鋁合金熔體凈化處理是獲得高質(zhì)量熔體的有效途徑 之一，也是提高鑄造鋁合金綜合性能的有效手段。 鋁合金熔體凈化處理的諸多方法中，功率超聲除氣方法作為一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、效果明顯的方法，已經(jīng)得到世界上 各國的廣泛關(guān)注，是目前鋁合金除氣方法中的研究熱點(diǎn) 之一。旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法作為一種高效除氫技術(shù)被國內(nèi) 外所公認(rèn)，并受到大量使用者的歡迎。但目前僅采用單 一的除氣方法仍難以達(dá)到日益提高的工業(yè)要求所提出的凈化效果，無法滿足航空航天領(lǐng)域的較高要求，為此，可嘗試采用兩種或兩種以上的方法復(fù)合除氣。 本文將對鋁合金熔體旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合式除 氣過程進(jìn)行模擬分析，嘗試將兩種除氣方法進(jìn)行復(fù)合， 希望從各種角度加深對復(fù)合除氣方法除氣過程的認(rèn)識， 以期能夠提升和優(yōu)化現(xiàn)有鋁合金熔體凈化技術(shù)。

試驗(yàn)?zāi)M方法

為了了解鋁合金熔體旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合除氣 方法除氣過程，采用計算機(jī)模擬方法對不同除氣方法、 不同工藝條件下鋁合金熔體內(nèi)部壓力分布進(jìn)行了研究。

首先創(chuàng)建幾何模型，建立的三維模型包括熔池槽模 型和旋轉(zhuǎn)噴頭模型，模型計算域利用 Gambit建立， 寸參照實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸。熔池槽模型采用圓柱形熔池槽， 槽高為 300mm，半徑為 200mm。旋轉(zhuǎn)噴頭模型包括 旋轉(zhuǎn)噴頭組件模型和旋轉(zhuǎn)軸模型，旋轉(zhuǎn)噴頭組件距熔池槽30mm，旋轉(zhuǎn)噴頭底盤由六個獎葉實(shí)體構(gòu)成，旋 轉(zhuǎn)噴頭底盤最大半徑為 90mm，厚為 60mm，轉(zhuǎn)噴頭 底盤上設(shè)有 6 個半徑為4mm 的圓形氣流出口，旋轉(zhuǎn)軸半徑為 45mm。為了使用多重參考系(MRF)，將流體區(qū)域用高為 100mm，半徑為 100mm 的圓柱體劃分為兩 個部分：外部流場和旋轉(zhuǎn)流場。外部流場采用靜止參考 系旋轉(zhuǎn)流場使用以槳葉速度旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動參考系。然后創(chuàng)建網(wǎng)格模型，模型包括旋轉(zhuǎn)流場模型和外部流場模型， 模型仍利用 Gambit 建立。旋轉(zhuǎn)流場由于靠近旋轉(zhuǎn)軸， 旋轉(zhuǎn)速度較快，因此旋轉(zhuǎn)流場的網(wǎng)格應(yīng)比外部流場的網(wǎng) 格更密，網(wǎng)格間距設(shè)置的更小，創(chuàng)建的單元總數(shù)為291066。

最后利用 Fluent 導(dǎo)入網(wǎng)格模型，工作條件參考壓 力為 101325Pa，重力加速度為9.81m/s’。計算模型 采用非穩(wěn)態(tài)三維兩相流混合模型，粘性模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-e 模型，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

按照 HB5480-91的規(guī)定，配得實(shí)驗(yàn)材料 ZL114A 鋁合金，其合金化學(xué)成分如表1所示。

仿真模擬的是 700C溫度下的 ZL114A 鋁合金熔體的情況，因 此需要高溫下的熱物性參數(shù)。本 文ZL114A 鋁合金熔體的密度、 粘度參數(shù)通過 PrOCAST 熱力學(xué) 數(shù)據(jù)計算獲得，ZL114A 物性參 數(shù)如圖1所示;氣的密度、粘度參 數(shù)通過 FIuent 材料庫獲得。 700℃溫度下的材料參數(shù)設(shè)定， 主相為鋁合金熔體，密度為 2394kg/m，動力粘度為 1.2X10Pas;第二相為氣，密度為 1.6228kg/m，動力粘度為 2.125X10Pas。

仿真模擬過程中假設(shè)氣體是不可壓縮的，鋁合金熔體和氣的動力粘度為定值。離散格式選擇階迎風(fēng)格式離散，求解選擇分離式求解方法，其他保持系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可。時間間隔從 0.001s 開始， 逐漸遞增，每時間間隔內(nèi)最大迭代次數(shù)為 30。對熔池槽選取 Y=O 面，即沿旋轉(zhuǎn)軸的縱截面觀察模擬結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了了解不同除氣方法對除氣過程內(nèi)部流場的影響，分別進(jìn)行單一 旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法下除氣過程內(nèi)部流場的模擬和旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù) 合式除氣方法下除氣過程內(nèi)部流場的模擬。單一方法的工作參數(shù)中旋轉(zhuǎn) 噴頭轉(zhuǎn)速為 300rpm，噴頭底盤上氣流出口的氣體速度為 0.2m/s。復(fù) 合方法中旋轉(zhuǎn)噴吹工作參數(shù)與單一方法中相同，功率超聲工作參數(shù)通過 編寫 UDF 程序的形式設(shè)置動網(wǎng)格，模擬超聲波變幅桿端面振動。功率 超聲工作參數(shù)中變幅桿端面振動頻率為 20000Hz，振幅為 10um。復(fù) 合除氣方法模擬是首先進(jìn)行單一旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法模擬的試驗(yàn)，然后添 加瞬時超聲(t=5X 10s,t代表步長).通過模擬得到的內(nèi)部壓力分布流場。 試驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示。

經(jīng)分析可以得出：單一旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法下沿旋轉(zhuǎn)軸的縱截 面的壓力分布，見圖 1a，旋轉(zhuǎn)軸周圍熔體的壓力分布不大， 而遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸即靠近圓柱形熔池槽壁面周圍熔體的壓力分布 卻較高。由旋轉(zhuǎn)軸向熔池槽壁面方向呈逐漸增強(qiáng)趨勢，壓力 差的存在導(dǎo)致氣泡向熔池槽中心偏聚，降低了氣泡與遠(yuǎn)離旋 轉(zhuǎn)軸熔體的接觸，不利于除氣。同時也可以看出，在旋轉(zhuǎn)噴 頭底盤下面壓力很低，是一個低壓區(qū)，容易吸氣。也就是說 在除氣過程時旋轉(zhuǎn)噴頭底盤下方最容易聚集氣體，且不能快 速逸出，這對鋁合金旋轉(zhuǎn)噴吹除氣法的除氣效率的提升有很 大阻礙作用。旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合式除氣方法下沿旋轉(zhuǎn) 軸的縱截面的壓力分布，見圖 1b，旋轉(zhuǎn)軸周圍熔體的壓力 一定區(qū)域內(nèi)壓力較大，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的壓力分布相對較小，此 壓力差有利于氣泡向熔池槽壁面方向運(yùn)動，增加氣泡與熔體 的接觸，有利于除氣。同時旋轉(zhuǎn)噴頭底盤下的低壓區(qū)在旋轉(zhuǎn) 噴吹與超聲共同作用下消失，避免了氣體的聚集所以與單一 旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法相比，旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合式除氣方 法改善了氣泡在熔體中的分布，有利于氣泡與熔體的接觸和 氣體的逸出，提高熔體除氣率。

為了了解超聲作用時間對復(fù)合式除氣方法除氣過程內(nèi)部流場的 影響，選定旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速為 300rpm，噴頭底盤上氣流出口的 氣體速度為 0.2m/s，變幅桿端面振動頻率為 20000Hz，變幅 桿端面振幅 10um 的情況下進(jìn)行超聲作用時間分別為 2、8t、 16t、24t 時進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖 3 分析可以得出，作用時間為 2t 時，壓力分布呈現(xiàn)旋 轉(zhuǎn)軸附近壓力大于遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域，壓力差有利于氣泡向熔 池槽壁面方向運(yùn)動，有利于氣體與熔體接觸和氣體的逸出， 此時動邊界上升速度較大，超聲的作用大于旋轉(zhuǎn)噴吹作用： 作用時間為 8t、16t 時，旋轉(zhuǎn)噴頭底盤下方的低壓區(qū)重新出 現(xiàn)，容易引起氣體聚集，且隨著作用時間的增長低壓區(qū)逐漸 增大。此時由于動邊界上升階段速度逐漸降低，在低于某臨 界速度后旋轉(zhuǎn)噴吹的作用更為明顯，導(dǎo)致氣體向低壓區(qū)聚集， 但同時加大了氣體在熔體中的運(yùn)動;作用時間為 24t 時，熔池 槽下部形成較大低壓區(qū)，而旋轉(zhuǎn)噴頭底盤下方形成相對高壓 區(qū)，壓力差導(dǎo)致氣體又向周圍熔體運(yùn)動。當(dāng) T>24t 后，動邊 界運(yùn)動將轉(zhuǎn)為下降階段，熔體內(nèi)部流場隨振動作用時間的變 化剛好與上升階段相反，如此上升階段與下降階段交替進(jìn)行， 對氣泡在熔體中的運(yùn)動起到促進(jìn)作用。相比單一除氣方法熔 體內(nèi)部流場較為穩(wěn)定的壓力梯度，由于振動和旋轉(zhuǎn)噴吹對熔 體的共同作用，在超聲作用時間逐漸增加的情況下，熔體內(nèi) 壓力變化明顯，這種明顯的壓力變化有效改善氣泡在熔體中 的分布并加劇氣泡在熔體中的運(yùn)動，更有利于氣體與熔體的 充分接觸，提高熔體除氣率。

為了研究功率超聲振幅對復(fù)合式除氣方法除氣過程內(nèi)部流場的 影響，選定旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速為 300rpm，噴頭底盤上氣流出口的 氣體速度為 0.2m/s，變幅桿端面振動頻率為 20000Hz 的情 況下考察變幅桿端面振幅分別為 10um、15 m、20 時相同作 用時間下進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。

從圖 4 中可以看到，不同振幅的功率超聲與旋轉(zhuǎn)噴吹共同作用 下熔體的壓力分布呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸附近壓力大于遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域， 壓力差有利于氣泡向熔池槽壁面方向運(yùn)動。振幅在一定范圍內(nèi)， 振幅越大，動邊界上升階段速度越大，旋轉(zhuǎn)軸周圍高壓區(qū)的面 積越大，與低壓區(qū)的壓力梯度也越大，在實(shí)際除氣過程中我們 也希望這種壓力差較大的壓力分布，這樣更有利于氣泡向熔池 槽壁面方向運(yùn)動，有利于氣體與熔體的接觸。因此超聲的振幅 對鋁合金熔體旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合式除氣過程內(nèi)部流場具 有重要影響，振幅在一定范圍內(nèi)，振幅越大，越有利于改善氣 泡在熔體中的分布，提高熔體除氣率。

實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 論

(1)? 旋轉(zhuǎn)噴吹及功率超聲復(fù)合式除氣方法除氣過程中壓力分布比單一旋轉(zhuǎn)噴吹除氣方法在除氣過程中壓力分布有優(yōu)勢，有利于氣體與熔體的接觸和氣體的逸出。

(2)? 旋轉(zhuǎn)噴吹與超聲共同作用時間越長，越有利于氣體與熔體的充分接觸。

(3)? 旋轉(zhuǎn)噴吹與超聲共同作用時的超聲振幅越大，越有利于改善氣泡在熔體中的分布。