Application of super gravity to separating non-metallic inclusions from 5052 aluminum alloy melt
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摘要: 在自行设计改装的超重力装置上采用超重力场分离铝熔体中的非金属夹杂，研究了不同重力系数下，5052铝合金熔体中夹杂物的分离规律.实验结果表明：经过超重力处理后，非金属夹杂沉降聚集至试样底部，且随着重力系数的增大，夹杂在试样底部聚集程度越好.试样处理5 min后，常重力条件下，夹杂物在试样底部的沉降比率为0.35；当重力系数G=250时，夹杂物在试样底部的沉降比率达到0.99.根据Stokes定律，超重力场中固相颗粒能够瞬间达到临界沉降速度，当重力系数G=1时，νr=7.25×10-5 m/s，而当G=250时，νr=1.813×10-2 m/s，这意味着，随着重力系数的增加，熔体中固相颗粒的临界速度指数递增.这表明超重力法可以有效分离金属熔体中的非金属夹杂.Abstract: Super-gravity segregation performed on self-designed centrifugal furnace is applied to separate non-metallic inclusions in molten aluminum under various gravity fields. The results show that the oxide inclusions are accumulated to the bottom of samples by super-gravity treatment. The level of inclusions aggregation became more remarkable with the increasing of super-gravity field. The settling rate of inclusions at the bottom of the sample is 0.35 after 5 minutes treatment under conventional gravity, while the settling rate of inclusions is 0.99 under super-gravity with G=250. According to the Stokes' law, the terminal velocity reaches at a very early stage of the process (when G=1, νr is 7.25×10-5 m/s). However, when G=250 m/s, νr reaches 1.813×10-2 m/s, which indicates the terminal velocity increases exponentially with adding gravity coefficient. Hence, the non-metallic inclusions can be separated effectively under super-gravity fields.
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Keywords:
- super-gravity /
- aluminum alloy melt /
- non-metallic inclusions /
- separation
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0 前言
镁合金作为一种新型结构材料，具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、减震性好、导热性好、可回收利用及具有优良的加工性能等优点，在航空、汽车、3C产品及军工等领域具有广泛应用[1-3]，被称为21世纪绿色工程材料.采用双辊薄带连铸方法来生产镁合金板带材，不仅能简化工序，缩短生产周期，降低成本，提高生产率，还能使板材显微组织均匀、细小, 夹杂物少且分布弥散，有利于提高镁合金板材的力学性能[4-7].
双辊连铸铸轧过程中，铸嘴结构型式对稳定工艺、提高铸坯质量具有重要影响，布流均匀的铸嘴结构是获得高质量镁合金板坯的重要保证[8-11].而实际生产过程中，板坯越宽，所需要的铸嘴结构也越宽，越难使铸嘴出口处流体速度分布均匀，甚至有可能造成铸轧过程无法顺利进行[12].自20世纪90年代以来，国内外对镁合金板带水平双辊连铸技术的研究大多集中在板宽为1 000 mm以下的铸造设备及工艺上，对宽度在1 000 mm以上的镁合金板坯的研究甚少[13-14].本文对宽度为1 500 mm的镁合金板坯中生产所用铸嘴结构进行研究，运用Fluent软件对铸嘴内镁合金熔体的流场进行数值模拟计算，为今后宽幅镁合金板坯双辊连铸铸嘴整体结构的设计提供理论依据.
1 铸嘴内镁合金熔体流动的数学模型
1.1 铸嘴结构及镁合金熔体流动的假设
1.1.1 铸嘴结构几何模型
研究对象的铸嘴结构如图 1所示.铸嘴入口断面:18 mm×1 360 mm；出口断面:6 mm×1 500 mm；镁合金熔体密度:1.58×103kg/m3；动力黏度为:1.27×10-3 Pa·S[15].由于铸嘴结构为对称图形，因此只考虑它的一半即可.铸轧过程中，保证镁合金熔体连续供应4 t/h (约2.532 m3/h).
1.1.2 熔体流动的假设
(1)铸嘴结构内熔体处于紊流状态；
(2)铸嘴入口处流体速度分布均匀；
(3)整个工艺过程中镁合金的流场为稳定流场；
(4)忽略传热对镁合金熔体流动的影响.
1.2 控制方程的建立
镁合金熔体在铸嘴内的流动过程属于带有自由表面黏性不可压缩流，采用Fluent软件对其流动过程进行数值模拟，描述流动过程的方程有:
(1)连续性方程
(2)动量方程
(3)求解紊流场的双方程Κ-ε模型
湍动能方程:
湍动能耗散率方程:
其中: vx、vy为流体在x, y方向上的速度分量，m/s；ρ为材料密度，kg/m3；μ为黏度系数，Pa·S；g为重力加速度，m/s2；K为湍动能，m2/s2；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；μι为湍流的黏度系数，Pa·S；C1、C2、σk，σε为经验常数，分别为:1.44，1.92，1.0，1.3.
1.3 边界条件
(1)入口条件
(2)出口条件
(3)壁面条件
(4)对称条件
2 数值计算结果及分析
2.1 铸嘴长度对铸嘴出口流速分布的影响
当侧壁形状为渐扩式，尾迹区长度为160 mm时，不同铸嘴长度(300 mm、400 mm、500 mm)条件下铸嘴出口流速分布如图 2所示.
由图 2可知，当铸嘴长度为300 mm时，流体速度分布的不均匀性非常明显，且铸嘴出口处流体的最大与最小速度相差达50.66 %；当铸嘴长度加长至400 mm以及500 mm后，两种结构铸嘴出口处流体的最大与最小速度分别相差为24.3 %及16.63 %，由此可知，随着铸嘴长度的增加，流体速度分布的均匀性得到了明显的改善，当铸嘴长度大于400 mm后，长度的变化对铸嘴出口处流体速度分布均匀性的影响较小，而在实际生产过程中还需考虑熔体温度的变化，因此选择铸嘴结构的原则是在均匀程度满足要求的情况下选择越短的铸嘴结构，所以对于宽度为1 500 mm的双辊连铸机，铸嘴结构的长度应选择400 mm为宜.
2.2 型腔侧壁形状对铸嘴出口流速分布的影响
当铸嘴长度为400 mm，尾迹区长度为160 mm时，不同型腔侧壁形状(渐缩式、平行式、渐扩式)条件下铸嘴出口流速分布见图 3.
由图 3可知，采用渐扩侧壁型式的铸嘴结构，其出口处流体速度分布的均匀性最好.表现在:渐扩式侧壁铸嘴出口处流体的最大速度小于其他两种铸嘴结构出口处流体的最大速度，而最小速度却大于其他两种铸嘴结构出口处的最小速度；且计算得出渐缩式、平行式和渐扩式侧壁的铸嘴出口处流体的最大与最小速度相差分别为46.17 %、41.1 %及24.3 %，因此，采用渐扩式侧壁的铸嘴结构能获得更均匀的流体速度分布.
2.3 尾迹区长度对铸嘴出口流速分布的影响
当铸嘴长度为400 mm，侧壁形状为渐扩式时，不同尾迹区长度（100 mm、160 mm、200 mm）条件下铸嘴出口流速分布见图 4.
由图 4可知，尾迹区的长度越小，铸嘴出口处流体速度分布越不均匀，表现在流体速度在距铸嘴中心100~500 mm范围内相差较大，且经计算得出尾迹区长为100 mm、160 mm及200 mm铸嘴出口处流体的最大与最小速度相差分别为28.04 %、24.3 %及23.36 %，由此可见，随着尾迹区长度的增加，铸嘴出口处流体速度的分布也越均匀，当尾迹区长度大于160 mm后，长度的改变对流体速度分布的均匀性影响较小，而在实际生产中铸嘴结构需要满足一定的刚度，刚度不够，就难以支撑铸嘴上板，会使得铸嘴上下板粘结，因此在均匀程度满足要求的情况下应该选择尾迹区越短的铸嘴结构，所以对于长度为400 mm的铸嘴结构，尾迹区长度一般选取160 mm，以保证铸嘴型腔的刚度.
3 结论
采用数值模拟方法研究了不同型式的铸嘴结构对其出口流体速度分布均匀性的影响，结果表明:
(1)流体速度分布的均匀性随着铸嘴长度的增加而改善，当铸嘴长度大于400 mm后，长度的变化对铸嘴出口处流体速度分布均匀性的影响较小；
(2)采用渐扩式侧壁的铸嘴结构所获得的流体速度分布的均匀性要优于平行式或渐缩式的流体速度分布的均匀性；
(3)尾迹区越长，铸嘴出口处流体速度分布越均匀，尾迹区长度大于160 mm后，长度的改变对流体速度分布的均匀性影响较小；
(4)以实际生产为基础，采用长度为400 mm、渐扩式侧壁及尾迹区长160 mm的铸嘴结构，有利于提高宽度为1 500 mm的铸嘴出口处流体速度分布的均匀性.
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