鋁合金熔體凈化處理是獲得高質量熔體的有效途徑 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濟環保、效果明顯的方法，已經得到世界上 各國的廣泛關注，是目前鋁合金除氣方法中的研究熱點 之一。旋轉噴吹除氣方法作為一種高效除氫技術被國內 外所公認，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到日益提高的工業要求所提出的凈化效果，無法滿足航空航天領域的較高要求，為此，可嘗試采用兩種或兩種以上的方法復合除氣。 本文將對鋁合金熔體旋轉噴吹及功率超聲復合式除 氣過程進行模擬分析，嘗試將兩種除氣方法進行復合， 希望從各種角度加深對復合除氣方法除氣過程的認識， 以期能夠提升和優化現有鋁合金熔體凈化技術。
試驗模擬方法
為了了解鋁合金熔體旋轉噴吹及功率超聲復合除氣 方法除氣過程，采用計算機模擬方法對不同除氣方法、 不同工藝條件下鋁合金熔體內部壓力分布進行了研究。
首先創建幾何模型，建立的三維模型包括熔池槽模 型和旋轉噴頭模型，模型計算域利用 Gambit建立， 寸參照實驗設備尺寸。熔池槽模型采用圓柱形熔池槽， 槽高為 300mm，半徑為 200mm。旋轉噴頭模型包括 旋轉噴頭組件模型和旋轉軸模型，旋轉噴頭組件距熔池槽30mm，旋轉噴頭底盤由六個獎葉實體構成，旋 轉噴頭底盤最大半徑為 90mm，厚為 60mm，轉噴頭 底盤上設有 6 個半徑為4mm 的圓形氣流出口，旋轉軸半徑為 45mm。為了使用多重參考系(MRF)，將流體區域用高為 100mm，半徑為 100mm 的圓柱體劃分為兩 個部分：外部流場和旋轉流場。外部流場采用靜止參考 系旋轉流場使用以槳葉速度旋轉的運動參考系。然后創建網格模型，模型包括旋轉流場模型和外部流場模型， 模型仍利用 Gambit 建立。旋轉流場由于靠近旋轉軸， 旋轉速度較快，因此旋轉流場的網格應比外部流場的網 格更密，網格間距設置的更小，創建的單元總數為291066。
最后利用 Fluent 導入網格模型，工作條件參考壓 力為 101325Pa，重力加速度為9.81m/s’。計算模型 采用非穩態三維兩相流混合模型，粘性模型采用標準 k-e 模型，壁面函數采用標準壁面函數法。
按照 HB5480-91的規定，配得實驗材料 ZL114A 鋁合金，其合金化學成分如表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。本 文ZL114A 鋁合金熔體的密度、 粘度參數通過 PrOCAST 熱力學 數據計算獲得，ZL114A 物性參 數如圖1所示;氣的密度、粘度參 數通過 FIuent 材料庫獲得。 700℃溫度下的材料參數設定， 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格式離散，求解選擇分離式求解方法，其他保持系統默認設置即可。時間間隔從 0.001s 開始， 逐漸遞增，每時間間隔內最大迭代次數為 30。對熔池槽選取 Y=O 面，即沿旋轉軸的縱截面觀察模擬結果。
試驗結果與分析
為了了解不同除氣方法對除氣過程內部流場的影響，分別進行單一 旋轉噴吹除氣方法下除氣過程內部流場的模擬和旋轉噴吹及功率超聲復 合式除氣方法下除氣過程內部流場的模擬。單一方法的工作參數中旋轉 噴頭轉速為 300rpm，噴頭底盤上氣流出口的氣體速度為 0.2m/s。復 合方法中旋轉噴吹工作參數與單一方法中相同，功率超聲工作參數通過 編寫 UDF 程序的形式設置動網格，模擬超聲波變幅桿端面振動。功率 超聲工作參數中變幅桿端面振動頻率為 20000Hz，振幅為 10um。復 合除氣方法模擬是首先進行單一旋轉噴吹除氣方法模擬的試驗，然后添 加瞬時超聲(t=5X 10s,t代表步長).通過模擬得到的內部壓力分布流場。 試驗結果如圖 2 所示。
經分析可以得出：單一旋轉噴吹除氣方法下沿旋轉軸的縱截 面的壓力分布，見圖 1a，旋轉軸周圍熔體的壓力分布不大， 而遠離旋轉軸即靠近圓柱形熔池槽壁面周圍熔體的壓力分布 卻較高。由旋轉軸向熔池槽壁面方向呈逐漸增強趨勢，壓力 差的存在導致氣泡向熔池槽中心偏聚，降低了氣泡與遠離旋 轉軸熔體的接觸，不利于除氣。同時也可以看出，在旋轉噴 頭底盤下面壓力很低，是一個低壓區，容易吸氣。也就是說 在除氣過程時旋轉噴頭底盤下方最容易聚集氣體，且不能快 速逸出，這對鋁合金旋轉噴吹除氣法的除氣效率的提升有很 大阻礙作用。旋轉噴吹及功率超聲復合式除氣方法下沿旋轉 軸的縱截面的壓力分布，見圖 1b，旋轉軸周圍熔體的壓力 一定區域內壓力較大，遠離旋轉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動，增加氣泡與熔體 的接觸，有利于除氣。同時旋轉噴頭底盤下的低壓區在旋轉 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 旋轉噴吹除氣方法相比，旋轉噴吹及功率超聲復合式除氣方 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合式除氣方法除氣過程內部流場的 影響，選定旋轉噴頭轉速為 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 的情況下進行超聲作用時間分別為 2、8t、 16t、24t 時進行模擬試驗。試驗結果如圖3所示。
由圖 3 分析可以得出，作用時間為 2t 時，壓力分布呈現旋 轉軸附近壓力大于遠離旋轉軸區域，壓力差有利于氣泡向熔 池槽壁面方向運動，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噴吹作用： 作用時間為 8t、16t 時，旋轉噴頭底盤下方的低壓區重新出 現，容易引起氣體聚集，且隨著作用時間的增長低壓區逐漸 增大。此時由于動邊界上升階段速度逐漸降低，在低于某臨 界速度后旋轉噴吹的作用更為明顯，導致氣體向低壓區聚集， 但同時加大了氣體在熔體中的運動;作用時間為 24t 時，熔池 槽下部形成較大低壓區，而旋轉噴頭底盤下方形成相對高壓 區，壓力差導致氣體又向周圍熔體運動。當 T>24t 后，動邊 界運動將轉為下降階段，熔體內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行， 對氣泡在熔體中的運動起到促進作用。相比單一除氣方法熔 體內部流場較為穩定的壓力梯度，由于振動和旋轉噴吹對熔 體的共同作用，在超聲作用時間逐漸增加的情況下，熔體內 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合式除氣方法除氣過程內部流場的 影響，選定旋轉噴頭轉速為 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 用時間下進行模擬試驗。試驗結果如圖 4所示。
從圖 4 中可以看到，不同振幅的功率超聲與旋轉噴吹共同作用 下熔體的壓力分布呈現旋轉軸附近壓力大于遠離旋轉軸區域， 壓力差有利于氣泡向熔池槽壁面方向運動。振幅在一定范圍內， 振幅越大，動邊界上升階段速度越大，旋轉軸周圍高壓區的面 積越大，與低壓區的壓力梯度也越大，在實際除氣過程中我們 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 對鋁合金熔體旋轉噴吹及功率超聲復合式除氣過程內部流場具 有重要影響，振幅在一定范圍內，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 驗 結 論
(1)? 旋轉噴吹及功率超聲復合式除氣方法除氣過程中壓力分布比單一旋轉噴吹除氣方法在除氣過程中壓力分布有優勢，有利于氣體與熔體的接觸和氣體的逸出。
(2)? 旋轉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。