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浙江工业大学硕士学位论文 基于流动传热分析的镁合金熔化炉结构设计与研究 摘要 随着镁合金产品制造产业的发展，作为镁合金产品制造的关键设各，镁合金 的熔化炉、压铸机以及回收设备的研究开发得到了国内外研究机构和企业的广泛 重视。但镁合金的一系列特性如易氧化燃烧、压铸温度高、热容量小等特点，带 来了镁合金产品相关设备的开发和制造难度。目前只有少数几个工业发达国家可 以生产。尽管有几家国内企业的镁合金熔化炉投入生产，但是在节能、定量喂料 精度、温度控制精度、熔炼质量方面与国外产品存在较大差距。浙江省科技厅计 划项目“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与开发 基于此背景提 出。 本文对镁合金熔化炉的结构进行设计与研究，首先对镁合金熔化炉的主体结 构进行了设计，在此基础上，分别从镁合金熔液的流动模拟、熔铝实验两方面对 镁合金熔化炉的结构进行了优化，进而再设计了镁合金熔化炉，并分析了影响取 料室镁合金熔液温度波动的因素。 本文基于正交试验法对镁合金熔液在连续浇注过程中的流动进行模拟分析， 采用极差法处理结果数据，得出取料室与熔化室体积比为1 ：3 时，取料室内镁 合金熔液温度波动较小。在此基础上，进行了熔铝实验，得出电阻丝与坩埚外壁 的距离对取料室铝液温度波动及电能的损耗影响最大，其次是铝锭的重量，取料 的速度及铝锭的预热温度。其中，电阻丝与坩埚外壁的距离为5 0 m m 时取料室的 铝液温度波动最小，并且电能消耗最少。通过绘制因素水平趋势图，分析出一个 较优的熔化方案并验证了该方案组合的优越性。 根据镁合金熔液的流动模拟与镁合金熔化炉熔铝实验优化得到的熔化炉结 构，对镁合金熔化炉进行了再设计，实验表明再设计的镁合金熔化炉热损失较低。 关键词：镁合金熔液，镁合金熔化炉，正交试验，温度波动 浙江工业大学硕士学位论文 s t r u c t u r ed e s i g na n dr e s e a r c ho nm a g n e s i u m a l l o y m e l t i n gf u r n a c eb a s e do nf l o wh e a tt r a n s f e r a n a l y s i s a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n to fm a g n e s i u m ( m g ) a l l o yp r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a s c a u s e daw i d ea t t e n t i o nf r o mr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n di n d u s t r i e so nm g a l l o ym e l t i n g f u m a c ed i ec a s t i n gm a c h i n ea n dr e c y c l i n gf a c i l i t y , t h ek e ye q u i p m e n t si nm g a l l o y p r o d u c tm a n u f a c t u r e h o w e v e r , d u et os o m ep a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c so fm ga l l o y , e g h i g h l yf l a m m a b l e ，h i 出d i e c a s t i n gt e m p e r a t u r e ，s m a l lt h e r m a lc a p a c i t ye t c i ti sm o r e d i f f i c u l tt od e s i g no rp r o d u c et h e s ef a c i l i t i e s ，t h u so n l ys e v e r a ld e v e l o p e dc o u n t r i e s h a v et h i sa b i l i t y t h e r ea r es o m ed o m e s t i cc o m p a n i e sp r o d u c i n gm ga l l o yf u m a c e s t h o u g h ，t h ep e r f o r m a n c eo ne n e r g ye c o n o m y , q u a n t i t yp o u r i n gp r e c i s i o n ，t e m p e r a t u r e c o n t r o lp r e c i s i o na n dm e l t i n gq u a l i t yi sf a rb e h i n d b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n to fz h e j i a n gp r o v i n c e sp r o j e c t ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h ee e o - f r i e n d l ym ga l l o yr e m e l t i n gt e c h n i q u e & q u a n t i t a t i v e p o u r i n gf u r n a c e ，w a sp r o p o s e d t h i st h e s i sh a sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e dt h es t r u c t u r eo fm g a l l o ym e l t i n gf u r n a c e f i r s t ，t h ef u r n a c es t r u c t u r ew a sd e s i g n e d t h e n ，i tw a so p t i m i z e db a s e do nm gm e l t f l o ws i m u l m i o n ，a l u m i n u mm e l t i n ge x p e r i m e n t sa n dr e d e s i g n e dt h em a g n e s i u m a l l o y m e l t i n gf u r n a c e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ep o u r i n gc h a m b e rt e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e d a sw e l l b a s eo no r t h o g o n a lt e s tm e t h o d ，t h ef i n i t e e l e m e n t sa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no n m ga l l o ym e l tf l o wd u r i n gt h ec o n t i n u o u sp o u r i n gp r o c e d u r ew e r ec o n d u c t e d ，t h e r e s u l t sp r o c e s s e db yr a n g ea n a l y s i sm e t h o di n d i c a t e st h a tw h e nt h ev o l u m er a t i oo f 浙江工业大学硕士学位论文 p o u r i n gc h a m b e ra n dm e l t i n gc h a m b e ri s 1t o3 ，t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni np o u r i n g c h a m b e rr e a c h e st h em i n i r n u l nv a l u e b a s e do nt h i sr e s u l t s ，a l u m i n u mm e l t i n g e x p e r i m e n t sw e r ep r o c e e d e dn e x t , w h i c hs h o w e dt h a td i s t a n c eb e t w e e nh e a t i n gw i r e a n dc r u c i b l e ，i n g o tw e i g h t ，p o u r i n gf r e q u e n c ya n di n g o tp r e - h e a tt e m p e r a t u r ea f f e c t t h ef l u c t u a t i o ni ns e q u e n c e t h ep r o p e rd i s t a n c et om i n i m i z et h ef l u c t u a t i o na n d e n e r g yc o n s u m p t i o ni s5 0 m m a l s o ，a no p t i m i z e dm e l t i n gs c h e m ew a sc o n c l u d e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed i a g r a m so fi n f l u e n t i a lf a c t o r sr e s u l t e df r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，a n dt h es c h e m ew a sv a l i d a t e dt h r o u g ha l u m i n u mm e l t i n ge x p e r i m e n t s t h em a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf - t u t l a c ew a sr e d e s i g n e da c c o r d i n gt oo p t i m a l s t r u c t u r ef r o mm g a l l o ym e l tf l o ws i m u l a t i o na n da l u m i n u mm e l t i n ge x p e r i m e n t s t h e e x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e dt h ef u m a c ed e v e l o p e da n dd e s i g n e dt h r o u g hm e t h o d s m e n t i o n e da b o v em e e tt h ee n e r g ye c o n o m yr e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：m a g n e s i u mm e l t ，m a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c e ，o r t h o g o n a lt e s t ， t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：立雁七 日期： 印7 年岁月二7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“妒) 作者签名：丑嗄苫日期：卅年f 月2 le l 导师签名：悸朋几日期：1 年r 月叫日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1研究背景 镁合金是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，目前已被国 内外重新认识并积极开发。该材料能回收再利用、无污染，是2 l 世纪的绿色工程 材料，它对于节约资源、减少污染排放都具有重要而现实的意义。而且，镁是地 球上储量最丰富的元素之一，约占地壳总重量的2 【l 】，而中国的镁资源储量位 居世界首位，镁产量占世界总产量的7 0 左右 2 1 ，资源非常丰富。而且镁合金是 当前最轻的金属结构材料，与钢、铝相比，镁合金具有许多优越特性【3 巧】： 镁合金密度小，只及钢铁的1 4 ，铝合金的2 3 ，应用于车辆零部件上能有 效降低重量，节省能源。 比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料。比刚度与铝合金、钢 铁基本持平，远高于工程塑料。 阻尼性能好，吸震能力强，具有极佳的减震性，其减震性能比铝高3 0 倍， 比钢高近6 0 倍，用在车辆车上可提高安全性和舒适性。 导热性好，稍逊色于一般铝合金，是工程塑料的3 0 0 倍，且温度依赖性低， 可用于制造要求散热性能好的电子产品。 在惰性气体保护下，镁合金的机械加工性好( 制粉、切割) ，适合于压铸 成型而且具有薄壁铸造性能，最薄可达0 4 5 m m 。 镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变( 相对于工程材 料) 。 镁合金可全部回收利用，被誉为“2 1 世纪绿色金属结构材料。 正由于镁合金材料具有以上优良性能，近年来，镁合金在各工业领域的应用 迅猛增长，尤其是在汽车、摩托车工业和信息产业等领域得到了日益广泛的应用。 镁合金产品已经成为绿色环保、先进性和高品质的象征。 随着镁合金产品制造产业的发展，作为镁合金产品制造的关键设备，镁合 浙江工业大学硕士学位论文 金的熔化炉、压铸机以及回收再造设备的研究开发得到了国内外研究机构和企业 的广泛重视。但镁合金的一系列特性如易氧化燃烧、压铸温度高、热容量小等特 点，带来了镁合金产品制造和回收设备的开发和制造难度，通常的轻合金熔化炉 和压铸机难以满足镁合金产品生产的需要。目前只有少数几个工业发达国家可以 生产。尽管国内有几家企业的镁合金熔化炉投入生产，但是在节能、定量喂料精 度、温度控制精度、熔炼质量方面仍与国外产品存在较大的差距。存在的问题主 要表现在：连续浇注过程中镁合金熔液温度波动较大，镁合金熔液的质量较差， 从而影响压铸件的质量；镁合金的熔化和保温均需耗费大量的能源，由于国内 的镁合金熔化炉未能设计能量的综合利用和节能控制手段，导致该设备的热效率 较低；部分熔化炉缺少杂质过滤处理装置，难以确保镁合金熔液的纯净度，可 能影响镁合金产品的制造品质。因此，加强镁合金再熔工艺的研究，开发绿色环 保的用于镁合金产品制造和回收的镁合金熔化炉成为当务之急。 本论文以浙江省科技厅计划项目“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料 炉研究与开发 为背景，主要对镁合金熔化炉结构进行设计并对其进行研究。 1 2 镁合金熔化炉研究现状 镁合金熔化炉作为镁合金产品生产的关键设备，国外的研究开发起步较早。 由于镁合金的易氧化燃烧的特点，造成镁合金熔化炉的开发难度大，目前仅有国 外发达国家的几家公司能够生产镁合金熔化保温定量喂料炉。国外研制生产压铸 镁合金熔化炉的厂家主要分布在北美和欧洲，在全球范围内，美国、加拿大、德 国、奥地利、挪威和俄罗斯的镁合金生产技术处于领先水平【6 l 。美国、加拿大、 德国、奥地利、挪威等国家主要提供以混合气体保护、电阻坩埚熔化为主体的成 套系统，或从事镁合金锭的生产；俄罗斯拥有成熟的镁合金生产技术，并于2 0 世纪6 0 - 7 0 年代实现批量生产，俄罗斯工业生产主要采用燃气反射炉和工频感应 熔炼炉，并可提供成套熔铸技术【引。 美国d y n a r a d 公司开发出的电炉模拟软件( f u r n a c em o d e l i n gs o f t w a r e ) 对镁 合金熔炼炉进行设计，设计者能分析各种重要的电炉设计变数，包括加热元件的 负荷和耐热炉衬的效率，并可计算不同炉液温度下的熔化率和此种熔化率对镁合 金熔炼坩埚材料中临界热梯度的影响阴【8 1 。 德国西炉( w e s t o f e n ) 公司研制的双炉结构，采用熔化和保温浇注两个完全 2 浙江工业大学硕士学位论文 独立的坩埚，其中一个坩埚进行熔化，而另一个坩埚则进行保温浇注，从而有效 的防止了镁合金熔液温度的波动【1 2 1 。 奥地利劳和( 1 h u c h ) 公司的镁合金熔化炉采用将坩埚隔离为相互独立、一 大一小的两个熔池，在大熔池里进行加料熔化，在小熔池内进行熔液等温和浇注， 这种结构的坩埚具有抑制小熔池内的熔液温度明显波动的功f 毙j 9 1 。 国内在气体保护压铸镁合金连续熔化浇注炉的研制上起步较晚，目前从事镁 合金熔化炉研究和开发的单位主要有重庆硕龙科技有限公司、清华大学、上海交 大、郑州有色金属研究所和上海乾通公司等。 重庆硕龙科技有限公司联合重庆大学相继开发了“镁合金连续熔化和定量浇 注技术 、“复合钢板坩埚成形技术 、“镁合金新型挤压铸造技术 和“镁合金回 炉料现场重熔精炼技术 ，开发了系列专利技术和设计，形成了具有自主知识产 权的“压铸镁合金连续熔化定量浇注炉 、“多功能镁合金保护气体装置、“镁合 金挤压铸造单元 和“镁合金废料现场重熔精炼系统”等镁合金熔铸装备产品， 重庆硕龙开发的用于镁合金精炼的坩埚如图1 1 所示，相关设计和技术均申报了 发明专利和实用新型专利1o 】【1 1 1 。 多 j ， j ， j ， ， j 。， - f 一 j - ， ，。一- i ，一l， ，f ，。-fiid rid i 图1 1 重庆硕龙开发用于镁合金精炼的坩埚 清华大学已与国内相关企业合作开发出具有国际先进水平的以混合气体保 护、电阻坩埚炉熔化为主体的大型镁合金熔铸成套系统和相关技术，并已应用于 浙江工业大学硕士学位论文 山西、河北若干企业的大规模生产。 上海交通大学发明的压铸阻燃镁合金及其熔炼和压铸工艺、铸造阻燃镁合金 及其熔炼和铸造工艺，着火点温度提高了2 5 0 * ( 2 ，力学性能与a z 9 1 d 镁合金相 当，还发明了耐热压铸阻燃镁合金及其熔炼和压铸工艺、塑性变形阻燃镁合金及 其熔炼和塑性变形工掣1 2 1 。 郑州有色金属研究所在半连续镁合金铸锭用熔炉方面进行了开发工作1 6 1 。 上海乾通公司为了满足镁合金压铸生产的需求，为自己的压铸机量身定做镁 合金熔化炉，采用传统的熔剂或s f 6 混合保护气体，单室焊接坩埚和电阻加热， 以液压驱动活塞进行定量浇注，此熔化炉现仅在该企业内部使用【6 】。 1 3 研究的目的及意义 近年来，国内镁产业发展迅速，在国际市场上已处于举足轻重的地位。但是， 我国镁行业仍存在着严重的结构性矛盾，突出表现在生产企业数量多、小而分散， 技术、装备落后，环境污染严重等问题，致使国内镁合金产品只能凭借资源、产 量和价格优势冲击国际市场，属于典型的以牺牲资源和环境为代价的生产方式。 上述问题亟待解决，其中熔铸装备和熔铸技术落后成为国内企业进一步增强国际 竞争力，以及向规模化、专业化和现代化发展的主要制约因素之一，在此形势下 开发适用于高品质镁合金生产的节能熔铸设备具有十分重要的意义0 1 。 本文所设计的镁合金熔化炉，坩埚结构采用双室结构，加热元件采用分层区 域式加热，采用此结构设计的镁合金熔化炉可以有效的提高镁合金熔液质量并使 熔化炉具有良好的节能效果。通过镁合金熔化炉的研究进而提升国内镁合金熔化 装备的技术水平。 1 4 研究技术路线 1 4 1项目研究技术路线 浙江省科技厅计划项目“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究 与开发 主要是对熔化系统、控制系统、气体保护系统、定量浇注系统等的研究 与开发，系统模块化方案如图1 2 ，项目技术路线如图1 3 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2 系统模块化方案 图1 3 项目技术路线 1 4 2 本文研究技术路线 本文研究内容是“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与开发 项目中的一个子项目，研究的技术路线如图1 4 。 5 浙江工业大学硕士学位论文 图1 4 本文研究技术路线 1 5 研究内容及框架 本文主要是对镁合金熔化炉的结构进行设计与研究，具体包括以下四个方面 的内容： 1 对镁合金熔化炉结构进行设计。 2 采用正交试验法，分析连续浇注过程镁合金熔液在坩埚内的流动及取料投 料对坩埚内镁合金熔液温度的影响，并对影响温度波动的各参数进行优化。 3 根据镁合金熔液的流动模拟得到的坩埚结构，采用自主开发的镁合金熔化 炉做熔铝实验，对镁合金熔化炉结构进行优化。 4 通过镁合金熔液的流动模拟与熔铝实验优化后的结构对镁合金熔化炉进 行再设计。 6 浙江工业大学硕士学位论文 本论文共分六章，整体结构框架如图1 5 所示。 第三章镁合金熔液的流动 入 第四章镁合金熔化炉熔铝试验研 模拟 究 叫 图1 5 论文组织结构 1 6 本章小结 本文首先介绍了本项目提出的背景，随着镁合金产品制造产业的发展，作为 镁合金产品制造的关键设备，镁合金的熔化炉、压铸机以及回收再造设备的研究 开发得到了国内外研究机构和企业的广泛重视。本章进而介绍了镁合金熔化炉的 国内外研究现状。然后提出了镁合金熔化炉的研发项目，分别阐明了项目与本文 所研究的子项目的技术路线，最后搭建出了本文的论文结构框架。 7 浙江工业大学硬士学位论文 第二章镁合金熔化炉系统结构设计 2 1 镁合金熔化炉功能结构分析 镁合金熔化炉由气体保护、镁锭预热、加料、连续熔化、定量浇注、三维定 位、安全保障和集成控制等部分组成。其结构如图21 所示【瑚。 臣亟至) f 字 l _ r 卜| ! ! ! ! 竺 垂困 气体保护系统丰要尾为镁舍金熔液提供持续有效的气体保护。目前，镁合金 熔化炉普遍用“与镁熔液反应成膜”的s r 气体和将反应成膜气体均匀分布到熔 池 方的“载流气体”按比例混合成“保护气体”，为熔液提供阻燃保护。 定量浇注系统通常由泵、加热浇管和三维定位等三部分组成它主要是为压 铸机提供温度稳定的镁合金熔液，其上作原理和制造质量直接关系到熔炉的稳定 可靠性、镁台台熔液利用率、生产维护难易和使用成本等诸多问题。因此，定量 浇沣系统足保障镁台会压铸牛产连续稳定的关键之一。 安伞保障系统是杜绝熔铸工序严重安全事故的关键，对镁台金熔液有无泄漏 进行存线监控，以防止泄漏的镁合金熔液在炉内被加热、蒸发，镁合金又与空气 高度混合、发生氧化燃烧，放出高热量，炉内气氛受膨胀最终导致爆炸事故。 镁锭预热系统是为了去除镁锭表面吸附的水、油等挥发性杂质、提高熔炉的 熔化率、抑制加料导致熔液温度波动、降低加料工劳动强度，日前国外部分企业 圈赛 浙江工业大学硕士学位论文 采用预热设备对镁锭预热并自动加料，预热温度较高。我国镁合金压铸厂主要采 用炉盖进行预热，正常浇注时，炉盖温度较高( 3 0 0 。c ) ，可将镁锭经济的预热 到1 0 0 ( 2 2 0 0 c 1 2 1 。 本文主要是对镁合金熔化炉的结构进行设计与研究，针对本子项目的研究重 点，本章对镁合金熔化炉的主体结构进行设计。 2 2 熔化率的确定 本文所研究的镁合金熔化炉容量为15 0 k g ，适配于吨位为2 0 0 t 的压铸机。 压铸用镁合金熔化炉的熔化率s ( 公斤d , 时) 可以根据适配压铸机的最大 镁合金熔液需求量来确定： s = 压铸机每小时压铸次数每个压铸件的最大浇注质量 通常，2 0 0 吨压铸机的镁合金熔液最大浇注量为2 5 k g ，每2 分钟实现一次 压铸工艺循环。故与2 0 0 吨压铸机配套的镁合金熔化炉的熔化率为： s = ( 6 0 2 ) 2 5 = 7 5 公斤d , 时 ( 2 1 ) 2 3 熔化炉有效功率 熔炉的有效功率( r ) 为“熔化率 规定量镁锭所需要的热量，由以下热平 衡方程来确定： i pr l + r e + r 3( 2 2 ) 式中：r l 为将规定量镁锭从预热温度加热到熔点所需的热量，r 2 为熔化所需 热量，r 3 为从熔化温度加热到浇注温度所需的热量。 以上各部分热量可用以下公式确定： r l _ 重量温差平均热容= 7 5 k g 4 0 0 k x1 9 k j ( k g k ) = 5 7 0 0 0 ( k j ) r e 重量镁合金凝固潜热= 7 5 k g 3 7 3 k j k g = 2 7 9 7 5 ( k j ) r 3 = 重量温差平均热容= 7 5 k g 8 0 k x1 3 k j ( k g k ) = 7 8 0 0 ( k j ) 对电炉而言，由电能转化的热能q 电( k j h ) 为： q 电= 3 6 0 0 电炉功率( k w h ) ( 2 3 ) 故，无热损失的熔炉功率( p ) 为： p = ( r l + l b + r 3 ) 3 6 0 0 = ( 5 7 0 0 0 + 2 7 9 7 5 + 7 8 0 0 ) 3 6 0 0 = 2 5 8 ( k w ) 9 2 4 坩埚的冀蔓蚺蝌旧硅j 宏l 丰理有单室、双室和三室炉。单室是熔化、保温 啾三竺竺竺燃言：茹茹蜊 和镁合金熔垩篁竺都笔：黧未篡焉磊三二隔成两部分，隔 造，甜批量压竺三篓是：霎慧：竺茹蒜磊，向另一熔池提 板下部辄使黧篡嚣茎髫篡淼机提供镁能 供镁合金墨曼竺慧：掌篡：嚣毒磊磊镁合金熔液纯之、 融剃有篓愁篙凳# 一删脚 温度恒匙，三黧竺黧耋黧鬈篙袭嚣嘉磊2 熔化室温度低 粼嫡! 曼竺譬磊熔茬淼嬲膦， 有利于实现c 0 2 气体保护。中间室是密闭的，半佣腧h 掣一孙” 同时尝堡翟量三慧凳慧巍的镁能黼纯净黼受投料影响温璧 鳓燃篡瓣羹冀茹黼榭。为了譬 批三室燮竺髫嚣淼丢合金熔液的默 证镁合金竺登篓慧篇篇三拦磊：“：桫阍2 册示。 浇注量，本文研究的镁合金熔化炉坩埚结构米尸h 从王钥一一 图2 2 镁合金熔化炉坩埚结构图 坩埚! 篓竺斜= 警凳篆磊：篙篙等筹亲篙慧鬃嚣蒌 滤网的隔板隔开，滤网设在隔板的中间位置，i j 卧7 同双阻上l 协川“ 入取料室，隔板结构如图2 3 。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3 坩埚隔板 2 5 加热元件的设计 镁合金熔化炉的热源可用燃气、燃油、电阻或电感应加热。用燃气或燃油加 热时升温速度快，但燃烧产物中的水蒸气与镁合金熔液接触会发生爆炸，必须严 格隔离。电感应加热需用冷却水，一旦漏水，会增加发生事故的危险性。电阻加 热比较安全、可靠，且设备成本低，并且电阻加热不产生废气，熔化炉不必安装 额外的废气处理系统【2 2 1 。由于电阻加热的诸多优点，本熔化炉采用高品质电 阻丝作为加热元件。本文所设计的熔化炉采用加热元件区域式分布对坩埚进行加 热，电阻丝分别固定在电阻板上，再把电阻板分别固定在熔化室和取料室的炉墙 上，使取料室与熔化室的镁合金熔液分开并分层加热，电阻丝布置结构如图2 4 所示。 图2 4 电阻丝布置图 浙江工业大学硕士学位论文 2 6 炉衬的设计 2 6 1传热理论 热量传递是一种复杂的现象，在不同条件下具有不同的机理。在传热学中， 一般不考虑物质的微观结构，而是把物体当作一种无间隙的连续体看待。热量传 递有三种方式：热传导、热对流和热辐射，本文所研究的镁合金熔化炉炉衬上的 热传递可看作通过平壁的导热，所以只研究一维平壁的导热。 1 热传导傅里叶定律【2 3 1 当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低 温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这 种热量传递的方式称为热传导。 t 图2 5 热传导示意图 如图2 5 所示，图中的左右两个表面均维持均匀温度，分别为和， ，热量从左侧平面向右侧平面传递，满足以下关系式： 垒：丝! 幺二鱼! ( 2 - 4 ) fd 式中：q 为时间f 内的传热量或热流量；k 为热传导率或传热系数；丁为温 度；么为平面面积；d 为两平面之间的距离。 上式所表达的就是傅里叶定律，又称热传导基本定律。 2 通过多层平壁的导热【2 3 】 对于由n 层不同材料叠在一起组成的复合壁，它们之间的热流密度计算公式 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 是： 旷慕 弋1， 式中，g 为热流密度，万为壁厚，a 为导热系数。 各层之间的热阻表达式为： 生量：鱼 g 尘玉：垒 g如 垒二刍= ! ：垒 g九 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 6 2 炉衬材料设计 炉衬耐火材料和保温层的厚度与炉膛温度的关系见表2 - 1 。镁合金熔化炉炉 膛温度一般不超过9 0 0 。c ，对照表2 1 ，耐火层可选取容重小于1 的轻质粘土砖， 保温层可选用硅藻土砖、蛭石和石棉板等，但采用耐火纤维作隔热层时，不但可 以降低热损耗、减少热容、而且在相同的隔热条件下可以减薄炉墙厚度，减轻炉 墙重量【2 4 1 。所以在设计本熔化炉炉衬时，耐火层采用容重为o 8g c m - 3 的轻质粘 土砖，厚度为l1 3 m m ，国标中轻质粘土砖的规格为2 3 0 1 1 4 6 5 ，故耐火层厚度 选为1 1 4 m m ；保温层采用容重为0 1 6g c m - 3 的硅酸铝耐火纤维毡，厚度选为 4 0 m m ，炉衬结构如表2 - 2 所示。轻质耐火粘土砖和硅酸铝耐火纤维毡的物理性质 如表2 3 。 表2 - 1炉衬厚度与炉膛温度的关系f 2 4 】 耐火层保温层 炉温， 常用材料厚度，m m常用材料厚度，m m 3 0 0 6 5 0 容重 c 彳 d 浙江工业大学硕士学位论文 由结果可直观的看出，因素b ，即镁锭的重量对取料室内镁合金熔液温度波 动影响最大，其次是隔板的位置，镁锭的预热温度及取料的速度。由图3 6 因素 水平趋势图也可以看出，因素曰的变化趋势最大。 鬟沁 3 0 0 2 5 0 2 1 0 0 0 51 0 1 5 图3 6 因素水平影响趋势图 通过观察水平影响趋势图，分析得出一组最佳的参数组合方案a 4 b i c 2 d 1 。 该方案在上述八个方案之中，即方案4 为最优参数组合。 3 2 5 结论 通过对不同参数组合下的镁合金熔液浇注过程的流动模拟，可得出如下结 论： 1 每次向镁合金熔化炉中添加预热镁锭时都导致熔池内镁合金熔液温度的 动态波动。理论上讲，动态温度波动幅度( a t ) 可用下述热平衡公式【2 卿计算： 。镁锭质量( 平均热容x 温差+ 凝固潜热)，。亡、 刖2 雨面翮燕吾巧酾孺石丽r 勺) 一 熔池熔体热容熔池熔体质量 一 。 在镁合金熔化浇注过程中，每次投入的镁锭的重量对取料室内镁合金熔液温度波 动影响较大，由式3 - 5 可看出，镁合金熔液的温度波动与镁锭重量成正比，因此， 适当减小镁锭重量可以降低镁合金熔液温度的波动。 3 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 隔板在坩埚内的位置对取料室内镁合金熔液的温度波动也较大，如果取料 室偏大，每次投料时从熔化室涌入取料室的镁合金熔液就更多，造成取料室的温 度波动较大。适当减小取料室的大小，可以减小取料室内镁合金熔液的温度波动。 3 镁锭的预热温度也是影响取料室镁合金熔液温度波动的一个重要参数，由 式3 - 1 可知，在坩埚结构一定的情况下，影响镁合金熔液动态温度波动的参数主 要是镁锭的质量和镁锭预热温度与镁合金熔液之问的温差。所以，镁锭应预热到 较高温度以抑制投料导致的镁合金熔液温度波动。 4 由极差分析结果可知，取料速度的大小对取料室镁合金熔液温度波动影响 较小。 3 3 本章小结 本章首先介绍了计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的基础理论知识，然后分析了镁合金熔化炉在连续浇注过程中影响取料室镁合金 熔液温度波动的参数。本文以取料室镁合金熔液温度波动为实验指标，基于正交 试验法，建立这些参数的正交表，并对这些参数的组合方案进行流动模拟。通过 采用极差法处理结果数据，可知在所分析的参数中，投料的镁锭重量对取料室镁 合金熔液温度波动影响最大，其次是隔板的位置、镁锭预热温度和取料速度。通 过绘制因素水平影响趋势图，得到一组对取料室镁合金熔液温度波动影响最小的 方案a # b i c 2 d ，该方案正好是正交表中方案4 的参数组合。分析结果表明，适 当增大熔化室的体积可以有效地抑制取料室镁合金熔液的温度波动，本文在设计 隔板的位置时，把隔板安装在取料室与熔化室体积比为1 ：3 的位置处，在镁合 金熔化炉连续浇注实验中，隔板位置不再改变。 浙江工业大学硕士学位论文 第四章镁合金熔化炉熔铝实验研究 镁的化学性质极其活泼，在熔融状态极易与熔化炉添加物和车间常用物品材 料产生热化学反应，导致事故。因此，镁合金的熔炼通常需要使用熔液保护剂， 目前规模生产中广泛应用s f 6 和n 2 混合气体作保护气体【3 6 - 3 9 。本文按照技术路线 要求并从安全及经济角度考虑，在熔化浇注实验过程中，采用铝锭替代镁合金作 为熔化介质，从而取消了气体保护。通过对铝锭的熔化浇注实验，优化影响取料 室铝液温度波动及节能的参数，指导镁合金熔化炉结构的设计。 4 1镁合金熔化炉实验装置 4 1 1 测温热电偶的选择与布置 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直 接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广，可从一5 0 - 1 6 0 0 进行连续测量【2 8 】，工业上常见的热电偶参数【4 0 1 如表4 1 。 表4 - 1 热电偶技术参数 热电偶类别代号分度号测量范围 基本误著限 镍铬一康铜 w r ke0 8 0 00 7 5 t 镍铬一镍硅 w r nk0 1 3 0 00 7 5 t 铂铑1 3 - 铂 w r br0 1 6 0 00 2 5 t 铂铑1 0 - 铂 w r ps0 n 1 6 0 00 2 5 t 注：t 为感温元件实测温度值( ) 本文采用镍铬一镍硅k 型热电偶同时对镁合金熔化炉的熔化室、取料室、熔 化室炉膛及取料室炉膛进行测温。热电偶测温分布如图4 1 。 3 2 浙江工业大学硕士学位论文 图4 1 测温热电偶分布图 4 1 2 温度监控与数据采集 对镁合金熔化炉的工作情况进行实时监控是保证系统正常运行的必要且有 效的方法。温度监控包括温度数据的采集和显示。数据采集是利用p l c 通讯模 块控件中自带函数将p l c 中指定地址的数据读取并记录，同时方便用户日后查 看历史数据；数据显示将采集的温度数据以曲线的方式显示给用户查看。温度曲 线数据实时显示功能利用v b 6 0 中自带p i c t u r eb o x 控件结合p s e t 函数实现。该 温度监控系统由另一子项目开发，本文所分析的数据由另一子项目开发的温控系 统提供。 4 2 实验参数分析及结构优化 4 2 1 浇注过程实验方案的确定 根据前文镁合金熔液在动态浇注过程的流动模拟，得到优化后的隔板位置， 本文动态浇注实验中，隔板安装在取料室与熔化室体积比为1 ：3 的位置处。 镁合金熔化炉在一定功率条件下，炉膛的大小将直接影响加热时间、升温速 3 3 浙江工业大学硕士学位论文 度及取料过程熔液温度的波动。如果炉膛体积过大，将增加炉膛蓄热时间，升温 缓慢，不利于温度控制，并且会消耗更多的电能；较小的炉膛容易造成升温速度 过快，不仅影响温度的控制，而且由于过高的热应力对熔炉的安全使用及服役寿 命造成损害。因此，炉膛的大小将对节能和镁合金熔液温度的波动产生较大影响， 为了突出该参数对温度波动影响的重要性，本文选取厶( 4 1 2 4 ) ( 表4 2 ) 混和 水平正交表安排熔化浇注实验。具体选取的参数因素及水平安排如表4 3 。 表4 - 2 l 8 ( 4 1x 2 4 ) 正交表 列号列号 方案号实验号 abcdabcd l122l5lll2 2321163l22 3222272111 4421284l21 表4 3 因素及因素水平 因素水平 因素编号 l234 电阻丝与坩埚外壁距离m m a 4 0 5 0 6 08 0 铝锭预热温度 b1 5 02 0 0 铝锭重量k g c 3 6 取料速度k g s 1 dl2 4 2 2 浇注过程数据分析及结果 本文采用k 型热电偶测量取料室在连续浇注过程的温度，通过对各组方案进 行实验，其结果如表4 4 。 浙江工业大学硕士学位论文 表4 - 4 实验结果 实影响因水平 abcd取料室消耗电 验设置素电阻丝与坩埚铝锭预热铝锭质取料速，温度波 能 号ab cd外壁距离m温度 量k gk g s 一1 动悯h 1l2214 02 0 06l62 0 8 4 232116 02 0 03172 4 0 0 322225 02 0 06252 0 3 6 442128 02 0 032|2 6 2 8 511124 01 5 03252 0 8 4 63122 6 0 1 5 0621 l2 4 0 0 721115 01 5 03l42 0 3 6 84l218 01 5 06ll2 6 2 8 在所分析的八个方案中，方案3 、5 、7 的取料室温度波动较小，温度波动曲 线如图4 2 。从电能消耗情况看，方案3 和方案7 消耗的电能最小。 3 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 i1 2 约1 2 竹1 2 4 51 2 弱1 2 6 l1 2 6 9 tm ) ( a ) 方案3 温度波动曲线图 1 4 1 21 4 21 4 约 1 4 筠1 4 。“1 4 5 2 tt h ) ( b ) 方案5 温度波动曲线图 9 6 19 7 l9 8 19 9 1 1 0 0 11 0 11 t ( h ) ( c ) 方案7 温度波动曲线图 图4 2 浇注过程取料室温度波动曲线 方案l 、2 和6 温度波动都比较大，消耗的电能比较多，连续浇注过程取料 室温度波动曲线如图4 3 。 0 0 0 0 0 o 0 o 0 0 盯姻钒昭昭叭鲫诒 加 6 8 6 6 6 6 8 6 5 s d v d-，苗苗旨一 ；扣墙 6 6 6 6 6 6 6 6 5 5 一d一u，。对-置一 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 7 i 1 3 7 9 1 3 8 71 3 9 51 4 1 4 1 i1 4 1 9 t ( h ) ( a ) 方案1 温度波动曲线 1 2 s 41 2 6 2 6 7 0 6 6 0 6 5 0 6 4 0 6 3 0 6 2 0 6 1 0 6 0 0 5 9 0 5 1 2 71 2 t 81 2 8 b t ( h j ( b ) 方案2 温度波动曲线 1 2 8 41 2 1 2 9 41 2 1 3 0 41 3 1 3 1 4 t ( h ) ( c ) 方案6 温度波动曲线 图4 3 浇注过程取料室温度波动曲线 方案4 和方案8 在加热了1 6 个小时后熔化炉内铝锭只有小部分熔化，加热 非常缓慢，炉膛的升温曲线如图4 4 。 3 7 阳弱m5 6 6 6 6 6 6 6 6 s 5 dv。u，。幻-。h置d一 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0盯阳阳阱晌盆|叭锄鳓 u v o-芦妒霸_薯dh dv芦妒再-h每町卜 浙江工业大学硕士学位论文 _ 、 p x 苔 苗 慧 昌 0 0l2345 6了8 9l o l l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 t 瓴) 图4 4 方案4 、8 炉膛升温曲线 本文采用正交试验法安排了8 组参数组合方案，通过熔化实验，其中方案7 的参数组合对温度波动影响比较小且最为节能。为了分析各参数对取料室铝液温 度波动的影响程度及规律，得到一个更好的方案，本文采用极差法对实验结果进 行分析处理。 4 2 3 参数优化 本文以取料室铝液温度波动及电能消耗为优化目标，对各参数以百分制形式 进行综合评分，其取料室铝液温度波动小、电能消耗低的方案分值越好，综合评 分结果见表4 5 。然后对该评分结果进行极差分析。 表4 5 综合评分 实验号 l23456 78 评分 8 4 0 37 7 5 39 3 。4 65 09 6 1 55 7 1 41 0 05 0 极差是指一组数据中最大值和最小值之差，是用来划分因素重要程度的依 据。某因素的极差值越大，说明该因素的水平改变所引起实验结果的变化最大， 因素越关键9 1 。通过对取料室铝液温度波动及电能消耗的评分，极差分析结果 如表4 - 6 。 3 8 浙江工业大学硕士学位论文 4 6 各因素及水平极差分析表 因素 abcd 1 水平导致结果之和历 1 8 0 1 83 0 3 2 93 2 3 6 83 1 1 5 6 2 水平导致结果之和彤 1 9 3 4 63 0 5 0 22 8 4 6 32 9 6 7 5 3 水平导致结果之和局 1 3 4 6 7 4 水平导致结果之和局 1 0 0 极差a k9 3 4 61 7