简介概要

脉冲进气旋转喷吹技术的水力模拟

来源期刊：中国有色金属学报2002年第1期

论文作者：蒋海燕孙宝德倪红军丁文江

文章页码：44 - 47

关键词：脉冲气流；旋转喷吹；水力模拟

Key words：pulse gas current; rotating impeller degassing ; water modeling

摘要：在铝合金熔体净化旋转喷吹技术的基础上，采用水力模拟实验研究了脉冲进气方式对气泡大小的影响。实验结果表明：脉冲进气方式有利于产生射流，使气泡变小，并增加了气泡与熔体接触的比表面积，从而改善了除氢的动力学条件，有利于提高除氢效果。

Abstract: Based on the technology of rotating impeller de gassing in aluminum alloy melt，the effect of pulse gas current on the gas bubble size by studied with the water modeling method. Pulse gas current can be generated by using a pulse valve in the gas transportation system. The results show that，pulse gas current is advantageous to producing efflux and decreasing the gas bubble size，thus，the contact surface area between the melt and the gas is increased and the kinetic condition of degassing for hydrogen is improved.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.008

脉冲进气旋转喷吹技术的水力模拟

蒋海燕孙宝德倪红军丁文江

上海交通大学材料科学与工程学院

上海交通大学材料科学与工程学院上海200030.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

哈尔滨150001

上海200030

摘要：

在铝合金熔体净化旋转喷吹技术的基础上 , 采用水力模拟实验研究了脉冲进气方式对气泡大小的影响。实验结果表明 :脉冲进气方式有利于产生射流 , 使气泡变小 , 并增加了气泡与熔体接触的比表面积 , 从而改善了除氢的动力学条件 , 有利于提高除氢效果。

关键词：

脉冲气流;旋转喷吹;水力模拟;

中图分类号： TG292

收稿日期：2001-03-31

基金：国家重点研究开发规划资助项目 (G19990 64 90 0 );中国博士后科学基金资助项目;上海市博士后基金资助项目;

Water modeling of rotating impeller degassing with pulse gas current

Abstract：

Based on the technology of rotating impeller degassing in aluminum alloy melt, the effect of pulse gas current on the gas bubble size by studied with the water modeling method. Pulse gas current can be generated by using a pulse valve in the gas transportation system. The results show that, pulse gas current is advantageous to producing efflux and decreasing the gas bubble size, thus, the contact surface area between the melt and the gas is increased and the kinetic condition of degassing for hydrogen is improved.

Keyword：

pulse gas current; rotating impeller degassing; water modeling;

Received： 2001-03-31

氢在液态铝中的溶解度比在固态铝中的溶解度大19倍, 氢是造成铝合金铸件和铸锭气孔缺陷的主要原因 ^[1,2,3] 。铝合金熔炼过程中, 除氢处理是一个重要环节。除氢可采用化学方法, 也可采用物理方法。常用的是气泡浮游法, 其中旋转喷吹技术是目前世界上最流行、效果最好的一种除氢方法 ^[4,5,6,7,8] , 它是使惰性气体通过旋转的转杆和转头喷入到铝合金熔体内部, 由于初始气泡中氢的分压为零, 所以熔体中的氢在压力差的作用下会扩散进惰性气泡中, 并随气泡的上浮而被排除。气泡的大小是除氢效果的关键因素 ^[9,10] , 气泡尺寸越小, 与熔体接触的比表面积就越大, 氢扩散进气泡的几率就越大; 同时气泡尺寸越小, 上浮速度越慢, 与熔体作用时间越长, 除氢效果越好。旋转喷吹技术是利用转头的高速旋转对气泡进行剪切破碎, 一般情况下气泡的尺寸为3~8 mm ^[11] 。为了进一步减小气泡的尺寸, 提高除氢效果, 本文作者在常规旋转喷吹技术的基础上, 首次提出采用脉冲进气方式, 旨在获得更为细小的气泡, 并对脉冲进气用于旋转喷吹技术进行初步的水力模拟研究。

1 实验

实验中采用Pyrotek公司生产的Calgas2000型旋转喷吹除气机和一个透明的有机玻璃坩埚 (d610 mm×900 mm) 研究喷吹出的气泡大小。在有机玻璃坩埚中注入清水, 将除气机的转头降至水中, 通气后使转头旋转, 转速固定为350 r/min, 用照相机拍下旋转喷吹过程坩埚中气泡的大小和分布情况。进气方式分为两种, 一种是常规的恒压进气, 另一种是脉冲进气, 以便作对比研究。

转头的材质为石墨, 形状结构如图1所示, 其中喷气孔是5个d2 mm的直孔。

图1 转头结构简图

Fig.1 Schematic diagram of rotating impeller head

2 脉冲气流的产生

在Calgas2000型旋转喷吹除气机的气路中并联电磁阀, 一个控制电路可产生0~100 Hz的电脉冲输出, 控制着电磁阀的通闭, 如图2所示。当电磁阀打开时, A, B两点均为高气压, 当电磁阀关闭时, 该支路无气体流过, 气体需经减压阀流过 (该支路是保证转头出口处有一个基本的压力, 以防止液体倒流) , 此时A点为高气压, B点为低气压。因此, 随着电磁阀的不断通闭, B点的压力变化为高—低—高—低……, 其频率取决于控制电路, 在0~100 Hz之间可调, 这样, 熔体中气体的吹入为脉冲方式。本文脉冲频率固定为15 Hz。

图2 脉冲进气法工作原理示意图

Fig.2 Scheme of principle of rotating and pulse puffing gas method

3 结果及讨论

实验中发现, 无论是恒压进气还是脉冲进气都存在相同的规律; 随着气流量的增大, 气泡的尺寸变小, 个数变多, 密度变大, 出现旋涡的时间滞后; 而相同气流量下, 脉冲进气可获得更为细小的气泡, 出现旋涡的时间也延长, 如图3所示。

向液体中吹气形成气泡有两种模型 ^[12,13] 。一种是气流量较小情况下的鼓泡模型, 认为气体在孔口处扩大而形成气泡, 气泡达到一定大小后则脱离孔口, 这样周期地进行着; 鼓泡模型中气泡是在静力学条件下形成的, 尺寸较大, 主要取决于液体的密度和表面张力等因素。另一种模型是气流量较大情况下的射流模型, 认为气体在孔口处不扩大, 而形成连续的气体射流侵入到液体中, 在放射状射流区域的边界层附近可形成许多大小不同的气泡, 这些气泡在离开孔口一定距离后从射流中分离出来, 形成气泡群, 当射流断裂时也会形成气泡群; 射流模型中气泡是在动力学条件下形成的, 相比之下, 射流形成的气泡尺寸要比鼓泡形成的小得多。

Farlas和Robertson ^[14] 的研究认为, 当喷射数N_i>0.4时, 形成射流, 小于此值时则形成鼓泡。

图3 气流量对气泡尺寸 (a) 和出现旋涡时间 (b) 的影响

Fig.3 Effect of gas flux on bubble size (a) and emerging vortex time (b)

$Ν_{i} = (\frac{2 π^{2} v_{0}^{2}}{d_{0} g})^{2 / 5} (\frac{ρ_{g}}{ρ_{l}}) ? ? ? (1)$

式中 v₀—喷嘴出口的气流速度, m/s; d₀—孔口直径, m; ρ_g—气体的密度, kg/m³; ρ_l—液体的密度, kg/m³。

研究认为, 一股气流射入到液体中, 既有鼓泡模型产生的气泡, 又有射流模型产生的气泡, 各占一定的比例。气泡的平均直径随雷诺数的增大而减小 ^[15] 。

将本实验条件下各个气体流量换算成气流速度并代入式 (1) 计算出喷射数, 如表1所示。可以看

表1 气流速度和喷射数的计算值

Table 1 Calculated value of speed and N_i of gas current

Gas flux / (m³·h^-1)	Constant pressure		Pulse gas current
Gas flux / (m³·h^-1)	v₀/ (m·s^-1)	N_i	v₀/ (m·s^-1)	N_i
0.283	5	0.070	10	0.123
0.425	7.5	0.098	15	0.170
0.566	10	0.123	20	0.214
0.708	12.5	0.147	25	0.256
0.849	15	0.170	30	0.296
0.991	17.5	0.192	35	0.335
1.132	20	0.214	40	0.372
1.274	22.5	0.235	45	0.409
1.415	25	0.256	50	0.445

出, 无论是恒压进气还是脉冲进气, 随着气流量的增加, 喷射数N_i也增加, 所以射流程度增加。另外气流量增加使气流速度和雷诺数也增加, 气泡尺寸变小。实验中, 恒压进气下所有的实验点都不满足产生射流的条件, 而脉冲进气在气流量大于1.274 m³/h时即可产生射流。因为, 电磁阀的通闭占空比为1∶1, 也就是通断时间的分配比例各为50%, 相同条件下脉冲进气的气流速度要比恒压进气的大1倍, 所以脉冲进气更有利于射流的产生。从能量的角度看, 脉冲进气势必会造成出口处的压力波动, 增加紊流程度, 也有利于减小气泡的尺寸。

以上讨论是基于转头静止的情况, 气泡的尺寸一般在10 mm以上, 实际上在铝合金熔体净化旋转喷吹技术中, 小气泡的获得主要是靠转头的旋转对大气泡进行剪切破碎来实现。但是, 初始气泡的大小至关重要, 因为初始气泡越小, 破碎后的气泡也越小。由于气泡在液体中上浮的速度较快, 剪切破碎的作用时间较短, 因此减小初始气泡的尺寸就显得尤为重要。脉冲进气与恒压进气相比, 在相同的气流量条件下可减小气泡的初始尺寸, 因此也减小了破碎后的气泡尺寸, 图4是一组不同气流量、不同进气方式下, 旋转喷吹后气泡大小的对比照片, 从中可以看出脉冲进气的优点。

图4 恒压进气和脉冲进气旋转喷吹后气泡的大小对比

Fig.4 Comparison between sizes of bubble inputted with constant pressure or pulse gas current (a) —Gas flux 0.283 m³/h, constant pressure; (b) —Gas flux 0.283 m³/h, pulse gas current; (c) —Gas flux 0.849 m³/h, constant pressure; (d) —Gas flux 0.849 m³/h, pulse gas current