3 (72), 2013 138 / УДК 621 .74 Поступила 02.09.2013 Н. В. слетоВА, сРо РАл, и. Н. ВольНоВ, МГиу, с. П. зАДРуцкий, БНту, В. А. чАйкиН, филиал МГоу моделироваНие процесса удалеНия Неметаллических включеНиЙ в алюмиНиевых сплавах с исполЬЗоваНием программы FlOw-3d® Показано, что перспективными, с точки зрения экологической безопасности, материалами для изготовления рафи- нирующих препаратов для силуминов являются карбонаты кальция и стронция. Принципиальная возможность исполь- зования дисперсных карбонатов в рафинирующих смесях подтверждает моделирование процесса удаления неметалли- ческих включений в алюминиевых сплавах с использованием программы FLOW-3D. Высокая эффективность рафинирую- щей смеси с модифицирующим эффектом подтверждается промышленными испытаниями. The perspective materials for making fining preparations for the silumins are the calcium and strontium carbonates from the environmental safety point of view are shown. Principle possibility of using dispersed carbonates in the fining mixtures is con- firmed by late inoculation process research using simulation FLOW-3D.The high efficiency of the fining mixture with the inocu- lants effect is confirmed by the industrial tests. Известно, что наибольшее негативное влияние на свойства отливок из алюминиевых сплавов ока- зывают присутствующие в нем пленообразные включения оксида алюминия и водород, поэтому расплав перед разливкой подлежит обязательному рафинированию . В промышленных условиях наибо- лее технологичным и эффективным методом рафи- нирования алюминиевых сплавов является обра- ботка расплава специальными солевыми компози- циями на основе хлор- и фторсодержащих соеди- нений, что сопровождается выделением токсичных веществ, ухудшающих экологическую обстановку в цехе и отрицательно влияющих на здоровье ра- ботающего персонала . В качестве классического модификатора на постсоветском пространстве используют натрий . Для ввода Na в расплав традиционно применяют его фторид, что сопровождается выделением ток- сичных фтористых соединений . Исходя из сказанного выше, разработка экологи- чески безвредных, высокоэффективных, не требую- щих использования дорогостоящего оборудования материалов для проведения рафинирующей и моди- фицирующей обработок расплавов на основе алю- миния и технологий их применения весьма актуаль- на . Наиболее перспективными для решения этих за- дач служат карбонаты кальция и стронция . Термодинамическое моделирование вероятных химических и фазовых превращений в системах СаСО3-Аl и SrСО3-Аl-Si в температурном диапазо- не 943–1173 К при глубине погружения карбона- тов в расплав до 1 м с помощью программного комплекса HSC CHEMISTRY позволило устано- вить возможность протекания газотворных реак- ций 3СаСО3 + 2Аl → 3СаО + Аl2О3 + 3СО и 2SrCO3 + 2Al → 2Sr + Al2O3 + CO + CO2 [1, 2] . В результате реакций создаются потоки рафинирующего газа СО . Для подтверждения рафинирующей способ- ности образующегося газа в программном комп- лексе FLOW-3D® – гидродинамическом пакете об- щего назначения произвели моделирование про- цесса удаления оксидов алюминия с помощью всплывающих в металлическом расплаве пузырь- ков газа . Главная цель моделирования – расчет всплы- тия пузырьков газа в металлическом расплаве, за- хват ими включений, которые в этом расплаве при- сутствуют, и выведение их на поверхность . В качестве расплава использовали сплав АК12оч с плотностью rp = 6450 кг/м3 и температу- рой тсплава = 720 °С . Для сокращения затрат ма- шинного времени была рассмотрена следующая модельная ситуация . Столб расплава высотой 50 мм и поперечным сечением 20×20 мм с газовой «шап- кой» над ним высотой 10 мм (с тем же поперечным сечением) . На высоте от основания столба 10 мм на его оси располагали газовый пузырек диаме- тром 2,4 мм и внутренним давлением 0,145 МПа 3 (72), 2013 / 139 (рисунок, а) . Диаметр пузырька определяли рас- четным путем . На пути всплытия пузырька, т . е . на оси столба расплава на высотах 30 и 35 мм от основания столба, размещали две частицы вклю- чения диаметром 1,6 мм . Размер включений при- ближен к максимальному, что усложняет эвакуа- цию их из расплава . Перечисленных данных достаточно для описания закономерностей по- ведения частиц оксидов алюминия в масштабе ковша . Моделирование процесса проводили в про- граммном комплексе FLOW-3D® – гидродинами- ческом пакете общего назначения, который успеш- но используется для решения различных литейных и металлургических задач . В терминах FLOW-3D® задачу моделировали в постановке двух жидкостей (металлический расплав и газовая среда) с поверх- ностью раздела между ними и учетом поверхност- ного натяжения . При этом расплав считался жид- костью несжимаемой, а газовая среда, которой мо- делировали газовую «шапку» и газовый пузырек, считалась жидкостью сжимаемой . Поведение час- тиц включения в расплаве описывали моделью GMO (General Moving Object–свободного движе- ния твердого тела в потоке) [3], а поверхность раз- дела расплав – газовая фаза рассчитывали с помо- щью VOF (volume-of-fluid) метода [4, 5], так как главная цель моделирования не связана с теплопе- реносом, этой частью реального процесса в моде- лировании пренебрегали . Математическую модель процесса составляют следующие уравнения: течение жидкостей: металлического расплава и газовой среды, описывается системой гидроди- намических уравнений Навье–Стокса; уравнения неразрывности в приближении вяз- кой жидкости: сжимаемой для газовой фазы и не- сжимаемой для расплава: Результаты моделирования рафинирования сплава алюминия: а – газовый пузырек в начале пути; б – ассимиляция первой частицы; в – ассимиляция второй частицы; г – вынос частиц на поверхность сплава 3 (72), 2013 140 / где u, v, ω – компоненты вектора скорости; r, µ – соответственно плотность и коэффициент динами- ческой вязкости расплава; P – давление; t – время; g – вектор гравитации; i– индекс, принимающий значения «р» – расплав и «г» – газ . В уравнениях (1) для несжимаемого расплава принимается r = const . Система уравнений (1) дополняется следую- щими начальными и граничными условиями . 1 . Давление в газовой «шапке» и расплаве в на- чальный момент времени равно атмосферному . На- чальное давление в газовом пузырьке 0,145 МПа . 2 . На внешних сторонах расчетной области – гранях столба расплава с газовой «шапкой» задано условие симметрии . 3 . На границах раздела расплав – газовая фаза учитывается поверхностное натяжение в соответ- ствии с формулой Лапласа: , где σ – коэффициент поверхностного натяжения; r1 и r2 – ортогональные радиусы главных кривизн свободной поверхности . 4 . На границах контакта расплава с частицами принимается условие «прилипания», т . е . скорость расплава на твердых стенках частиц равна скоро- сти движения этих частиц . Результаты моделирования (см . рисунок) по- казали, что пузырек рафинирующего газа, всплы- вая, сталкивается с первой и второй частицами оксида алюминия . На неметаллические включе- ния, соприкасающиеся с поверхностью пузырь- ка газа, действуют силы поверхностного натяже- ния, удерживают их при всплытии и увлекают частицы оксидов за собой (см . рисунок б, в), вы- водя их на поверхность расплава, где сам пузы- рек исчезает, переходя в газовую фазу (см . рису- нок г) . Таким образом, моделированием в програм- мном комплексе FLOW-3D подтверждена рафини- рующая способность образующегося в системах СаСО3-Аl и SrСО3-Аl-Si газа . Литература 1 . С л е т о в а Н . В ., Ч а й к и н В . А ., З а д р у ц к и й С . П . и др . Термодинамическое моделирование химических реак- ций карбоната кальция в расплаве алюминия // Литейщик России . 2013 . № 4 . 2 . С л е т о в а Н . В ., Ч а й к и н В . А ., З а д р у ц к и й С . П . и др . Термодинамическое моделирование химических реак- ций карбоната стронция в расплаве алюминия // Литье и металлургия . 2012 . № 3 . С . 85–88 . 3 . Б а р х у д а р о в М ., В е й Г . Моделирование литейных процессов с изменяемой геометрией // Литейщик России . 2007 . № 12 . С . 10–15 . 4 . H i r t C . W ., N i c h o l s B . D . Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries // J . Computational Phys- ics . 1981 . Vol . 39 . P . 201–225 . 5 . В о л ь н о в И . Н ., Н а г о р н ы й В . С . Моделирование процессов получения монодисперсных капель жидкостей в электрокаплеструйных технологиях // Науч .-техн . вед . СПб ГПУ . Наука и образование . 2010 . № 4 . С . 294–300 . 2 2 3 , 2 2 3 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i du P u div d t x x x u u y y x z x z d P div d t y y y u z z y x y x   ∂ ∂∂ r = − + µ − ω +  ∂ ∂ ∂         ∂ ∂ν ∂ω ∂∂ ∂ µ + + µ +      ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂         ν ∂ ∂ν∂ r = − + µ − ω +  ∂ ∂ ∂       ∂ν ∂ω ∂ ∂ν∂ ∂ µ + + µ +   ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂     , 2 2 3 , ( ) ( ) ( ) 0, i i i i i i i i i i i i i i i i i i i d P div d t z z z u g x x z y z y u t x y z         ω ∂ ∂ω∂ r = − + µ − ω +  ∂ ∂ ∂         ∂ω ∂ ∂ν ∂ω∂ ∂ µ + + µ + + r      ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂       ∂r ∂ r ∂ r ν ∂ r ω + + + = ∂ ∂ ∂ ∂ (1)