【提要】通过对铸件的浇注系统、夹杂物的来源及金属液体流态进行的分析和氢气泡流体动力学实验,得出过滤器挡渣的主要功能是对浇注系统的液态金属“整流”的结果,并采用相似理论,通过水力模拟实验,利用最小二乘法得到过滤器流动阻力的表达式,进而得到含过滤器浇注系统的设计方法。
关键词:过滤器 夹杂物 净化机理 相似理论 最小二乘法 浇注系统
对于金属液过滤净化机理的研究,目前主要有三种观点,即机械筛分(拦截)、滤饼机制、深层过滤(化学吸附),但对一些现象还不能给以解释,或解释得牵强。例如,金属网丝制作的过滤器,其净化机理一般解释为机械拦截,但通过钼丝网和不锈钢网浇注的钢水和铁水,并未发现过滤网上有机械拦截的夹杂物。特别是,采用8#铁丝编织的过滤网〔1〕和在铁板钻孔所制成的过滤网〔2〕来过滤净化金属液,用上述三种观点更是难以解释。对于挡渣效果良好的砂芯型过滤器,经研究发现,浇注过程中砂芯型过滤器不但不能吸附夹杂物,相反由于钢(铁)液的冲刷,将自身的一部分带入到钢(铁)液中〔3〕。如果说,这是机械拦截作用,则也不能自圆其说。因为此种过滤器的孔径均较大(10mm以上),而夹杂物却不可能有如此之大。美国学者Greffin等人的研究表明〔4〕,钢铸件中的夹杂物按其来源是这样分布的:二次氧化夹杂占总夹杂物含量的83%;由造型材料被冲刷而产生的夹杂物占13%;其余的4%则由于浇注之前去渣不净造成的,其中,来自浇包1%、熔化造渣生成2%及采用铝脱氧而留下1%的夹杂物。由此可以看到,原始渣仅占总量的4%。实际上,铸件内的夹杂物主要是浇注过程中形成的。在使用过滤网净化金属液时,常将过滤网置于浇口杯的下部,而芯型过滤器则几乎全部放在浇口杯的下面,或直浇道的下部。即使过滤器的净化效率高,可将夹杂物去除50%,最多也只能去除总夹杂物的2%。而且,对于芯型过滤器,还有一部分砂芯被冲入,污染金属液。如此,目前的过滤净化机理尚存在较大的局限性,还不能够完全真实地反映过滤净化的本质,并给应用带来了一定的盲目性,尚有待于深化研究。本文对金属液过滤净化机理进行了进一步的研究,并提出了相应的含过滤器浇注系统的设计方法。
一、试验方法
试验原理是利用相似原理,采用最小二乘法求出流动阻力方程。
过滤网的制备分二组,每组有三种规格。第一组:过滤网采用铁丝网,其规格尺寸见表1;
第二组:在上组制备的基础上,喷涂一层高铬刚玉粉末(320目),以增加其粗糙度,用以模拟目前普遍使用的纤维过滤网。
二、试验结果与分析
1.层紊流过渡区试验分析
假设浇包口的底端与浇口之间的垂直距离h=0.1m,则根据动量守恒定律可知:浇注初期,金属液浇入到金属型腔中的流速v=1.4m/s。
浇注过程中,在大多数情况下,金属液都是以紊流状态充入型腔的。根据雷诺公式
Re = v.D/γ(1)
式中 Re———雷诺数 v———流速, m/s D———水力学半径, m
γ———运动粘度, m²/s
当金属液处于紊流时,即Re>2320,对于铸铁γ=0.55×10-6m²/s,则D=Re.γ/v=2320×0.55×10-6÷1.4=9.11×10-4m。即此时液流以原始充入速度可使直径大于0.0009m的管道呈紊流状态。显然,充入液流的动量是较大的。实际上,造成液态金属氧化夹杂物的主要原因就是由于金属在充填过程中紊流的影响。首先,紊流造成了流道内金属液表面氧化薄膜的破坏,使得空气不断与新的金属液接触,而氧化了的金属液包裹着氧化夹杂搅入到金属液中,并被均匀地混合,从而使氧化夹杂不断地生成。同时,紊流的存在导致了金属液对型腔的强烈冲刷,使一部分造型材料以夹杂物的形式进入到型腔,并使夹杂物在浇注系统中无法上浮,而不能被去除。
当雷诺数小于一定数值时,粗糙的型壁将完全被湮没在粘性底层中,而成为光滑面,此时的型壁对流动不产生影响,在水力学上称之为水力光滑壁面〔5〕。同样,在充型过程中,即使液流不处于层流状态,而呈紊流状态,只要粘性底层的厚度大于当量粗糙度,使液流与浇道的接触面成为光滑面,就能很好地防止二次氧化夹杂的形成及液流对型壁的冲刷作用,即可起到明显的挡渣(防止形成夹杂物)作用。
但紊流的存在使夹杂物在浇注系统中无法上浮和去除。根据流体力学,当金属液由静止不动状态发展到紊流状态而形成对数曲面流速分布时(见图1),其过渡区(在浇道中的加速长度)为:
当流道的直径为20mm时,则液流从静止状态发展到紊流状态形成对数曲面流速分布需要1000mm的距离。也就是说,即使金属液从开始静止的充填状态发展到充填过程中的紊流状态,但由于流道长度的限制使其不能够发展到稳定的紊流状态就结束了。显然,这种充填过程是极为有利的,因为即便在层流之后出现紊流,由于在层流期间夹杂物已经进入到粘性的边界层中,夹杂物将不会再度搅入型腔中。但问题的关键在于初始的液流已具有较大的动量,并使之一开始就处于紊流或近于紊流的流动状态。
现在,我们仍以直径为20mm的浇道为例,来分析在流道当中加入了过滤器后的流动状态。
10倍时相应的雷诺数也扩大10倍,此时液流完全处于紊流状态。按设计要求,过滤器安放处的截面积应扩大5~10倍。为更说明问题,现取5倍,同时,过滤器的开孔率取80%,则过滤器截面积相当于扩大4倍。以过滤网网孔尺寸1.4mm×1.4mm为例,则液流通过过滤器时雷诺数Re=405.6。由此可见,即使流道中液流流动的雷诺数是呈现紊流临界雷诺数的10倍,在过滤器的截面上仍保持为层流流动,而且其雷诺数远远小于临界值(相当于原始流动状态的1/40左右),这充分表明了过滤器(网)整流能力之强。
过滤器(网)的整流能力,使得原本具有极强的紊流流动的金属液,在流经过滤器(网)的时候,处于层流状态。在流经过滤器(网)之后,要恢复原来的紊流状态则需经过一个较长的过渡区。在该过渡区内液流尚未发展成为稳定的紊流状态或处于较小的紊流区,避免了金属液的二次氧化和对铸型的冲刷作用,从而起到了明显的挡渣作用,这就是金属网和芯型过滤器同样有较好的净化金属作用的原因。
2.过滤器流动阻力试验分析
前面讨论了过滤器(网)的水力半径对雷诺数的影响。实际上,液流从紊流到层流的变化同样也需要一段过渡距离,因此,过滤器(网)的厚度、结构形状以及其前、后雷诺数等参数的改变都会对整流作用产生较大的影响。过滤器整流能力大小主要取决于过滤器对液流流动的阻力,该阻力的大小也决定了在浇注系统设计时过滤器尺寸的大小。
假定在浇注系统中放置过滤器(网)处的几何尺寸不变(见图2),以过滤器的前方与后方为研究对象,则1-1, 2-2二端面的伯努利方程如下:
三、过滤网流动阻力公式应用
1.过滤网放置处放大截面积
生产中应遵守过滤器的安放不影响浇注系统流量变化的原则,需在安放过滤器的地方采取放大截面积的方法。目前国内外的研究结果只给出经验计算放大倍数的方法,即浇注系统在安放过滤器处应放大6~10倍,而过滤网则基本不变。但这只是粗略估算对于应用是极不利的。
2.过滤网安放位置
按照上述理论,芯型过滤器以及网型过滤器的动力学作用是第一位的,而直孔及泡沫陶瓷过滤器在大多数情况下,动力学作用也占主要地位。由此,引出对过滤器(网)在浇注系统中位置设计的新认识,提出了采用计算方法来确定过滤器(网)的放置位置。
(1)当浇包口的位置到浇口杯的距离与铸件浇注系统的长度之和大于50D时,取
四、结论
(1)在浇注系统中过滤净化金属液时,过滤器的“整流”能力起着主要的决定性作用。
(2)采用相似理论和因次分析的方法,利用最小二乘法求解的流动阻力方程简捷、实用。
(3)根据过滤器流动阻力方程,通过计算可确定浇注系统中安放过滤器处的截面积及位置,可精确地对过滤器的应用进行设计。
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