed i v e r t e ra n dt h ep r e m i s e s f o ru n i f o r md i s t r i b u t i o no ff l o w r e s e a r c hs h o w st h a tt h ep r e s s u r ed r o po ft h es h i e l d i n gg a si nt h e m u l t i h o l ec a nb er e d u c e db yi n c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro fm u l t i h o l em a i np i p e ，a n dt h eo u t f l o w u n i f o r m i t yi si m p r o v e de f f e c t i v e l y t h es t e a d yo fg a sf l o wa n dg o o ds y s t e mp e r f o r m a n c ea r ev e r yi m p o r t a n td u r i n gt h e m a g n e s i u ma l l o y sm e l t i n gp r o c e s s ar e a s o n a b l es c h e m ei sd e s i g n e db yu s i n gp l ca n d t o u c h s c r e e na st h ec o r eo fc o n t r o lu n i t t h ea c c u r a t ec o n t r o lo ff l o wi sa c h i e v e db ya d o p t i n g m a s sf l o wc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , s h i e l d i n gg a s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m u l t i h o l e ，p l c 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者硌互群瑶、日期：带如加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：冲 醐：刁年 sa 孓黾 厂月刊6 日 瑶够罐池 聪面 子一穿 名名登釜者雁怍导 浙i 业 学碗：i 学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着人类文明的快速进步，金属材料的消耗与日俱增，金属矿产资源逐渐趋于枯竭。 镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿的资源台量为23 ，位居常用金属 的第3 位。中国是镁资源大国储量居世界首位，已探明的菱镁矿石为3 0 0 9 亿吨，约占 世界探明储量的1 4 ”，在我国发展镁产业具有明显的资源优势。 与其他余属相比，镁及其台金具有一系列的优点。重量轻。镁合金比铝合金轻1 ，3 ， 比钢轻7 7 ，为常用结构金属材料中最轻。比强度高、刚性强。同等形状下，镁合会制 品之刚性为塑料的l o 倍以上。耐冲撞、阻尼吸震性能极佳。镁合命抵抗震动及降低噪 音的性能为铝台金的1 0 5 0 倍。散热性佳。其热传导系数为塑料的1 5 0 倍以上。较强 的防电磁波干扰性能。可完全回收再利用，属于理想的绿色环保材料。基于这些优异的 性能特点，镁台盒应用领域广阔，主要集中在航空航天、交通工具，电子产品这三大领域。 表1 - 1 是三大领域中常用的典型零部件。 表1 - 1 镁台金的应蜊1 2 领域典型零部什部件示例 航字航天 件，e 机着落轮等_ 镁湍发 删” 仪表盘基庵、座位框架、方向盘骨、发动机阀 镬台金汽车 交通：= _ 县 方向盘 盖、变速箱壳体、进气歧管、汽车车身 手机，笔记本电脑、m p 3 插放器、 - 镁台金 电子产品 il手机外壳 p d a ( 掌上电脑) 正是由于镁合金的诱人特性和应用潜力，国内外研究机构近年来均在镁及镁合令的研 究上倾注了大量的人力和财力。美国、只本、德国、澳大利亚等国把镁原料作为2 1 世纪 的重要战略资源，相继出台了各自的镁研究计划，加强了镁合金在汽车、计算机，通讯及航 浙江工业人学硕上学位论文 天等领域的应用开发研究【4 ，5 1 。我国科技部也在“十五 国家科技攻关计划中启动了“镁合 金应用开发与产业化”重大项目【6 】，使我国镁产业技术水平得以提升，镁产业结构也由原 来的以原镁出口为主的初级原料出口工业向包括深加工、装备和应用在内的多元化高级工 业转移。 工业镁合金按生产工艺可以分为铸造镁合金和变形镁合金，其中铸造镁合金约占镁合 金总量的9 0 以上【i 】。镁合金熔炼设备是镁合金铸造设备中必不可少的一部分，与其它金 属的熔炼设备相比，镁合金的熔炼设备相对来说比较复杂，这是由于镁合金本身的物理化 学特性决定的。镁合金化学性质活泼，在熔炼高温下会发生剧烈氧化。在温度为4 5 0 以 上时，镁的氧化开始加剧。超过熔点后，其氧化速度激增。如果熔体表面不进行保护，在 接近8 0 0 。c 时，镁液会很快氧化燃烧，放出大量的热量，从而造成镁液烧损、合金氧化夹 杂严重甚至燃烧爆炸。据日本方面统计，镁合金压铸件生产过程中，熔炼引发的危险占 2 5 【7 】。1 9 9 9 年至2 0 0 1 年间，陕西西北林机厂采用老式普通冷室压铸机和土法简易熔炉生 产镁合金壳体，多次发生重大安全事故【l 】。因此，在镁合金熔炼铸造过程中，一定要配备 防止镁合金燃烧的相关装置。目前一般可采用三种方法对熔体进行保护：熔剂阻燃、添加 合金元素阻燃和气体保护阻燃。 国内外高品质镁合金及其制品的生产都倾向于采用气体保护熔炼，其原理是在镁合金 液的表面覆盖一层惰性气体或者能与镁反应生成致密氧化膜的气体，从而隔绝空气中的氧 气【8 】。常用的镁合金保护气体为s 0 2 、c 0 2 和s f 6 。现代镁生产工业中，9 0 是以六氟化硫 ( s f 6 ) 作为防护性气体( 9 1 。采用s f 6 保护气体熔炼时，可以减少金属烧损、稀土金属损失、 电能源消耗和熔炼时间，具体如表l - 2 所示。但它只能维持几分钟，故气体需要不问断地 供应。 表1 2保护气体介质熔炼的技术经济指标1 0 1 序号1 吨合格铸件指标熔剂熔炼 保护气体熔炼效果 1 液体合金消耗，t 5 04 5 降低1 0 2坩埚剩余量，1 5 2 05 i o 降低1 1 2 1 3 3 熔炼合金烧损，2 5 3 52 o 3 o降低1 0 - 2 0 4 熔炼天然气消耗，m 3 1 0 0 0 08 0 0 0 降低2 0 5 熔炼电消耗，k w h5 0 0 04 0 0 0降低2 0 2 浙江工业大学硕上学位论文 尽管s f 6 具有易用、无毒及无腐蚀的优越性能，但是根据联合国政府间气候变化协调 组织( i p c c ) 的计算结果【1 1 】，s f 6 气体在1 0 0 年之内的温室效应是c 0 2 的2 3 9 0 0 倍，也就 是说，l k gs f 6 的温室效应大约相当于2 4 吨c 0 2 。在日益关注环境的今天，如何减少s f 6 的消耗成为镁工业中最为关键的课题。 1 2 国内外研究现状 针对s f 6 气体温室效应严重的问题，目前国内外对于保护气体的研究主要集中在两个 方面：一方面，积极研究新型的镁合金保护气体。目前j 下在被国际镁协会评估其保护效果 及环境负荷的三种替代物是：a m c o v 矗m ( h f c 1 3 4 a ) ，h f e 7 1 0 0 ( c 4 f 9 o c h 3 ) 和 n o v e c t m 6 1 2 ( c 3 f 7 c o c 2 f 5 ) 1 2 】，前者由澳大利亚c a s t 研究中心发明，后两者由3 m 公司发 明。另一方面，努力改进熔炼设备和供气系统，以减少s f 6 的消耗和逸散。事实上，从物 理和化学两个层面的剖析可知，这两个方面可以有机地统一为一体。新型保护气体对镁液 的保护机理与s f 6 类似，s 。p c a s h i o n t 1 通过实验证明，保护气体中的f 元素是使镁熔液表 面形成有效保护膜的关键元素。因此，研究s f 6 保护气体在镁合金熔炉内的流场特性，并 在此基础上研究保护气体的供气系统对其它新型保护气体来说同样具有重要的意义。 1 2 1s f 6 气体保护研究 1 9 3 4 年，r e i m e r s 在专利中将s f 6 气体列为2 6 种可以阻止镁燃烧的气体之一，但是一 直没有引起足够的重视。2 0 世纪7 0 年代中期，美国的密西根大学发明了s f 6 与空气混合 的气体保护工艺，s f 6 连同空气一起作用于合金液表面，生成很薄、很致密的一层保护性 膜，其反应式为f 1 4 】： 2 m g + o z = 2 m g o 2 m g + 0 2 + s f 6 = 2 m g f 2 ( s ) s 0 2 f 2 2 m g o + s f 6 = 2 m g f 2 ( s ) 8 0 2 f 2 通过对表面膜的分析1 6 1 7 1 ，大多数物质为m g o ( s ) ，也有少量的m g f 2 。根据反应 式可以将保护过程描述为：首先在镁液表面，m g 与0 反应生成m g o ，进一步m g 与s f 6 反应生成m g f 2 。m g o 与m g f 2 结合形成的薄膜是具有金属色泽、致密、连续的保护膜， 以此来阻止镁合金液的进一步氧化。 单纯的s f 6 覆盖保护作用维持时间不长，而且成本也高，因此一般在s f 6 气体中混合 空气和其它气体，如干燥的c 0 2 ，这些气体被称为载流气体。目前工业领域中广泛使用特 1 浙江工业大学硕上学位论文 定配比的干燥的s f 6 和n 2 混合气体，在镁合金熔液表面形成致密的保护膜【1 3 】。s f 6 保护效 果和气体消耗量受各种因素的影响，表1 3 为熔体的保护效果与气体组分、镁合金液有无 搅拌及有无残留熔剂的关系。随着熔体处理温度升高，s f 6 的消耗量增大。此外合金液表 面搅拌及残留熔剂也会影响s f 6 的使用效果。混合气体中s f 6 这一组元是极微量的，研究 表明 1 9 2 0 】：在混合气体中s f 6 的体积分数达到0 0 1 就足以使镁液表面形成良好的保护膜。 在熔炼过程中要严格控制s f 6 的体积分数，当浓度小于0 0 5 或大于o 7 时【2 l 】，镁液的氧 化会加重。而且，当s f 6 的用量超过一定值时，还会加速钢制坩埚的腐蚀【2 2 1 ，一般可将浓 度控制在0 1 o 4 之问，精确控制保护气体的混合浓度对熔炼过程的安全性及设备的寿 命具有很大的影响。 表1 - 3 压铸镁合金s f 6 用量与保护状况关系【2 1 】 熔体温度* c表面扰动情况覆盖剂污染情况混合气体配比 6 5 0 7 0 5 无无空气+ o 1 s f 6 6 5 0 7 0 5有无空气+ 0 2s f 6 6 5 0 7 0 5 有有7 5 空气+ 2 5 c 0 2 + 0 2s f 6 7 0 5 7 6 0有无 5 0 空气+ 5 0 c 0 2 + 0 3s f 6 7 0 5 7 6 0有 有5 0 空气+ 5 0 c 0 2 + o 。3s f 6 在镁合金的熔炼温度下，s f 6 会发生缓慢的分解，形成s 0 2 ，h f ，s f 4 等有毒气体【2 3 1 。 这些分解产物与少量未反应的s f 6 排到大气中，严重危害人体健康。针对废气的处理，美 国的a i rl i q u i d e 2 4 】公司开发了一种回收s f 6 的方法。这种方法是把用后的含s f 6 混合气体 回收，分离出s f 6 ，再循环使用，使s f 6 不失散到大气中。这种方法的原理是：利用聚合 物薄膜对空气中不同气体的透过能力不同的特性。这种聚合物膜在多年之前就己用于石油 化工业，用来从混合气体中分离氢和二氧化碳，现在又用于制取低成本氮气。公司已研制 出成套设备，来回收s f 6 ，目前j 下试用于半导体制造业。赵伦等【25 】根据废气和废渣的成分 组成及性质，设计了水溶液吸收废气工艺，在镁及镁合金熔炼或加工设备上方安置一喇叭 口型引风口，该工艺有效减少了废气的排放。 4 浙江工业大学硕， ：学位论文 1 2 2 保护气体流场的研究 在镁合金熔炼过程中，坩埚内镁液的高温引起液面上气体热对流，保护气体不易吹到 液面，s f 6 也被不断带离镁液表面，实际到达镁液表面的s f 6 比供气的量要少得多【2 4 1 。为 了精确控制s f 6 用量，尽量节省使用，可以采用气相色谱仪连续或定期测定镁合金液表面 的s f 6 的确切含量【2 6 1 。另外，为了得到良好的保护效果，保护气体的进气管和喷嘴的设置 应当使气体直接、均匀地吹到镁液的整个表面。由此可见，深入了解保护气体在镁合金熔 炉内的流动特性对于保护气体的消耗量及使用效果具有非常重要的意义。 对于气体流场特性的研究，很多研究学者采用了数值模拟的方法。李惟毅等【2 7 】在实验 研究的基础上，对玻璃锡槽中保护性气体流场和温度场做数值模拟，并进行定量分析和研 究。应用k 一占方程模型对锡槽上部空间气体的速度场和温度场进行湍流模拟计算，通过计 算得到三维流动特性。张西和等【2 8 】利用动网格技术和流体力学的基本原理，计算机模拟罩 式炉内保护气体的流场分布，得到了风机进出口气体的压力与风机转速呈二次方关系，与 理论公式一致，并进一步模拟出保护气体的流速沿高度方向的衰减特性。樊丁掣2 9 】对g t a 焊接时保护气流流场进行了数值分析，针对不同直径的套筒建立了三维稳态的对称模型， 研究了套筒的保护气体的流体流动，计算了速度场的分布情况。通过计算得到不同直径套 筒下的流体速度轮廓、速度矢量和保护气体在试板表面速度分布，得出了套筒直径设计最 佳取值范围。张安峰等【3 0 】采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴的内外流场进行了数 值模拟，计算了粉末的流场浓度分布规律及汇聚特性，结果表明同轴送粉喷嘴的焦点浓度 在径向和轴向都近似服从高斯分布，在其它条件不变时，当外出保护气体流速为6 m s 时， 同轴送粉喷嘴粉末的汇聚特性最佳。h o n gw a n g 等【3 l 】针对激光深熔焊过程中保护区特征尺 寸建立了保护气体、小孔喷发烟流和空气组成的组分模型，模拟了组分气体的质量分数和 流场。研究给出了氩气保护区和氦气保护区随侧吹气流参数改变的变化规律，氩保护气体 的特征尺寸比氦保护气体大，侧吹气流的角度越小、流量越大，越能获得好的保护效果。 gc a m p a n a 等【3 2 】针对保护气体在轻质合金的熔焊区的分布和流场，采用c f d 方法来研究 隔离室高度、入口流速和入射角度的关系。研究表明，变量中存在一个特定值使得保护气 体能够在熔焊区的上方达到最优分布。 采用数值模拟的方法是较为合理和有效的手段，但为确保其可靠性，很多学者还设计 了一定的验证实验。杨楠掣3 3 】建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体金属粉木两相流场 计算模型，应用f l u e n t 软件分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规 律，以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。在相同的工艺参数下，应用数字粒子图像 浙江工业人学硕士学位论文 测速( d p i v ) 技术对同一流场进行检测，计算值和测量值吻合较好。李珊红等【3 4 】针对燃煤 锅炉的烟尘和二氧化硫等有害气体的污染问题，研发出一种新型伞型洗涤器。利用c f d 模 拟和p i v 实验方法对其气相流场进行研究。压降模拟值在2 2 0 - 4 8 0 p a 之间，测试值在 2 0 4 6 8 0 p a 之间。流场的c f d 模拟和p i v 测试结果显示：气体绕过伞形罩是湍流剧烈，在 其周围形成多个小漩涡，增加了接触面积，延长了停留时间，有利于分离净化。程易等【3 5 】 利用计算流体力学( c f d ) 手段与无干扰流场测试技术粒子图像测速仪( p i v ) 研究 了不同气体错流混合区的结构设计对混合区的影响。表明较大的气流动量比、窄射流狭缝 宽度和接近9 0 。的射流能获得更好的混合速度分布。 由此可见，采用计算流体动力学( c f d ) 方法对流体流动进行数值模拟能够获得与实 验相近的结果。镁合金熔炉内的保护气体处于高温及封闭的气氛下，在这种情况下，要想 通过实验的方法来研究保护气体的流场特性是非常困难的。而计算流体动力学( c f d ) 方 法以其可靠性高的特点应用于流体流动、热交换、分子输运等领域，采用该方法来研究镁 合金熔炉内保护气体的流场无疑是一个很好的选择。 研究保护气体在镁合金熔炉内的流场特性，并得出保护气体的分布规律为流场的优化 设计奠定了基础。“优化保护气体的供气系统，使气体在镁液表面分布更合理，更有效”【2 4 】 是国际镁学会提出的减少s f 6 消耗的四项措施之一。保护气体在镁合金熔炉内的流场优化 对于减少保护气体的消耗量具有非常重要的作用。美国a i rp r o d u c t sa n dc h e m i c a l si n c 【3 6 3 7 】 在传统s p a l ( 液体惰性气体保护法) 的基础上进行改进，用一种独特的喷头将液氩或液 氮喷射成雾状，形成均匀的圆锥形旋转气雾，笼罩在熔池上方，避免了液氩或液氮聚集， 不但提高了惰性气体的利用率，减少耗气量，也防止了爆炸的危险。重庆硕龙科技有限公 司【3 8 】在镁合金在炉盖和坩埚之间设计了“保护气体分布器9 9 9 保护气体通过耐腐蚀的柔性 管线输入“保护气体分布器”，然后通过该装置均匀、稳定地分布到镁合金熔池上方，对 整个熔池起到保护作用。但是对该装置未给出具体的结构，也没有进行深入研究。 目前针对镁合金熔炉的保护气体分布器的理论研究还非常少，更多的还是凭经验设 计。在流体均布问题上，其它领域给出了很好的借鉴。魏星等【3 9 】根据拟建的循环流化床脱 硫塔实际结构和运行参数，通过数值模拟方法对塔内气固两相流场进行了模拟，发现和揭 示了塔内流场所存在的不均匀性。通过改变文丘早管直径、加装直导流板或弯曲导流板使 流场调节均匀，达到了理想状态。张吕鸿等【4 0 】对双切向环流气体分布器内不同环形通道宽 度下的流场分布进行了数值模拟。得到了在既定塔径下分布器性能达到最优时l 的尺寸， 分析得出使分布器压降最小，流场分布最优时挡板的结构参数。艾明香等【4 1 】利用计算流体 6 浙江- t 业大学硕士学位论文 力学软件，对隧道窑冷却带内气体流场进行了三维数值模拟，研究喷嘴的数量和布置方式 对窑内气体流动的影响。研究得出，上排喷嘴靠近窑顶，下排喷嘴靠近窑车台面；当维持 喷入总风量和喷嘴喷出速度不变时，喷嘴个数应有一定范围，不能太多；上排喷嘴和下排 喷嘴应对称安装。通过分析可以看出，通过加装一个气体均布结构，能够有效改善流场。 1 2 3 镁合金保护气体自动化控制 p l c 可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采 用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运 算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种生产机械或过程。近年 来，p l c 的发展非常迅速，其功能已远远超出上述定义范围【4 2 , 4 3 】。 p l c 控制技术具有如下特点： ( 1 ) 可靠性高：采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成。p l c 选用的电子器件为工业级或军用级，平均无故障时间很长； ( 2 ) 环境实用性强：p l c 可用于十分恶劣的工业现场。在电源瞬间断电情况下仍可 正常工作，具有很强的抗电磁干扰能力。在环境温度- - 2 0 6 5 、相对湿度3 5 8 5 情况 下可正常工作； ( 3 ) 灵活通用：p l c 产品系列化，在机型上有很大选择余地，也可选择不同类型的 输入输出模块组成不同硬件结构的控制装置，而且在应用程序的编制上也有很大的灵活 性； ( 4 ) 使用方便、维护简单：p l c 控制的输入、输出及特殊功能模块可即插即用。对 于逻辑信号，输入和输出均采用开关方式，不需要电平转换和驱动放大；对于模拟信号， 输入和输出均采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。 镁合金熔炼过程中，混合保护气体的流量和配比有非常严格的要求，若有效气体浓度 过低，则起不到阻止镁氧化的作用，而当有效气体浓度过高则会对坩埚造成破坏。不同工 况下，镁合金保护气体的消耗量不同，这就增加了镁合金保护气体配比的复杂性。 德国史杰克( s t r i k o ) 公司的保护气体混合装置为平衡阀结构，该结构利用两个流量计 分别控制氮气和s f 6 的流量，然后混合输出，由于氮气用量远大于s f 6 的用量，所以两个 流量计的输入端始终有差别，流量计控制精度不能很高，特别是s f 6 的量不能精确控制， 经常造成坩埚的腐蚀。奥地利劳和公司的保护气体混合装置为平衡阀结构，该结构在流量 计前放置一个压力平衡阀，该阀具有压力平衡功能，氮气和s f 6 气体同时通过该阀时，如 7 浙江工业大学硕士学位论文 果某一个气体压力高，该阀将调整该气体进入量使之降低，最后输出压力相同的两路气体。 由于压力相同，再利用流量计进行流量控制混合，便比较容易而且准确了。但该气体平衡 阀属专利产品，价格较高，同时该阀为机械结构，靠弹簧和橡皮薄膜来实现气体流量调节， 没有安全的检测措施，无法确定其气体压力平衡控制的准确性。 清华大学李培杰等【4 4 】针对以上两种典型的系统的缺点，做了相关改进，设计了如图 1 1 a 的保护气体系统，使得混气配比控制精度和控制系统的自动化程度得到了提高，但是 该系统仍然存在着很大的隐患，其混气输出管只有一路，当用于双室熔炉时，对输入熔化 室和保温室的流量不能单独控制，保护作用大打折扣。 郑笑慰等【4 5 】采用双路冗余气体混合保护系统，如图1 1 b 所示，气体混合保护系统由 n 2 气路、s f 6 气路及其冗余气路、储能罐和紧急备用气体气路组成。其中n 2 气路和s f 6 气 路由通气管路、电磁阀、质量流量控制器、稳压阀和压力传感器组成，由p l c 及计算机精 确监控各个工艺参数。该系统有两路分别提供熔化室和保温室的镁液保护，但是这两路保 护气体由同一个储能罐提供，保护气体浓度是相同的。实际生产中，保温室和熔化室的镁 液温度和工况会有所不同，需要保护气体的浓度也有所差别，这就使得该系统的应用受到 一定的限制。 i 盒未嗍 内 茳 日一 n 尚。 藏曩 鼯l 跫滓三一鼎锻卜卜】 叫= ) 囊啼 - u l r 1 瞩嚣 - 亡- 王l 旷酉口口口 图1 1 a 装置1图1 1 b 装置2 图1 1保护气体装置示意图 目前保护气体载流气体普遍采用瓶装气源，针对瓶装n 2 成本高、运输压力大的问题， 重庆大学正在开发镁合金专用膜制氮技术，曹风红等4 6 1 利用中空纤维膜分离技术来在线制 浙江工业大学硕士学位论文 取氮气作载流气体，该中空纤维膜是由高分子材料复合而成，对气体具有选择渗透性。混 合气体在膜两侧压力差作用下，“快气 ( 氧气、水蒸气) ，被富集在低压侧，“慢气”氮气 被富集在高压侧，从而实现氮气、氧气的分离，得到干燥且符合镁合金熔炼保护纯度要求 的氮气。重庆大学游国强【4 7 】研发了在线发生的载流气体，其原理是将碳粉与干燥洁净的空 气按比例、连续定量地加入到保持在一定温度的反应器中，进行持续稳定的氧化燃烧，将 0 2 消耗掉、转化为c 0 2 ，从而获得以n 2 和c 0 2 为主要成分的混合气体，用作镁合金阻燃 保护的载流气体。该气体生成系统目前处于实验室环境研究阶段，应用到工业环境中还有 待进一步测试和验证。 1 3 本文的主要研究内容 镁合金熔炉气体保护熔炼技术的研究探索与实践工作已经取得了一定的成绩，在气 体保护机理、保护气体装置等方面获得了一些有价值的结论。然而，当前的研究也存在如 下一些不足之处： ( 1 ) 缺乏对流场特性的研究 当前关于保护气体的研究主要针对保护机理丌展工作，而保护气体在镁合金熔炉内的 流动特性不仅关系镁合会的保护效果，对保护气体消耗量、熔炉运行稳定性等均有一定程 度的影响，但在相关的研究工作中并没有获得充分的重视，尤其在理论体系和计算模型方 面尚存在一定的空白； ( 2 ) 缺少有效的流场均匀化设计方案 保护气体均匀化装置的设计工作主要凭借经验，由于没有可以参考的理论体系和设计 方法，在有效性和设计周期等方面存在缺陷，不能满足铸造镁合金产业r 益发展的需求； ( 3 ) 还没有一套很完善的保护气体供气系统 我国对镁合金气体保护混气装置的研究还处于初级阶段，目前装置还有很多不完善的 地方，生产过程中导致气体的浪费、坩埚的腐蚀，从而带来了严重的环境问题与安全隐患。 针对上述问题，确定本文的主要研究内容： ( 1 ) 建立镁合金熔炉内保护气体流动的计算模型； ( 2 ) 分析不同的保护气体工艺参数( 气体流量、混合浓度) 对熔炉内气体流场及分 布的影响； ( 3 ) 分析不同的熔炼条件( 镁液温度、镁液高度) 对熔炉内气体流场及分布的影响； ( 4 ) 对熔炉内保护气体的流场进行优化，设计保护气体分流器，并对分流器进行分 q 浙江工业大学硕士学位论文 析改进； ( 5 ) 设计保护气体的供气装置，并针对镁合金熔炼工艺特点研究供气装置的控制系 统，设计具体的控制方案。 1 4 本章小结 本章阐述了镁合金的应用前景及熔炼特性，分析了国内外镁合金气体保护熔炼的研究 现状，总结了保护气体研究中存在的不足。针对研究中的不足，提出了课题的研究内容与 研究方法。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第二章镁合金熔炉内保护气体流场模拟的基本理论 2 1 课题研究对象 本文以双室电坩埚镁合金熔炉为研究对象，其具体结构见图2 1 。这种熔炉由熔化室 和保温室两室构成，两室用隔板隔开。镁锭由投料口进入熔化室，熔化炉中的镁合金熔体 通过隔板下面的过滤器导入到保温室中，保温室中的镁合金熔体则通过定量泵进行浇注。 这种机构的最大优点在于熔炼过程中因加人镁锭而引起的温度波动和绝大多数的夹渣都 只在熔化炉中发生。熔化室和保温室各有一个保护气体入口，当坩埚内温度到达3 5 0 时 就开始导入保护气体。熔炉的主要技术参数见表2 1 。 坩埚加热元件保温层 炉壁 图2 1 镁合金熔炉结构示意图 表2 1 镁合金熔炉的技术参数 序号名称技术参数单位 l 坩埚容量 1 5 0 k g 2 熔化率 6 0 8 0 k g h 3功率 3 6k w 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 熔炉内保护气体的基本控制方程 保护气体在镁合金熔炉内的流动受质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的支 配。炉内气体流动需遵循的基本控制方程如下【4 8 】： ( 1 ) 连续方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 塑+ 刿+ 刿+ 刿：o( 2 1 ) o to x a y 出 连续方程又称为质量守恒方程，可阐述为：单位时间内流体微元体中，质量的增加， 等于同一时间间隔流入微元体的净质量。式中p 是密度，t 是时间，u 、y 和w 是速度矢量 在z 、y 和z 方向的分量。 ( 2 ) 动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 掣o t 协沏班一塞+ 等+ 鲁+ 警+ t 协2 a ， o x呶0 v a z 掣胁(pvot甜) = 一考+ 拿o x + 鲁+ 挈o z + ( 2 - 2 b ) 印卵 。 掣o t + 咖伽“) = 一字d z + 等+ 鲁+ 鲁+ e c 2 也， o xo v0 z 该方程可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的 各种力之和。式中，p 是流体微元体上的压力；气、k 和气等是因分子粘性作用而产生 的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；只、e 和只是微元体上的体力。 ( 3 ) 能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 掣协( p u t 舢v 怯舢卜 协3 ， 该方程可表述为微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力 对微元体所做的功。其中，c 。是比热容，t 为温度，k 为流体的传热系数，s r 为流体的内 热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。 综合个三个基本方程，有u 、 ，、w 、p 、t 和p 六个未知量，还需要补充一个联系p 和p 的状态方程( s t a t ee q u a t i o n ) ，方程组才能封闭，对于理想气体有： 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 其中尺是摩尔气体常数。 p = 肚r ( 2 4 ) 2 3 湍流模型的选择 2 3 1 镁合金炉内保护气体的气流特性 ( 1 ) 射流 镁合金保护气体由载流气体和有效气体组成，保护气体从管嘴出流后形成一股气流射 向镁合金液面。有效气体由载流气体输送后，与镁液发生反应形成致密的保护膜，反应后 的气体生成物、载流气体和未反应完的有效气体通过排放口进入废气处理系统。 要分析镁合金熔炉内的流场特性，射流的特性分析是必不可少的。典型的射流如图 2 2 【4 9 1 所示。气体从喷嘴射出后，带动周围静止的气体向前运动，发生卷吸作用，随着射程 的增加，射流范围不断扩大，流量不断增加。射流大致可以分成以下几类：1 、自由射流 和有限射流；2 、等温射流和非等温射流；3 、圆形、矩形和条缝射流；4 、机械射流和对 流射流。在镁合金熔炉中，保护气体的流场特性由气体流速、空间尺寸和镁液温度等多方 面因素决定，因此，其运动