（工程热物理专业论文）20kg镁合金熔炼炉底吹氩搅拌的数值模拟研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s d y n a m i c u m e r i c a ls i m u l a t i o n d y n a m l cn u m e r i c a ls l m u l a t i o no f2 0k g0 lz uk g m a g n e s i u ma l l o ys m e l t i n gb yb o t t o mb l o w i n g a r g o ns t i r r i n g j - b yq i nf e n g t i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs o n gl i m i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 矗 - 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不 包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谓 意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字e l 期刃汐占7 歹 d 一t 摘要 拌的数值模拟研究 与其它材料相比镁合金具有一系列 降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、 、汽车工业等对镁合金质量的要求 熔炼炉坩埚中喷吹氩气，对镁合金 究先例【引。本论文既是针对熔炼炉 。 理的分析，采用混合模型建立了熔 动及气体流动的湍流模型采用标准 k 占的模型。 然后，用f l u e n t 商业软件对坩埚内镁合金熔液喷吹氩气的流动规律进行模拟， 研究结果表明：底吹氩气搅拌时熔池内形成循环流。随着吹气量的增加，熔池搅拌 程度逐渐加强。经多次、反复模拟发现：中心底吹氩气优于偏吹及双吹；从喷吹搅 拌均匀性角度分析，坩埚细长比接近一为宜；依据低耗、高效搅拌原理，氩气喷吹 量存在一最佳值。 本文通过数值模拟得出的喷吹氩气参数，为日后进一步的实验研究提供了必不 可少的参考依据。 、 关键词：镁合金氩气净化搅拌数值模拟 i i ， l - _ _ _ _ _ - 。1 。o o _ _ _ _ _ _ o 。1 。 东北大学硕士论文目录 d 3 r i c a ；i m u l a t i“一ok gm a g n e s i u malloydynamicn u m e r i c a ls 1 m u l a t l o no t2 m a g n e s l u ma l l o y u s m e l t i n gb yb o t t o mb l o w i n ga r g o ns t i r r i n g 一 ， 一一一 a bs t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s i s c u r r e n t l yt h e w o r l d s l i g h t e s tm e t a lw o r k s o fc o m m e r c i a l m a t e r i a l s c o m p a r i n g w i t ho t h e rm a t e r i a l s ，m a g n e s i u m a l l o y s h a v eas e r i e so f a d v a n t a g e s s u c h a s l o w - d e n s i t y , s t r e n g t h a n ds t i f f n e s s ，d a m p i n gn o i s er e d u c t i o n c a p a b i l i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp e r f o r m a n c e ，l i q u i ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，e a s y 十to r e c y c l e ，a n ds oo n s i n c et h ed e v e l o p m e n to fs p a c ei n d u s t r ya n da u t o m o b i l ei n d u s t r y ， t h ed e m a n do fq u a l i t yo fm a g n e s i u ma l l o yi s i n c r e a s i n g i t sr e f i n i n gp r o c e s si s c o n s t a n t l yu p g r a d i n g t h ei n je c t i o no fa r g o ng a st ot h ec r u c i b l ea n ds t i r r i n gp u r i f i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e no np r e c e d e n ti nd e v e l o p e dc o u n t r i e s t h i sp a p e ri st h ep r e l i m i n a r y r e s u l t so fr e s e a r c hw o r ko fb l o w i n ga r g o nt or e f i n em a g n e s i u ma l l o y f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm e l t i n gm a g n e s i u ma l l o yi nc r u c i b l ea n dt h e p r i n c i p l eo fg a s ，w eu s ea m i x e dm o d e lt od e s c r i p tt w o - p h a s et h r e e - d i m e n s i o n a le q u a t i o n m a g n e s i u ma l l o ym e l tf l o wo fl i q u i da n dg a sf l o wt u r b u l e n c eu s et h es t a n d a r dk - 占m o d e l t h e n ，u s i n gc o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n tt os i m u l a t et h em e l t i n gm a g n e s i u ma l l o y w i t h i nt h ec r u c i b l ei n j e c t i o no fa r g o ng a sf l o w t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h eb l o w i n ga r g o n a tt h ep o o ls t i rac y c l eo ff l o w w i t ht h eb l o w i n go ft h ei n c r e a s e ，g r a d u a l l ys t r e n g t h e nt h e d e g r e eo fm i x i n gp 0 0 1 a f t e rr e p e a t e ds i m u l a t i o n ，w ef o u n dt h a t ：b l o w i n ga r g o na tt h e b o t t o mc e n t r ei sb e t t e rt h a nd o u b l eb l o wa n dp a r t i a lb l o w f r o mt h ev i e wo fm i x i n g u n i f o r m i t y ，t h ec r u c i b l eo fas u i t a b l es h o u l dc l o s et ot h es l e n d e r b a s e dt h el o ws t i r r i n g r p r i n c i p i eo fe f f i c i e n t ，t h ei n j e c t i o no fa r g o ng a s e x i s t e n tab e s tv a l u e 一 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o ya r g o ng a s r e f i n i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l j 目录 目录 1 3 镁合金熔炼技术的发展4 1 3 1 熔剂法：5 1 3 2 无熔剂法6 1 4 本论文的研究内容8 第二章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究9 2 1 镁熔池底吹氩的工艺概述9 2 2 熔池底吹氩的工作原理9 2 3 吹氩精炼的影响因素1 0 2 3 1 吹氩量的影响1 0 2 3 2 底吹氩透气元件的布置1 0 2 3 3 氩气压力1 1 2 3 4 吹氩时间1l 2 4 熔池底吹氩镁液流动行为的研究意义和方法11 2 5 气液多相数值模拟技术的发展1 2 2 6 f l u e n t 软件简介1 3 第3 章镁液底吹氩的数值模拟原理及过程1 5 3 1 控制微分方程1 5 i v i i i i v 1 1 l 1 2 3 工 i i i 东北大学硕士论文目录 3 1 1 质量守恒方程1 6 3 1 2 动量守恒方程1 7 3 1 3 能量守恒方程1 8 3 1 4 组分质量守恒方程1 9 3 1 5 控制方程的通用形式2 0 3 2 方程离散化2 1 3 2 1 有限体积法2 2 3 2 2 三维离散化方程2 5 3 3 数值求解方法1 2 8 3 3 1 分离解法2 8 3 3 2 耦合解法2 9 3 3 3 压力一速度耦合算法3 0 3 1 过程3 4 3 5 3 7 3 8 3 8 4 ：2 4 7 5 2 5 4 5 8 5 9 6 ： ( ；3 6 4 v 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 镁合金是当今世界发展应用最快的轻合金，密度小、比强度和比刚度高，导电 导热性良好，而且兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，良好的加工工艺性能，便 于回收利用，被材料专家誉为2 1 世纪最具开发和应用潜力的绿色工程材料。近年来， 镁及镁合金材料获得了快速的发展，镁及镁合金材料的应用范围和用量大幅度增加， 平均年增长率在1 5 以上川，相应地，生产过程中产生的废料也大幅度增加因此， 镁合金废料的回收与再利用具有重大的经济效益，不仅能节约资源，节省能源，而 且对减少环境污染也有重要意义，是发展我国循环经济，建设节约型社会的一个重 要方面。但是，镁合金废料回收和再生利用在我国还是一个新课题，不像铝合金那 样已经基本建立了完整的回收市场，开发了系统的回收与再生技术譬1 而且镁是一个 比较活泼的金属，容易氧化，燃烧，爆炸，给其回收与再生利用带来了许多困难。 本论文研究采用氩气做保护气体，向熔池中喷吹氩气的无熔剂精炼。镁及镁合金无 熔剂精炼法的生产实践在国内鲜有报导，利用无熔剂法的原材料及熔炼工具的研究、 开发和应用已成为世界性的课题与普遍关注的热点。 1 2 镁及镁合金概况 1 2 1 金属镁的特点： 镁是i ia 族碱土金属，处在铍与钙之间，+ 2 价，亮银色，镁i3 j 是结构材料中最轻 的金属，2 5 c 时密度为1 7 3 6 k g m 3 ，约为铝的2 3 。镁的电极电位低( 一2 3 6 v ) ，化学 性质活泼，固态镁在潮湿空气中很容易被氧化，熔融镁会在空气中强烈地燃烧。3 0 0 时，镁开始与氮反应，生成氮化镁( m 9 3 n 2 ) 。镁不溶于碱性溶液，但能溶解于各种 有机酸和无机酸( 氢氟酸和铬酸除外) 中。镁为密排六方结构，晶轴c 与a 的比值为 1 6 2 3 6 。这种普通商业镁的晶体结构与体心立方的铁和面心立方的铝相比力学性能较 差，但镁比重小，合金化能力强，可与其它金属构成力学性能优异，是化学稳定性 高的轻合金。纯镁的主要物理性能如表1 1 所示： - 1 东北大学硕士论文 第一章绪论 表1 1 镁的主要物理性质 t h em a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a g n e s i u m 1 2 2 镁合金中的夹杂物： 镁及镁合金中的夹杂物一般是原镁带来的、镁被氧化产生的、镁合金除铁及变 质过程中产生的及铸造过程中产生的。镁合金夹杂物主要是m g o ，同时还有a 1 2 0 3 、 s i 0 2 、f e 2 0 3 等，m g 与空气中的氮反应生成m 9 3 n 2 。当镁合金熔炼在s f 6 气体保护 下进行时，s f 6 与合金反应形成m g f 2 、m g s 等夹杂物【4 1 。m g - a 1 - z n 系合金中，c o 、 f e 、n i 、c u 和s i 等都是有害杂质，其有害程度依次降低。这些元素在镁中的固溶 度都很小，铁以与镁合金基体有很大电位差的不溶铁相形式分布于晶界，而n i 、c u 、 s i 常和镁形成热处理不溶的m 9 2 n i 、m 9 2 c u 、m 9 2 s i 等金属化合物相，以网状分布 与晶界，降低镁合金的抗蚀性和塑性1 5 j 。 溶入镁合金的气体主要是氢气。镁合金中的氢主要来源于熔剂中的水分、金属 表面吸附的潮气以及金属腐蚀带入的水分，因此，如果对这些材料采取适当的预防 措施就可以降低含氢量。镁合金中的含气量与铸件中的缩松程度密切相关1 6 1 。这是 由于镁合金结晶间隔大，尤其在不平衡状态下，因此在凝固过程中如果没有建立顺 序凝固的温度梯度，熔体几乎同时凝固，形成分散细小的孔洞，不易得到外部金属 的补充，引起局部真空，在真空的抽吸作用下，气体很容易在该处析出，而析出的 气体又进一步阻碍熔体对孔洞的补缩，最终缩松更加严重。试验表明，在生产条件 下，当每千克镁氢含量超过1 4 5 c m 3 时| 7 i ，镁合金中就会出现缩松。 2 产 东北大学硕士论文第一章绪论 1 2 3 镁及镁合金熔体的净化处理 1 除气处理： 工业中常用的除气方法有以下几种【8 】： ( 1 ) 通入惰性气体( 如a r 、n e ) 法i 引，一般在1 0 2 3 1 0 3 3 k 下熔体中通入占熔体质 量0 5 的a r ，可将熔体中的氢含量由1 5 0 - 1 9 0c m 3 k g 降至1 0 0 c m 3 k g 。通气速 度及通气流量应适当，以避免熔体飞溅，通气时间为3 0 m i n ，通气时间过长会导至 晶粒粗化。 ( 2 ) 通入活性气体( c 1 2 ) 法| 9 l ，通氯气是传统的除气方法，氯气经石墨管引入镁合 金熔体中，处理温度为9 9 3 - 1 0 2 3 k ，时间5 1 5 m i n 。温度高于1 0 2 3 k 生成液态的m g c l 2 ， 如温度过高，产生熔剂夹杂的可能性增加。 ( 3 ) 通入c 2 c 1 6 法l 1 0 1 ，一般在1 0 2 3 k 左右往镁合金熔体中通入c 2 c 1 6 ，通入量不 超过熔体质量的o 1 。c 2 c 1 6 是镁合金熔炼中应用最为普遍的有机氯化物，它可以 同时达到除气和晶粒细化的双重效果。但除气效果不好，生产中常用c 2 c 1 6 和六氯 代苯等有机物对镁合金熔体进行除气，这些氯化物以片状压入熔体中，增加熔体夹 杂。 ( 4 ) 联合除气法，先向镁合金熔体内通入c 0 2 ，再用h e 吹送t i c l 4 ，可使熔体中 的气体含量降至6 0 8 0 c m 3 k g 。其除气效果与处理温度和静置时间有关，需要精确 的控温装置，使用不方便。 现在生产中多采用通入氮气或氩气的方法精炼，既可有效地去除熔液中的非金 属夹杂物，同时又除气。不但精炼效果好，而且可以缩短作业时间。本论文研究通 入氩气搅拌的方法除气，效果比较理想。 2 除夹杂物： 夹杂物一直是评价镁合金的主要指标。夹杂物不仅降低镁合金的力学性能，而 且往往由于夹杂物包裹着大量的镁合金熔体而造成镁合金的损失。因此，镁合金生 产中需要对夹杂物数量严格限制。镁的化学活性很强，在熔态下及易和氧、氮及水 汽发生化学作用。在熔体表面如不严加保护，接近1 0 7 3 k 时就很快氧化燃烧。为减 少烧损，保证生产安全及合金质量，在整个熔炼过程中，熔体始终需用熔剂或气体 等加以保护，避免与炉气和空气中的氧、氮及水汽接触。 ( 1 ) 熔剂保护法：为了防止镁液与大气的反应，在熔炼的过程中，始终要有覆盖 3 - 东北大学硕士论文 第一章绪论 剂保护着，为了去除镁液中的氧化物杂质，要撒入足够量的精炼剂进行精炼。镁合 金熔剂通常选用熔点低、密度小、粘度适中、化学性能稳定的盐，目前普遍使用的 熔剂为无水光n 石( m g c l 2 - - k c l ) 添加一些氟化盐和氯化盐。熔炼时熔剂熔化成液态 在镁合金液表面均匀铺开形成连续完整的覆盖层，阻止镁合金与空气中的氧气及水 发生反应。熔剂在使用过程中会产生大量的刺激性气体( 如h c i 、c 1 2 等) ，并易造成 熔剂夹杂，使合金的力学性能和耐蚀性下降。目前熔剂保护法在国外的使用日渐减 少。 ( 2 ) 气体保护法：气体保护熔炼技术开始于2 0 世纪7 0 年代中期，这一技术极大 地提高了镁合金的纯净度，目前己为世界各国普遍使用。常用的保护性气体有s f 6 、 c 0 2 、s 0 2 、n 2 等或它们的混合气体。s f 6 是有害气体，其温室效应是c 0 2 的2 4 0 0 0 倍，将来会被禁用。研究表明用o 2 0 3 体积分数的8 0 2 与干燥空气混合可起到 良好的熔炼保护作用，并且没有明显的异味。德国o t t u j u n l | 公司与大众汽车公 司合作研究用氩气替代s f 6 和c 0 2 作为镁合金熔炼保护气体，已取得良好的效果， 目前正在生产试验阶段。法国r r o c h o t i i - 1 研制成功了由二氧化碳( o x i d i z i n gg a s ) + 氩气 + 氙气组成的保护性气体。另外加入o 0 0 1 0 0 0 3 的b e 可在合金液表面形成一层 致密的保护性氧化膜，有效防止合金液进一步氧化。 1 3 镁合金熔炼技术的发展 2 0 世纪5 0 年代以前，镁的发展依附于军事工业，6 0 年代以后，由于金属镁在 民用市场( 汽车工业、精密机械工业、结构材料工业、电化学工业) 和空间技术的 应用具有很大的优越性和独特性，于是推动了镁的平稳增长。近年来，金属镁作为 “时代金属”展现在冶金工业上，成为有色金属中的佼佼者。如今，全世界镁的生 产及消费动向朝着有利的方向发展，世界镁工业显示出镁金属销费增长迅速、消费 与生产上升的好势头。我国是镁金属资源大国，也是镁金属生产大国和出口大国， 具有丰富的镁矿资源，原镁的年生产能力达1 0 万t ，但主要用于出口，少量用作航 空材料，在汽车上的应用几乎是空白，在电子器材上的应用也少见有报道。因此， 国内市场上镁合金的应用前景非常广阔。 随着镁合金使用量的增加，镁合金高精度熔炼新技术的研究与开发成为镁合金 应用发展的一个重要问题。熔炼镁合金常使用的熔炼设备及方法有以下几种【1 3 】： 4 - 铸厂进行回收处理。其基本工艺流程如图1 2 图1 2 坩埚炉法基本工艺流程 f i g i 2 b a s i cc r a f l w o r kf l o wo fp o ts t o v es t a n d a r d 坩埚法的工艺要点是首先在坩埚底部加入熔剂，加热到熔融状态后加入镁合金 锭。合金料要在坩埚内炉料处于半固态时加入，当熔体温度达到9 8 3 k 时加入精炼剂 精炼约3 0 4 0 m i n ，在精炼过程中要进行搅拌，使非金属夹杂物与熔剂充分接触并被 溶剂吸咐。可根据需要对回收合金的成分进行调整。在9 5 3 9 8 3 k 吹氩除气，并在 9 5 3 9 7 3 k 静置3 0 m i n 。最后去除溶池表面的渣，在保护气氛下铸成合金锭。 5 - 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 3 坩埚炉法装置示意图 苎一赫粥d 一辫必辫褥 。一耀体缆宙托 霸f 一壁空垒墙体 鼍一妒蕾挎叫鳅；i 致麓 - - - 一恕t 爱 p 一蕊云 ” 1 4 盐浴槽法装置示意图 f i g 1 3s k e t c ho fc r u c i b l ef u m a c e m e t h o df i g 1 4s k e t c ho fs a l tb a t hm e t h o d 坩埚炉法存在的问题是熔炼过程会放出有害的卤化氢气体；产生含镁淤渣，造成 金属浪费，且除渣困难，熔剂易污染再生的金属液，产生熔剂夹渣。 ( 2 ) 盐浴槽法： 盐浴槽法是n o r s k h y d r o 公司开发的镁合金废料回收法，其装置见示意图1 4 。 精炼炉为多室结构，各分室由带过滤网的小孔相连，镁合金液在各个分室中逐步净 化，最后被输送到保温炉进行化学成分调整。该法可处理各类废料。该法要求熔剂 密度介于固态镁合金与液态镁合金之间，且易与熔体分离。加入 熔剂到盐溶池中固态废料受热熔化后靠重力 与杂质分离，镁合金熔体在盐熔池上面，密度大的杂质沉在盐熔池底部成为淤渣， 盐熔池可阻止淤渣重新进入镁合金熔体。该法主要特点是镁液浮于熔池上面，而杂 质沉淀于池底，镁合金回收质量高，熔化温度稳定，适合于大规模连续回收，经济 效益好。 1 3 2 无熔剂法 ( 1 ) 双炉法： 双炉法是典型的无熔剂法，由n o r s k h y d r o 公司开发，既可用于压铸系统，也可 用于废料回收，其装置如图1 5 6 内的温度控制显著改善，浇注温度波动很小。 ( 2 ) 氩气底吹过滤法和熔体过滤法：属于无熔剂法。尚处于试验阶段。氩气底吹过 滤法是d o wc h e m i c a l 公司开发的，如图所示： 器 图1 6 无熔剂吹氩过滤精炼炉示意图 f i g1 6b l o w i n ga r g o nw i t h o u tf l u xr e f i n i n gf u r n a c ef i l t e rs k e t c h 该法的基本工作原理是在熔池底部吹氩气，产生的细小气泡在上浮过程中对熔 体起搅拌作用，促进杂质分离。熔体过滤法则是利用离心过滤器从镁合金熔体中分 离夹杂物的再生方法。 - 7 东北大学硕士论文 第一章绪论 2 1 世纪能源与环保问题日益突出，镁合金作为战略性轻质材料和可回收绿色材 料备受关注。如何处理和回收利用这些镁合金已经引起国际上的主泛重视。为提高 我国镁产品质量，扩大镁合金的应用领域，增强镁产品的市场竞争力，本课题对感 应炉中搅拌系统进行了研究，由于其坩埚为电磁屏蔽材料，熔池内不采用电磁搅拌， 采用底吹氩气的方式对镁液进行气体搅拌。利用c f d 技术对熔池内吹氩气搅拌的流 场及温度场进行数值模拟计算。 1 4 本论文的研究内容 本论文对实验室自制2 0 k g 镁合金熔炼炉熔池内吹氩搅拌冶金过程进行研究。该 炉运行实践中，喷吹流量、吹气位置、喷吹时间等因素不确定，吹氩操作存在盲目 的现象，导致镁液成分、温度均匀性较差，操作过程不稳定，生产效率很低。本论 文通过数值模拟的方法，同时利用c f d 商业软件f l u e n t 研究镁熔体熔池内的流场。 提出合理的操作参数，优化现场操作。本论文采用c f d 商业软件f l u e n t 6 2 在p c 机上完成，p c 机为2 8 g h z c p u ，内存为5 1 2 m b 。论文主要研究内容有： 1 、熔池喷吹体系中，合适的熔池几何模型的选择； 2 、吹氩最佳吹气量的确定； 3 、最佳吹气位置的确定； 4 、底吹氩参数对2 0 k g 镁液熔池内温度场的景响； 5 、底吹氩参数对2 0 k g 镁液熔池内流场的影响。 一8 东北大学硕士论文 第二章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究 第二章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究 2 1 镁熔池底吹氩的工艺概述 镁合金中的气体夹杂物主要是氢气，固体夹杂物主要是m g o ，同时还有m g f 2 、 m g c l 2 等，m g o 及m g f 2 的熔点分别为2 6 4 2 c 、1 2 6 3 c 1 ，均高于镁合金的熔炼温度， 在镁合金液中以固态形式出现。m g o 的密度为3 5 8 9 c m 2 ，高于镁的密度。因此， m g o 会沉于合金液底部作为熔渣排除。但由于镁的易氧化性，高温下产生的大量氧 化镁，不可能全被排除，镁合金中会残留一部分氧化镁央渣。m g c l 2 的熔点为7 1 8 。c ， 在镁合金的熔炼温度范围内。因此，m g c l 2 在镁液中以液态形式出现，m g c l 2 在液态 ( 7 2 2 c ) 时的比重为1 6 8 6g c m 3 ，与m g 的密度接近，m g c l 2 残留在镁合金液中的几 率较大。由于m g c l 2 具有很强的吸湿性，会加速镁合金铸件的腐蚀【l 引。因此在熔炼 过程中需要进行气体搅拌以去除夹杂，熔池吹氩技术是一种经济适用而且简单易行 的精炼方法，能有效地均匀镁液温度和成分，去除有害气体和夹杂物，改善镁液质 量而被广泛应用。熔池吹氩一般采取顶吹或底吹形式，因顶吹工艺存在吹氩死角、 再现性差等弊端，而逐渐被底吹氩工艺所取代。目前大多数有色金属冶炼厂已逐步 淘汰顶吹，采用底吹氩取得良好的冶金效果。 2 2 熔池底吹氩的工作原理 氩气是惰性气体，它在镁液中的溶解度几乎为零，且不与镁中的其它元素发生 化学反应。吹氩是通过吹氩管和透气塞进行的，其目的在于使氩气泡细小而分散， 以延缓气泡在镁液中的上升速度，提高净化效果。吹氩管用耐火度很高的刚玉和莫 来石以及粘结剂所组成的混合料压制，并在高温下烧结而成，吹氩压力根据镁液的 高度而定。镁液吹氩原理是将具有一定压力的氩气通过吹氩口输送到镁液中，形成 气泡，气泡因浮力作用上浮，上浮过程中将镁液抽引并使之在气液区内产生由下向 上的流动；当气泡到达顶部时就转入水平方向并流向坩埚壁，之后在坩埚壁附近向 下回流，再次在熔池中，下部被抽引至气液区内，如此循环流动形成环流1 1 7j 。氩气 搅拌有利于镁一一渣之间的化学反应，在环流过程中，大颗粒夹杂、脱氢产物在流 经顶渣下部区域时传递进入顶渣，可以加速镁一渣之间的物质传递，利于镁液的脱 一9 东北大学硕士论文 第二章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究 氢反应的进行。吹氩形成的气泡在镁液中形成相对真空，起到了对镁中气体的捕集 和排除作用。同时吹氩搅拌可使镁液成份和温度均匀，达到脱氧、非金属夹杂物变 性处理和合金成分微调等冶金目的。 图2 1 熔池底吹气体射流示意图 f i g 2 1p o o la tt h ee n do fb l o w i n gg a sj e td i a g r a m 2 3 吹氩精炼的影响因素 2 3 1 吹氩量的影响 熔池内的流动主要是由底部透气元件喷吹氩气，搅拌气体进入熔池时，首先在 喷嘴上形成气泡。在气流动能的推动下进入液相中，分散成无数的小气泡而上浮， 同时在高温镁液中气体被加热而膨胀，从而产生了强烈的搅拌作用。随着吹气量的 增加，搅拌强度增大，而吹气量的增加是有一个临界值的，如果吹气量超过某一临 界值，吹入的气体从熔池底部向上部形成所谓的贯穿流，容易引起镁液发生喷溅， 造成镁液表面覆盖的渣卷入镁液内部，造成对镁液的污染。另外当吹氩量偏低时， 就限制了氩气的精炼作用，从而使氩气的脱氢去气和保护镁液的作用都得不到充分 发挥。吹入气量是与吹气速度、吹气喷嘴结构等因素有关，所以必须调整确定合理 的工艺参数。 2 3 2 底吹氩透气元件的布置 研究表明【墙】，对于l o o t 以上大钢包，多采用单喷嘴喷吹和两喷嘴喷吹的模式。 两喷嘴喷吹，喷嘴夹角多为9 0 或1 8 0 喷嘴距离中心半径r 与钢包底面半径r 之比 1 0 2 3 4 吹氩时间 目前，普遍认为吹氩时间不宜太长，否则镁液温度下降太多，且由于坩埚壁受 冲刷而相非金属夹杂物出现率增加，但吹氩时间不足，气体及非金属夹杂物不能很 好地去除，吹金效果不明显。所以必须根据现场实际生产情况，以及要达到的精炼 效果，从而确定合适合吹氩时间。 2 4 熔池底吹氩镁液流动行为的研究意义和方法 镁合金熔炼技术精炼手段的最重要的基础是熔池搅拌。目前，在电磁感应坩埚 熔池内，底吹氩操作简单，效果好，是一种最基本的、便宜而有效的搅拌手段。其 它炉外精炼处理技术如电磁感应搅拌法，机械搅拌法、熔剂精炼法、真空处理等都 需要与吹氩组合进行。深入了解熔池吹氩的传输特性，了解这一工艺的冶金效果， 有利于充分发挥吹氩工艺的冶金效果，也有利于提高与吹氩相结合的相关精炼工艺 的处理水平。同时，镁液熔池底吹氩精炼是一种动量、热量和质量在强烈搅拌下混 合传递的十分典型的冶金过程。更适宜于进行数值模拟研究的过程。对其所作的系 统研究有利于推动冶金学理论和工艺的发展，特别有助于推动计算流体力学和计算 机仿真在冶金中的应用。关于熔池内底吹氩的镁液流动行为的研究，主要有物理模 1 1 东北大学硕士论文 g - 章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究 拟和数值模拟两种方法。利用计算机和相关的服务性软件，依靠数学模拟已经成为 今后冶金过程研究的重要手段。 所谓冶金过程数学模拟，就是基于计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学和 冶金反应工程学原理，用数值计算方法通过计算机求解非线性联立的质量、动量、 能量及组分守恒偏微分方程组，然后通过数学分析，预报出流动、传热过程的细节， 即给出整个流场中各变量的时空分布，进而分析冶金的速率和效果。 2 5 气液多相数值模拟技术的发展 熔池底吹氩属于典型的多相流，其理论研究一直存在很多困难，但近几十年来 气液两相流模拟技术发展很快。 1 9 5 4 年，s t e w a r t 和w e n d r o 球”1 研究表明，由于气泡运动的复杂性和对这一具体 现象认识的匾乏，要建立一系列方程来准确描述这一现象是不可能的，因此须作一 些假设，直到现在所有的研究者还要在这样一些假设下建立模型，给出方程的解。 g r e v e t l 2 0 1 是首先正确描述气泡在液体中行为的学者，他利用l a g r a n g e 方法建立一系 列方程，并假设气泡在稳态、恒定的混合密度和不变的上升速率条件下计算，所得 结果与实验数据相符较好。同年，c r o s s 2 1 1 试图用e u l e r 方法来研究同一问题，但没 有成功。此后几十年，很多学者对这一问题继续研究，结果不一。总的来说，研究 这个问题有3 种方法：一是瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法；二是瞬态e u l e r e u l e r 方法，三 是稳态e u l e r e u l e r 方法，e u l e r l a g r a n g e 方法把液体看做连续相，气泡看作分散相， 计算时对每一气泡都要单独列出平衡方程；e u l e r e u l e r 方法则把液体和气泡都看作连 续的流体，相间存在相互作用。l a p i n l 2 2 1 就是利用瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法来描述气 泡在液体中运动的学者，他建立的数学模型假设：气泡很小，呈大小不变的刚性球 体，忽略气泡间的相互作用，不计气泡的破碎或聚合。研究显示这种方法仅在层流 和较低气体流速的区域内，模拟结果才与实测结果相符较好。e i g e n b e r g e r 和 s o k o l i c h i n t 2 3 1 应用瞬态e u l e r e u l e r 方法，其基本假设是：体系绝热，系统处于层流状 态，气泡直径不变，不考虑气泡在上升过程中的破碎或聚合，气泡升力和虚拟质量 力忽略不计。其计算结果观察到了与实际相符的循环流场，这一结果与l a p i n 的相近， 但也仅局限于流速较低的层流层。t o r v i k 、s v e n d e n 2 4 1 、j a k o b s e n l 2 5 1 等都是应用稳态 e u l e r e u l e r 方法的学者，模型耦合曳力、升力和虚拟质量力，其研究结果对湍流层 有着较好的预示，同时表明曳力对这一过程最为重要，并分别给出一系列曳力系数 】2 ，l 东北大学硕士论文 第二章镁合金熔炼过程中底吹氩工艺研究 表达式。 h u g o 和j a k o b s e n l 2 6 1 综合前人的研究指出，虽然数值模拟技术有了很大的进步， 但是对气泡低速区域的认识仍然较少。近来，人们逐渐认识到研究气泡驱动液体流 动只有采用瞬态三维模型才能获得准确的结果。稳态模型的优点是占用较小的p c 资源，是研究流场的一个很好的工具，但是这种方法不能给出流场的瞬态变化，只 能获得长时间内的平均值。瞬态模型的模拟结果与实际情况相符较好，缺点是在处 理含气率低区域时效果不好。在湍流模型上，大涡模型是最理想的模型，但需很大 内存和较高c p u 。目前较普遍使用的是k e 双方程模型和雷诺应力模型，但这两 种模型都建立在半经验的基础上。研究气液两相流中，瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法最为 准确，它记述了每个气泡的运动。但实际计算每个气泡的运动是不可能的，原因是 气泡数量很大且气泡间会发生聚合或破碎。稳态e u l e r e u l e r 方法是瞬态 e u l e r l a g r a n g e 方法的很好替代，因为稳态e u l e r e u l e r 方法研究的是液体中的气泡 群。这样计算量较前者会少很多，且工程中人们所关心的往往不是单个气泡的行为， 而用稳态e u l e r e u l e r 方法研究所得结论已经可以满足人们的需要。 多相流模拟目前还处于发展阶段，在很多方面还不成熟，且大多建立在空气一 水体系之上，因此所得结论还不能直接应用于冶金过程中。目前研究镁液熔池底吹 氩较常用的是均相流模型，该模型是多相流模型的简化，在模型中相间传递项全部 消失，方程本质上是一单相传输方程。 2 6 f l u e n t 软件简介 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n 是目前功能最面、适 用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一【27 1 。f l u e n t 提供了非常灵活的网格特 性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔 形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根 据解的具体情况对网格进行修改。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读 入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二 维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定 常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学 组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体祸合传热分析、多孔介质分析等。 _ 13 东北大学硕士论文 第二章镁合金熔炼过程中底吹氲工艺研究 它的湍流模型包括k 一模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数、双层 近壁模型等。f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出1 2 1 边界条件、 壁面边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条 件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的用户自定义 程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的 体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介 质模型等。f l u e n t 是用c 语言写成，可实现动态内存分配及高效数据结构，具有 很大的灵活性与很强的处理能力。此外，f l u e n t 使用c l i e n t s e r v e r 结构，它允许同 时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。f l u e n t 可以在 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 、l i n u x u n i x 操作系统下运行，支持并行处理。 f l u e n t 广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设计、材 料加工、加工设备、环境保护等领域，以f l u e n t 6 为例，其