工藝參數(shù)對(duì)鎂熔液中氫氣泡析出動(dòng)力學(xué)的影響

許四祥，侍海東，王忍寶，張炳剛，翟健健

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工藝參數(shù)對(duì)鎂熔液中氫氣泡析出動(dòng)力學(xué)的影響

許四祥，侍海東，王忍寶，張炳剛，翟健健

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243002)

針對(duì)高溫鎂熔液中氫氣泡析出過(guò)程的可監(jiān)控性難問(wèn)題，利用建立的鎂熔液氫氣泡析出動(dòng)力學(xué)模型分析多個(gè)因素對(duì)氣泡析出動(dòng)態(tài)變化的影響。采用傳統(tǒng)的單因素法，設(shè)定不同初始半徑、不同初始高度以及不同鎂熔液溫度的工藝參數(shù)條件，探究氫氣泡的各項(xiàng)特性參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。將特定工藝參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)方程在MATLAB中進(jìn)行編程計(jì)算，得到氣泡上浮速度、氣泡半徑及氣泡上浮高度的變化曲線(xiàn)。結(jié)果表明：在滿(mǎn)足鎂熔液?氫氣泡相體系條件下，氣泡初始形核高度及鎂熔液溫度對(duì)氫氣泡析出變化影響較小，氣泡初始半徑對(duì)其析出影響較為顯著。相同時(shí)刻下，氫氣泡初始半徑與氣泡上浮速度、上浮高度都成正相關(guān)；且在一定變化范圍內(nèi)，隨著氣泡初始半徑增大，氣泡到達(dá)最大上浮速度的時(shí)間滯后性更大。

鎂熔液；氫氣泡；工藝參數(shù)；動(dòng)力學(xué)

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因在同類(lèi)材料中具有密度小、比強(qiáng)度和剛度高以及減震性好的優(yōu)越性能，在日常制造業(yè)及高尖端領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng) 用[1?3]。但鎂鑄件中顯微氣孔的存在嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，而顯微氣孔主要來(lái)源于氫，故在提煉時(shí)必須對(duì)鎂合金液進(jìn)行除氣處理，以減少或消除鎂鑄件中的顯微氣孔。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金熔液中氫及除氫工藝的研究也越來(lái)越多。許四祥等[4]從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鎂合金熔液除氫的影響，并對(duì)除氣機(jī)理進(jìn)行了研究；WANG等[5]研究了熱處理工藝對(duì)鎂合金組織以及其力學(xué)性能的影響；賈征等[6]和何麗娜等[7]利用超聲處理工藝對(duì)鎂及其合金液進(jìn)行除氣研究，此工藝因可以細(xì)化鑄態(tài)組織，利于氣泡上浮，故取得了較好的除氣效果。此外，國(guó)內(nèi)外研究者[8?11]也有從氣泡演變規(guī)律、旋轉(zhuǎn)噴吹除氣以及其他非熔劑凈化工藝等方面來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)分析以提高鎂制品性能。雖然利用旋轉(zhuǎn)噴吹除氣及超聲處理等非熔劑凈化工藝很大程度上減少了顯微氣孔，但是旋轉(zhuǎn)噴吹需要考慮轉(zhuǎn)速、氣流量及離底間隙等諸多因素，超聲處理也需要嚴(yán)格控制好施加功率和處理時(shí)間的關(guān)系，故這些工藝方法均須嚴(yán)格控制好工藝參數(shù)才能取得較好除氣效果，且此類(lèi)研究都僅局限于宏觀層面，對(duì)于微觀層面上的鎂合金液中氫的形核析出及顯微氣孔的產(chǎn)生機(jī)理尚未有更加深入的研究。為此，本文作者利用所建立的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)鎂熔液中氫氣泡的形核析出變化進(jìn)行研究，探索工藝參數(shù)對(duì)氫氣泡析出動(dòng)態(tài)特性的影響，為鎂合金熔液除氫提供理論依據(jù)。

1 氫氣泡析出動(dòng)力學(xué)模型

在鎂熔液?氫氣泡相體系中，氫氣泡形核后析出，上浮過(guò)程中會(huì)受到上浮力、自身重力、液體粘性阻力、外加質(zhì)量力[12]以及Basset力[13]的作用。根據(jù)之前的研究成果，得到鎂熔液中氫氣泡析出動(dòng)力學(xué)模型[14]：

2 參數(shù)設(shè)定分析

假設(shè)鎂熔液?氫氣泡在某一限定的容器中，氣泡內(nèi)壓強(qiáng)與氣泡距離鎂熔液表面高度以及上浮高度之間有如下關(guān)系：

式中：atm為鎂溶液上方氣體壓力；為鎂熔液表面張力；0為初始時(shí)刻氫氣泡距離鎂熔液表面高度。

化簡(jiǎn)動(dòng)力學(xué)模型的微分方程組，根據(jù)Runge-Kutta原理，本文作者選用ode45功能函數(shù)，在MATLAB的輔助下進(jìn)行編程求解。動(dòng)力學(xué)模型中的參數(shù)值[17?18]以及鎂熔液?氫氣泡相體系下所研究的工藝參數(shù)的單因素水平分別如表1和2所列。

表1 計(jì)算參數(shù)值

表2中編號(hào)1所設(shè)置的工藝參數(shù)值為初始條件。編號(hào)1、2、3組成鎂熔液溫度變化對(duì)鎂熔液氫氣泡析出影響的分析組A；編號(hào)1、4、5組成初始高度變化對(duì)鎂熔液氫氣泡析出影響的分析組B；編號(hào)1、6、7組成初始?xì)馀莅霃阶兓瘜?duì)鎂熔液氫氣泡析出影響的分析組C。

3 工藝參數(shù)對(duì)氫氣泡析出的影響

鎂熔液中氫氣泡在析出過(guò)程中，非恒定附加質(zhì)量的變化難以確定，通過(guò)對(duì)Basset力的分析，在氫氣泡形核后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的初期，氣泡的加速度大于0，Basset力呈現(xiàn)出阻力的作用；但是隨著氣泡的上浮運(yùn)動(dòng)，發(fā)生變形，氣泡的體積變大，在Basset力及其他力的綜合作用下，會(huì)使氣泡速度增大的趨勢(shì)減緩，加速度逐漸變?yōu)樨?fù)值，而此時(shí)Basset力又呈現(xiàn)“浮力”作用。諸如溫度、氣泡形核大小、形核位置等工藝參數(shù)影響這些力的變化，同時(shí)，這些作用力又推動(dòng)氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，從而改變氫氣泡析出過(guò)程中的上浮速度、上浮高度、半徑等特性參數(shù)。

3.1 不同鎂熔液溫度下氫氣泡的析出變化

從熱力學(xué)的角度看，氣體會(huì)熱脹冷縮，故鎂熔液的溫度對(duì)氫氣泡的析出運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)分析組A進(jìn)行編程計(jì)算得到了不同鎂熔液溫度對(duì)氫氣泡析出變化影響的曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1中可以看出，在923 K、973 K、1023 K 3個(gè)鎂熔液溫度參數(shù)下，氫氣泡的上浮速度以及半徑都發(fā)生不同程度的變化(圖1中由于時(shí)間軸0~0.05 s區(qū)間值過(guò)度集中，為使圖示趨勢(shì)更明顯，將其省略，下文圖示亦是如此)。在正常的鎂熔液溫度范圍內(nèi)，氣泡的速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，上浮速度的最大值在0.2~0.25 s之間；溫度相對(duì)越高，氣體越活躍，同一時(shí)刻，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度也相對(duì)較大；同樣，氣泡半徑的變化量也相對(duì)較大。

圖1 不同鎂熔液溫度對(duì)氫氣泡析出變化的影響

3.2 不同初始高度下氫氣泡的析出變化

對(duì)于不同位置的氣泡，其形核后處于一定的壓力環(huán)境下，壓強(qiáng)會(huì)伴隨氣泡運(yùn)動(dòng)的變化而變化，而壓強(qiáng)又取決于氣泡所處高度，因而通過(guò)對(duì)分析組B進(jìn)行編程計(jì)算，得到圖2所示的不同初始高度對(duì)氫氣泡析出變化影響的曲線(xiàn)。

由圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于氫氣泡形核后不同的初始高度值，氣泡在上浮過(guò)程中，上浮速度的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，臨界最大速度值為0.2~0.25 s之間；且在某一時(shí)刻，初始高度值越小的氣泡上浮速度相對(duì)也越大；對(duì)于氣泡半徑也有相似規(guī)律，即初始高度值越小，氣泡半徑的變化相對(duì)也較大(見(jiàn)圖2(b))。這是由于隨著初始高度0的增大，氫氣泡所受的壓強(qiáng)相應(yīng)增大，使得A和I都不同程度的變大，兩者的相互作用改變著氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)至臨近析出界面時(shí)，以某一速度值析出并破裂消失。

圖2 不同初始高度對(duì)氫氣泡析出變化的影響

3.3 不同初始?xì)馀莅霃较職錃馀莸奈龀鲎兓?/p>

在氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其所受作用力均與氣泡速度、半徑有一定聯(lián)系，變化較難預(yù)測(cè)。而浮力是氫氣泡析出的唯一動(dòng)力源，對(duì)氣泡上浮運(yùn)動(dòng)有決定性作用，且與氣泡內(nèi)氣體成分及其他參數(shù)均無(wú)關(guān)，只由氣泡的半徑?jīng)Q定，因此，分析氣泡半徑變化對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響更為重要。通過(guò)對(duì)分析組C進(jìn)行編程計(jì)算，得到圖3所示的不同初始?xì)馀莅霃綄?duì)氫氣泡析出變化影響的曲線(xiàn)。

從圖3可以看出，對(duì)于不同初始半徑的氫氣泡，其上浮速度、半徑及上浮高度都有較大幅度的變化，但變化特性不盡相同。圖3(a)表明初始半徑為0.5 mm、0.75 mm時(shí)，氣泡上浮速度先增大后減小，且增大的速度明顯大于減小的速度，但隨著初始半徑變大，氣泡達(dá)到速度最大值的時(shí)間點(diǎn)會(huì)滯后。初始半徑為0.5 mm時(shí)，上浮速度在0.2 s時(shí)刻左右達(dá)到最大值；初始半徑為0.75 mm時(shí)，上浮速度達(dá)到最大值的時(shí)間相對(duì)滯后，在0.4 s時(shí)刻左右才達(dá)到，當(dāng)氣泡上浮速度從最大值開(kāi)始減小的時(shí)候，可以看出初始半徑相對(duì)大的氣泡，其上浮速度減小的速率卻相對(duì)較??；而初始半徑為1 mm時(shí)，上浮速度并未達(dá)到最大值。圖3(b)所示氣泡半徑的變化，在0~1 s內(nèi)，半徑的變化量與初始半徑設(shè)定值成正相關(guān)關(guān)系，初始半徑為0.5 mm的氣泡半徑變化量為0.11 mm，初始半徑為0.75 mm的氣泡半徑變化量為0.15 mm，初始半徑為1 mm的氣泡半徑變化量為0.23 mm，半徑變化量隨初始半徑值增大而增大。氣泡上浮高度變化規(guī)律亦同，即在氫氣泡上浮過(guò)程中，同一時(shí)刻，氫氣泡上浮高度會(huì)隨著初始設(shè)定半徑值的增大而增大(見(jiàn)圖3(c))。

圖3 不同初始?xì)馀莅霃綄?duì)氫氣泡析出變化的影響

然而對(duì)初始半徑為1 mm時(shí)，上浮速度在圖3(a)中并未達(dá)到最大值，說(shuō)明在1 s以后，氣泡的上浮速度仍有加速的趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)隨著氣泡的受力(尤其是非恒定附加質(zhì)量)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化將會(huì)呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究，且在此高溫環(huán)境下，氣泡半徑的增大也極有可能導(dǎo)致氣泡熟化。故在上述簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型下，氣泡初始半徑值在某一變化范圍內(nèi)會(huì)滿(mǎn)足上述規(guī)律，這也說(shuō)明氣泡形核大小在氣泡析出過(guò)程中對(duì)氣泡的各項(xiàng)特性參數(shù)影響最大。

4 結(jié)論

1) 在鎂熔液氫氣泡動(dòng)力學(xué)方程的支撐下，氣泡形核后的高度0、半徑、鎂熔液溫度等工藝參數(shù)對(duì)氫氣泡析出的動(dòng)態(tài)特性都會(huì)產(chǎn)生影響。在滿(mǎn)足鎂熔 液?氫氣泡相體系條件下，鎂熔液溫度對(duì)氣泡析出的動(dòng)力學(xué)量影響較小，同一時(shí)刻，氣泡上浮速度、半徑隨著溫度升高而變大。

2) 氣泡形核后的高度0、半徑對(duì)氣泡析出影響更為顯著。在其他工藝參數(shù)相同的情況下，等時(shí)間間隔內(nèi)，初始高度越小的氣泡，其上浮速度、半徑增大的越快。初始半徑對(duì)氣泡析出的影響最明顯，在一定范圍內(nèi)，初始半徑越大，等時(shí)間間隔內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)的位置變化幅度越大，氣泡上浮速度變化趨勢(shì)相同，但變化幅度不一樣，且氣泡到達(dá)上浮速度最大值的時(shí)間也越滯后。

3) 氣泡半徑作為影響浮力的最重要參數(shù)，對(duì)鎂熔液中氫氣泡析出影響很大，可以作為鎂液除氫過(guò)程中重要的考量參數(shù)，對(duì)改進(jìn)鎂液凈化方法具有重要指導(dǎo)意義。

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(編輯 李艷紅)

Effect of process parameters on dynamics of hydrogen gas bubble evolution in magnesium melt

XU Si-xiang, SHI Hai-dong, WANG Ren-bao, ZHANG Bing-gang, ZHAI Jian-jian

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China)

For a problem of monitoring and controlling of hydrogen gas bubble in high temperature magnesium melt, a built kinetic model of hydrogen gas bubble evolution was used to analyze the effect of factors on bubble evolution. The traditional single factor analysis method was adapted to study the relationship of characteristic parameters of hydrogen gas bubble with time under the condition of setting up different process parameters, including primary radius, primary height and magnesium melt temperature. The dynamics formulas with different process parameters were calculated by MATLAB, the changing graphs of bubble rising speed, bubble radius and bubble rising height were gotten. The results show that, if the set parameters are satisfied for magnesium melt-hydrogen gas bubble phase system, the primary bubble nucleation height and magnesium melt temperature have little influence on bubble evolution, while the primary radius has more influence on that. Meanwhile, with the increase of the primary radius of bubble, the rise speed and rise height are all increasing at the same time. But, with the bubble radius increasing in a certain range, the time researching up to the maximum rising speed has larger delay.

magnesium melt; hydrogen gas bubble; process parameter; dynamics

Project(51374007) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (11040606M104) supported by the Natural Science Foundation of An’hui Province, China

2015-04-08；Accepted date: 2015-12-08

XU Si-xiang; Tel: +86-18855599697; E-mail: xsxhust@ahut.edu.cn

1004-0609(2016)02-0296-06

TG243

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374007)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11040606M104)

2015-04-08；

2015-12-08

許四祥，教授，博士；電話(huà)：18855599697；E-mail: xsxhust@ahut.edu.cn