0. 引言

A356鑄造鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、流動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于汽車領(lǐng)域中輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、連桿等零件的制造，以滿足輕量化環(huán)保的要求[1]。熔煉工藝對(duì)鋁合金鑄件成分均勻性影響很大，為提高鑄錠質(zhì)量，從國外引入了多種鋁合金熔煉裝置，而在這些裝置中石墨轉(zhuǎn)子作為關(guān)鍵部件，起著非常重要的作用：一方面，氣體熔劑通過石墨轉(zhuǎn)子導(dǎo)入鋁熔池，破碎成細(xì)小氣泡并向四周分散；另一方面，攪拌鋁熔體使成分均勻分布。目前，國內(nèi)普遍采用徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉A356合金，但是該結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子形成的軸向流動(dòng)較弱，鋁熔體均勻分散效果較差，制備的鋁合金鑄錠成分偏析嚴(yán)重，不同批次鑄件的性能出現(xiàn)較大的波動(dòng)，工藝穩(wěn)定性差[2]。鋁合金鑄件成分的均勻性水平直接影響鋁合金零件的最終質(zhì)量[3-4]，因此，迫切需要進(jìn)行新型石墨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，以改善鑄件的成分均勻性。

針對(duì)熔煉裝置中傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子存在攪拌死角，導(dǎo)致不同批次鋁輪轂成分均勻性出現(xiàn)較大差異的問題，作者設(shè)計(jì)了一種新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，并借助于流體力學(xué)理論對(duì)該新型石墨轉(zhuǎn)子的流場(chǎng)特性開展研究，確定了最優(yōu)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及位置參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子進(jìn)行了A356合金的熔煉試驗(yàn)，研究了鋁合金鑄件各元素分布的均勻性，以期為新型石墨轉(zhuǎn)子的研制以及鋁合金熔煉工藝的深入研究提供試驗(yàn)參考。

1. 新型石墨轉(zhuǎn)子的研發(fā)及工藝參數(shù)優(yōu)化

1.1 新型石墨轉(zhuǎn)子的研發(fā)

某鋁輪轂生產(chǎn)企業(yè)的傳統(tǒng)A356合金熔煉裝置如圖1（a）所示，由轉(zhuǎn)運(yùn)包和徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子組成。以該傳統(tǒng)裝置為原型機(jī)，針對(duì)熔煉裝置中徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子存在的攪拌死角問題，開發(fā)新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子。混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子主要由2個(gè)軸流式葉輪和1個(gè)徑流式葉輪組成，徑流式葉輪位于2個(gè)軸流式葉輪的中間，具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示?；炝鹘Y(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)思路如下：（1）下軸流式葉輪起攪動(dòng)熔池池底的作用，同時(shí)利用螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)提高鋁液的升力；（2）利用中間徑流式葉輪將鋁液向熔池四周分散；（3）利用上軸流式葉輪進(jìn)一步提高鋁液的升力，使熔池內(nèi)形成良性循環(huán)，從而達(dá)到成分均勻的目的。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及位置直接影響著鋁液的流型、循環(huán)及擴(kuò)散等[5-6]。對(duì)于傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子底部與熔池底部的距離為轉(zhuǎn)子直徑的1/10~1/2時(shí)，轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)對(duì)池底的充分?jǐn)噭?dòng)[7-8]；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，其對(duì)鋁液的剪切作用增強(qiáng)，有助于打散合金團(tuán)塊；優(yōu)選的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在300~500 r·min?1[5，9]。混流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)徑流式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上存在很大差異，這種結(jié)構(gòu)差異必然會(huì)使轉(zhuǎn)速及位置參數(shù)發(fā)生變化。在前人研究成果[8-11]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子的熔煉裝置的轉(zhuǎn)運(yùn)包直徑、轉(zhuǎn)運(yùn)包高度、軸流式葉輪直徑、徑流式葉輪直徑分別為290，270，40，48 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子底部與熔池底部的距離如表1所示，轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間距離的取值分別為軸流式葉輪直徑（40 mm）的1/4和1/2，模型與實(shí)際裝置的尺寸比例為1∶3。依據(jù)多重參考系法將搭建的A356合金熔煉攪拌熔池流場(chǎng)模型分為2個(gè)流體區(qū)域，即旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域[10]，如圖1（c）所示。其中：旋轉(zhuǎn)區(qū)域包含混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；靜止區(qū)域包括轉(zhuǎn)運(yùn)包熔池內(nèi)的鋁液，采用靜止坐標(biāo)系。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計(jì)算熔池流場(chǎng)的速度分布。

圖 1 傳統(tǒng)熔煉裝置和新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)以及熔池流場(chǎng)模型

Figure 1. Structure of traditional smelting device (a), noval mixed-flow structure graphite rotor (b) and flow field model of molten pool (c)

1.2 轉(zhuǎn)子數(shù)模離散化及求解條件設(shè)定

鑒于軸流式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在很多不規(guī)則部位的情況，在ANSYS ICEM界面采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格離散化劃分，對(duì)靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理。為了準(zhǔn)確捕捉混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子周圍層流的細(xì)節(jié)，分別對(duì)靠近轉(zhuǎn)子部位以及熔池底部區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。最終生成的靜止區(qū)域單元總數(shù)為1 085 722個(gè)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域單元總數(shù)為644 753個(gè)。

將網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS FLUENT流體仿真軟件中，設(shè)置各參數(shù)及邊界條件如下：鋁液的溫度設(shè)定為750 ℃，密度和黏度分別為2 300 kg·m?3和0.001 1 Pa·s；鋁液的流動(dòng)設(shè)為單相流動(dòng)，初始時(shí)刻鋁液表面為平面，邊界對(duì)稱；熔池的內(nèi)壁、混流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子表面定義為無滑動(dòng)壁面邊界；在熔池內(nèi)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流體轉(zhuǎn)速與混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子（350 r·min?1或450 r·min?1）相同，靜止區(qū)域的流體轉(zhuǎn)速設(shè)置為0；計(jì)算模型使用穩(wěn)態(tài)的三維模型。選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型對(duì)熔池內(nèi)鋁液流場(chǎng)進(jìn)行求解，并將變量的標(biāo)準(zhǔn)化殘差小于10?5作為模擬收斂的條件[11]。

1.3 流場(chǎng)模擬結(jié)果

1.3.1 徑向速度

圖2為仿真得到的不同轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)子底部與熔池底部距離下（1#~4#工藝）鋁液的徑向速度分布，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子底部中心。由圖2可以看出：當(dāng)x在0.05~0.06 m時(shí)，不同熔煉工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的徑向速度隨著x的增大而線性增加，2#和4#工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的徑向速度最大值遠(yuǎn)大于1#和3#工藝下；當(dāng)x位于0.06~0.14 m時(shí)，1#、3#和4#工藝下鋁液的徑向速度隨著x的增大而急劇衰減，2#工藝下在x=0.06~0.10 m區(qū)域鋁液的徑向速度基本保持不變，在x=0.10~0.14 m區(qū)域下降。由此看出，2#工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的徑向流場(chǎng)更加穩(wěn)定，這可能與流場(chǎng)受到熔池反射作用的影響較小有關(guān)[6]。當(dāng)x=0.05 m時(shí)，不同工藝下中間徑流式葉輪區(qū)域鋁液的徑向速度均具有最大的初始值，且2#工藝下的初始值最大；隨著x的增大，不同工藝下鋁液的徑向速度均呈指數(shù)下降，其中在x=0.05~0.06 m區(qū)域的衰減尤為顯著，這與中間徑流式葉輪和下軸流式葉輪之間形成的渦流有關(guān)。下軸流式葉輪形成的負(fù)壓主要通過中間徑流式葉輪和下軸流式葉輪之間的鋁液進(jìn)行補(bǔ)充，該補(bǔ)充鋁液的流動(dòng)方向與中間徑流式葉輪輸送鋁液的流動(dòng)方向相反，會(huì)極大消耗中間徑流式葉輪的流場(chǎng)能量；隨著中間徑流式葉輪的流場(chǎng)能量與下軸流式葉輪形成的負(fù)壓的此消彼長，導(dǎo)致池壁鋁液的徑向速度為負(fù)值。不同工藝下上軸流式葉輪區(qū)域鋁液的徑向速度均為負(fù)值，表明在上軸流式葉輪部位的鋁液不是向四周分散流動(dòng)，而是向上軸流式葉輪部位匯集，這與渦流的形成有關(guān)。由于中間徑流式葉輪形成的負(fù)壓大于上軸流式葉輪的輸出能量，在上軸流式葉輪部位的鋁液主要以回流形式補(bǔ)充負(fù)壓。綜上，1#和2#工藝的鋁液流場(chǎng)更加平穩(wěn)。

圖 2 仿真得到不同工藝下不同區(qū)域鋁液的徑向速度分布

Figure 2. Radial velocity distribution of molten aluminum in different regions under different processes obtained by simulation: (a) lower axial-flow impeller (y=0, z=0); (b) middle radial-flow impeller (y=0, z=0.03 m) and (c) upper axial-flow impeller (y=0, z=0.06 m)

1.3.2 切向速度

由圖3可以看出：隨著x的增大，不同工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的切向速度均以指數(shù)函數(shù)形式下降；1#和2#工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的切向速度峰值出現(xiàn)在x=0.05 m處，3#和4#工藝下鋁液的切向速度峰值出現(xiàn)在x=0.058 m處，這表明熔池內(nèi)的高速流動(dòng)區(qū)域主要集中在下軸流式葉輪的邊緣；2#工藝下下軸流式葉輪區(qū)域鋁液的切向速度峰值最大，約為0.24 m·s?1。當(dāng)x=0.050~0.056 m時(shí)，不同工藝下中部徑流式葉輪和上軸流式葉輪區(qū)域鋁液的切向速度均隨著x的增大而線性下降；當(dāng)x=0.060~0.014 m時(shí)，切向速度呈先增大后減小的拋物線變化。當(dāng)流場(chǎng)速度不低于臨界懸浮流速時(shí)，鋁液各個(gè)組分的沉降速度與鋁液上升速度保持平衡，并形成懸浮[12]，此時(shí)可視為混合均勻。采用粒子成像測(cè)速技術(shù)測(cè)得的臨界切向速度為0.020 m·s?1。不同工藝下各區(qū)域鋁液的切向速度基本均大于0.020 m·s?1，可知熔池中的鋁液得到充分混合。鋁液的切向速度受轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間距離、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響顯著，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高或轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間的距離越小，切向速度越大。2#工藝下不同區(qū)域鋁液的切向速度峰值最大，表明熔池中鋁液向四周分散的效果最好。

圖 3 仿真得到不同工藝下不同區(qū)域鋁液的切向速度分布

Figure 3. Tangential velocity distribution of molten aluminum in different regions under different processes obtained by simulation: (a) lower axial-flow impeller (y=0, z=0); (b) middle radial-flow impeller (y=0, z=0.03 m) and (c) upper axial-flow impeller (y=0, z=0.06 m)

1.3.3 軸向速度

由圖4可以看出：在x=0，y=0.05 m以及x=0，y=0.08 m處，不同工藝下鋁液的軸向速度均為負(fù)值，說明在此區(qū)域內(nèi)鋁液向下流動(dòng)；隨著高度的增加，即z的增加，軸向速度波動(dòng)，這可能與熔煉過程中鋁液形成渦流有關(guān)。在x=0，y=0.12 m處，1#和2#工藝下鋁液的軸向速度均為正值，且隨著高度的增加而增大，這表明半徑為0.12 m圓柱區(qū)域形成了上升流場(chǎng)。當(dāng)z=?0.025~0.030 m時(shí)，3#和4#工藝下鋁液的軸向速度均為負(fù)值，當(dāng)z≥0.030 m時(shí)，軸向速度均為正值，說明在半徑為0.12 m圓柱區(qū)域，鋁液存在互相干涉情況，這會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)能量的損耗。

圖 4 仿真得到不同工藝下不同位置鋁液的軸向速度分布

Figure 4. Axial velocity distribution of molten aluminum at different positions under different processes obtained by simulation

1.4 參數(shù)優(yōu)化

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在2#工藝下進(jìn)液區(qū)和出液區(qū)的流場(chǎng)互不干涉。由圖5可以看出，鋁液以較高的速度（2.39~7.43 m·s?1）沿葉輪徑向射出，在碰到池壁反射后，分成2股，一股向上流動(dòng)，一股向下流動(dòng)，向上流動(dòng)的速度約為0.07 m·s?1。向上流動(dòng)的鋁液上升到一定高度后返回，在上軸流式葉輪的下方形成漩渦；向下流動(dòng)的鋁液碰到池底折回后，在下軸流式葉輪的下方形成漩渦，起到攪動(dòng)池底鋁液的作用。同時(shí)，鋁液由中間徑流式葉輪向四周高速分散后（綠色箭頭位置所示），在中間徑流式葉輪底部形成類似漩渦的區(qū)域。這是上軸流式葉輪和中間徑流式葉輪以及下軸流式葉輪和中間徑流式葉輪之間的有效徑向半徑存在差異造成的。中間徑流式葉輪的有效徑向半徑大于上軸流式葉輪和下軸流式葉輪的有效徑向半徑，導(dǎo)致中間徑流式葉輪區(qū)域形成的負(fù)壓較大；負(fù)壓效應(yīng)使得部分經(jīng)由上、下軸流式葉輪甩出的鋁液重新流回中間徑流式葉輪區(qū)域的上方和下方，從而有利于促進(jìn)鋁液成分之間的進(jìn)一步擴(kuò)散和均勻混合。熔池上部尤其靠近液面處的鋁液在上軸流式葉輪導(dǎo)流部件的引導(dǎo)下，以0.09 m·s?1的速度向下流動(dòng)，對(duì)混流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的真空區(qū)域（藍(lán)色箭頭部位）進(jìn)行了有效補(bǔ)充。該流速大于臨界切向速度0.020 m·s?1，因此鋁液可以在熔池內(nèi)部以懸浮形式存在，并最終在徑向、切向和軸向形成了良性立體循環(huán)流動(dòng)?；谏鲜鼋Y(jié)果，A356合金熔煉的優(yōu)選工藝為2#工藝，即轉(zhuǎn)子底部與熔池底部間距離為20 mm（下軸流式葉輪直徑的1/2），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350 r·min?1。

圖 5 仿真得到2#工藝下鋁液的軸向截面速度分布(x=0，y=0)

Figure 5. Axial section velocity distribution of molten aluminum under 2# process obtained by simulation (x=0, y=0)

2. 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料為A356合金，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為6.5~7.5Si，0.30~0.45Mg，0.10~0.20Ti，≤0.01Sr，余Al。采用立式電阻熔煉爐進(jìn)行熔煉，所用石墨轉(zhuǎn)子分別為傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子和研制的混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子。在熔煉期間將Al-10Sr合金作為變質(zhì)劑加入到鋁液中。對(duì)于傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間距離為葉輪直徑的1/2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350 r·min?1；對(duì)于混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間距離為葉輪直徑的1/2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350 r·min?1。將獲得的鋁合金鑄錠分別切割成5個(gè)片狀試樣，并將片狀試樣加工至表面平整光亮。

選用單因子方差統(tǒng)計(jì)分析法定量評(píng)價(jià)A356合金元素分布均勻性[13]。在每個(gè)試樣表面等距離地選擇12個(gè)位置作為測(cè)試點(diǎn)，采用OBLF QSN750-II型電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)的硅、鎂、鈦和鍶元素含量，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)測(cè)5次。采用JXA8230型電子探針分析微觀成分。在鋁合金鑄件上切割尺寸為?22 mm×5 mm的金相試樣，經(jīng)過打磨、拋光，采用Axio Vert A1型光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 元素含量

由表2可以看出：利用傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子和混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到A356合金的硅、鎂、鈦和鍶含量均在規(guī)定范圍內(nèi)[4]。