铝熔体除氢的研究

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1、上海交通大学博七学位论文铝熔体除氢的研究摘要随着铝及铝合金在汽车、航空航天、电子等行业中的广泛应用，对于铝及铝合金的质量要求也越来越高，因此，铝熔体内氢的去除一直受到高度的重视。现有铝熔体除氢技术的理论依据是气泡浮游原理，其中应用最广泛的是旋转喷吹除氢技术，但由于受到动力学因素的限制，除氢效率难以得到质的提高。本文在现有研究的基础上，利用粒子图像测速技术(PIV)对旋转喷吹过程中熔体和气泡的运动以及气泡尺寸进行了水模拟测试，并对铝熔体表面吸氢进行定量研究；针对旋转喷吹除气法的不足，从动力学理论出发，提出了喷雾除氢方法，研究了喷雾除氢过程

2、的热力学平衡及动力学除氢方程，设计并加工了喷雾除氢试验装置，还利用喷雾除氢试验装置进行了铝熔体喷雾除氢的优化试验。利用PIV设备观测了旋转搅拌过程中液体的流场，结果表明：在转子的旋转速度大于400rpm时，能使流体在整个流场范围内规则地运动。在流场的运动中，流体以切向速度为主：除了在转予附近具有径向速度外，其余大部分流体区域的径向速度为零或很小：在整个流场内的轴向速度均很小，与切向速度相比相差一个数量级。PIV测试中，气泡同时具有切向速度、径向速度和轴向速度，因此气泡呈螺旋上升的。气体流量越大，气泡越大，气泡的轴向速度越大，气泡向上运动

3、的方向与水平方向的夹角越大，使得气泡在螺旋上升的过程中与液体的有效接触面积越小；旋转速度越大，气泡的径向速度和切向速度越大，气泡向上运动的方向与水平方向的夹角越小，使得气泡在螺旋上升的过程中与液体的有效接触面积越大。利用软件分析技术对PIV测试中拍摄的气泡照片进行了气泡尺寸的分析。分析结果表明，气泡尺寸随着转子转速的提高而下降，随着气体流量升高而增大。对各种试验条件下熔体表面的吸氢速度进行了定量测量，结果表明，熔体温摘要度越商，烙体的表面吸氢越严重。熔体温度为670℃时，表面吸氢速度随时削燹化的表达式为：竺≥：1些，熔体温度为800'c

4、时，表面吸氢速度随时间口lqj}岛．2b+t变化的表达式为：堡≥：1』坠。熔体表面的大气湿度越高，熔体的表面d，√212．296+f吸氢速度越高，在熔炼气氛的湿度为0．012kgH20／kgN2时，表面吸氢速度随时间变化的表达式为：竺摹：dt0．009当熔炼气氛的湿度为0．043kgH20／kgN2时，表面吸氢速度随时间变化的表达式为：竺≥：_7尘些三一。熔体内部的dt一82。803+t旋转搅拌越激烈，熔体的表面吸氢速度越高，当旋转转子的转速为100rpm时，熔体的表面吸氢速度随时间变化的表达式为：竺≥：一7—坠，当旋转转子dt√132

5、．153+f的转速为500rpm时，熔体的表面吸氢速度随时间变化的表达式为：堡≥：_7』垒丝一。利用高温光学显微镜对氧化膜观测的结果表明：在不同的m■46．288+t温度下，熔体表面的氧化膜形貌不同，700。C时熔体表面氧化膜具有较多的皱褶，750。C时表面的氧化膜皱褶减少，表面变得较为平整，800"C时表面的氧化膜处于绷紧状态并出现了裂纹。与传统的旋转喷吹除氢法把惰性气体吹入铝熔体的做法截然相反，喷雾除氢法是通过高压雾化气体将铝熔体雾化成液滴后喷入净化气体中实现除氢的新方法，它相对于旋转喷吹除氢法具有许多显著的优点：易获得细小且分布均

6、匀的雾滴状熔体，为熔体除氢提供了有利的除氢动力学条件；净化气体对氢的容纳能力远大于熔体雾滴本身对氢的容纳能力，使得喷雾除氢具有良好的除氢热力学条件：在喷雾除氢过程中不存在熔体吸氢现象：由于除氢处理时净化气体比较集中，容易实现净化气体的循环利用。通过理论分析得出喷雾除氢法的除氢热力学平衡方程为c，=c，一器c?；在分析喷雾除氢过程动力学环节的基础上，从扩散方II上海交通大学博十学位论文程，出发建立了喷雾除氢的动力学方程．C(忙怠--．!砌6Co：exp(一业R2)1，由动力学方程可知，减小熔体液滴的尺寸有利于改善喷雾除氢的动力学特性。此外

7、，对于某一确定的初始氢含量和熔体液滴尺寸，可通过增加除氢处理炉的炉膛高度以增加熔体液滴从处理炉项部到底部的下落时间，从而获得较低的铝熔体氢含量。在设计和加工喷雾除氢装置时，选用不锈钢作为雾化器的材质，雾化器设计为Freefall型。确定导液管的长度以超出雾化器的厚度3mm左右为宜。理论推导了雾化后熔体液滴在竖直方向上的运动位移和运动速度与运动时间的关系，并依据此结果设计喷雾除氢处理炉炉膛的高度，确定了处理炉炉膛的高度为400喷雾除氢试验结果表明：底吹的净化气体不能使用氮气，否则会由于无法完全排出空气而使熔体“增氢”并使氧化央杂急剧增加。

8、采用氩气作为净化气体有很好的除氢效果：熔体温度越高，则经雾化后，熔体液滴的尺寸越小，在喷雾除氢过程中，熔体温度过低或过高都会使除氢效果下降，比较适合的熔体温度为750℃；雾化气体压力越大，则经雾化后，熔体液