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泡沫陶瓷离心过滤铝合金熔体的数值模拟与实验研究

刘世安  
【摘要】:铝合金作为汽车、电力和国防等领域普遍使用的有色金属结构材料,它具备一系列比其他有色金属更优良的特性。但由于铝合金熔体中夹杂物和气体等冶金缺陷的存在,会对产品的机械性能和使用性能产生极大的危害。因此为生产出高质量的铝合金铸件并提高其综合性能,对熔体进行除杂净化处理是必要的保证措施。过滤技术是公认的在铸造过程中能去除金属熔体内夹杂物的最简便、最便宜且有效的方法。泡沫陶瓷过滤器因其能显著降低铸件夹渣而被大量的应用于金属熔体的除杂净化系统内。为了提高过滤效果而采用大孔密度的泡沫陶瓷过滤器时,熔体在泡沫陶瓷内的流动会受到较大的阻力作用,使熔体不能通过过滤器。因此基于泡沫陶瓷在重力场下过滤的方法,引入离心力场的作用,增加熔体在进入泡沫陶瓷时所受的压力,使铝合金熔体能通过较小孔径的泡沫陶瓷过滤器,从而有效地增强泡沫陶瓷的除杂净化效果。本文通过对泡沫陶瓷进行离心过滤铝合金熔体的实验和数值模拟研究工作,深入了解了泡沫陶瓷过滤器内铝合金熔体的流动与换热过程,同时研究了泡沫陶瓷过滤器过滤夹杂物颗粒的机理及效率。数值模拟的关键步骤是建立表征泡沫陶瓷孔隙结构的单元体。通过扫描电镜获取泡沫陶瓷的孔隙结构特征参数,然后基于Weaire-Phelan泡沫模型构建了两个表征不同孔隙率范围的理想化的泡沫陶瓷孔隙结构单元体,最后利用ANSYS-FLUENT软件模拟泡沫陶瓷表征单元体内铝合金熔体的流动行为和夹杂物颗粒的运动轨迹。在孔隙尺度下研究了离心过滤工艺参数和泡沫陶瓷结构特性参数,如铝合金熔体温度、过滤装置的离心转速、泡沫陶瓷的孔隙率和孔密度等关键参数对过滤模型内流场和温度场的分布情况以及夹杂物颗粒的运动轨迹的影响规律。研究表明:(1)铝合金熔体在泡沫陶瓷内流动所受阻力的大小会随着泡沫陶瓷孔密度和过滤装置的离心转速的增大而增大,但铝合金熔体温度和泡沫陶瓷孔隙率的增大则会导致流动阻力的减小;(2)泡沫陶瓷的过滤效率会随着过滤装置的离心转速、泡沫陶瓷孔密度和铝合金熔体温度的增大而增大,但泡沫陶瓷孔隙率的增大会导致过滤效率的减小;(3)各关键参数对泡沫陶瓷的过滤效率和熔体在泡沫陶瓷内流动所受阻力的影响的强弱顺序为:泡沫陶瓷孔密度过滤装置的离心转速铝合金熔体温度泡沫陶瓷孔隙率。最后对夹杂物过滤的数值模拟结果与泡沫陶瓷离心过滤铝合金熔体的实验结果进行对比,发现它们具有较好的趋势一致性,因此泡沫陶瓷离心过滤铝合金熔体的数值模拟结果对铝合金熔体的过滤工艺有一定的指导作用。为了提高泡沫陶瓷离心过滤铝合金熔体的效率,可以选用高孔密度和低孔隙率的泡沫陶瓷,同时适当提高铝合金熔体的温度和过滤装置的离心转速。


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