泡沫陶瓷離心過濾鋁合金熔體的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鋁合金作為汽車、電力和國(guó)防等領(lǐng)域普遍使用的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，它具備一系列比其他有色金屬更優(yōu)良的特性。但由于鋁合金熔體中夾雜物和氣體等冶金缺陷的存在，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能和使用性能產(chǎn)生極大的危害。因此為生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁合金鑄件并提高其綜合性能，對(duì)熔體進(jìn)行除雜凈化處理是必要的保證措施。過濾技術(shù)是公認(rèn)的在鑄造過程中能去除金屬熔體內(nèi)夾雜物的最簡(jiǎn)便、最便宜且有效的方法。泡沫陶瓷過濾器因其能顯著降低鑄件夾渣而被大量的應(yīng)用于金屬熔體的除雜凈化系統(tǒng)內(nèi)。為

2、了提高過濾效果而采用大孔密度的泡沫陶瓷過濾器時(shí)，熔體在泡沫陶瓷內(nèi)的流動(dòng)會(huì)受到較大的阻力作用，使熔體不能通過過濾器。因此基于泡沫陶瓷在重力場(chǎng)下過濾的方法，引入離心力場(chǎng)的作用，增加熔體在進(jìn)入泡沫陶瓷時(shí)所受的壓力，使鋁合金熔體能通過較小孔徑的泡沫陶瓷過濾器，從而有效地增強(qiáng)泡沫陶瓷的除雜凈化效果。
　　本文通過對(duì)泡沫陶瓷進(jìn)行離心過濾鋁合金熔體的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作，深入了解了泡沫陶瓷過濾器內(nèi)鋁合金熔體的流動(dòng)與換熱過程，同時(shí)研究了泡沫陶瓷

3、過濾器過濾夾雜物顆粒的機(jī)理及效率。數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟是建立表征泡沫陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的單元體。通過掃描電鏡獲取泡沫陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，然后基于Weaire- Phelan泡沫模型構(gòu)建了兩個(gè)表征不同孔隙率范圍的理想化的泡沫陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)單元體，最后利用ANSYS-FLUENT軟件模擬泡沫陶瓷表征單元體內(nèi)鋁合金熔體的流動(dòng)行為和夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　在孔隙尺度下研究了離心過濾工藝參數(shù)和泡沫陶瓷結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，如鋁合金熔體溫度、過濾裝置的

4、離心轉(zhuǎn)速、泡沫陶瓷的孔隙率和孔密度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)過濾模型內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況以及夾雜物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的影響規(guī)律。研究表明：
　?。?）鋁合金熔體在泡沫陶瓷內(nèi)流動(dòng)所受阻力的大小會(huì)隨著泡沫陶瓷孔密度和過濾裝置的離心轉(zhuǎn)速的增大而增大，但鋁合金熔體溫度和泡沫陶瓷孔隙率的增大則會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力的減??；
　　（2）泡沫陶瓷的過濾效率會(huì)隨著過濾裝置的離心轉(zhuǎn)速、泡沫陶瓷孔密度和鋁合金熔體溫度的增大而增大，但泡沫陶瓷孔隙率的增大會(huì)導(dǎo)致過濾效率

5、的減小；
　?。?）各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)泡沫陶瓷的過濾效率和熔體在泡沫陶瓷內(nèi)流動(dòng)所受阻力的影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋号菽沾煽酌芏?過濾裝置的離心轉(zhuǎn)速>鋁合金熔體溫度>泡沫陶瓷孔隙率。
　　最后對(duì)夾雜物過濾的數(shù)值模擬結(jié)果與泡沫陶瓷離心過濾鋁合金熔體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們具有較好的趨勢(shì)一致性，因此泡沫陶瓷離心過濾鋁合金熔體的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)鋁合金熔體的過濾工藝有一定的指導(dǎo)作用。為了提高泡沫陶瓷離心過濾鋁合金熔體的效率，可以選用高孔密度和低