0I:10.13374/j.1ssnl001-053x.1998.01.006 第20卷第1期 北京科技大学学报 Vol.20 No.1 1998年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1998 搅拌扭矩研究熔融铝合金的流变特性 潜伟吴铿储少军牛强 林怡娴 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要从理论分析将牛顿定律中剪切应力和剪切速率的关系转换为搅拌扭矩和转速的关系，并 通过实验进行验证，理论推导和实验的结果非常吻合，此方法可以用来判断熔体的流变特性，也 可以间接衡量增粘过程的效果. 关键词搅拌扭矩；铝合金，流变特性：增粘过程 分类号037，TB933 金属铝和锌等熔体加入增粘剂、发泡剂等可得到细胞状组织的发泡材料~引.制造泡沫 金属时，用搅拌桨对加入熔体的增粘剂、发泡剂等进行充分地搅拌，使之均匀混合以达到最佳 效果，熔体中加人适量的金属钙来改变其粘度是改善熔体泡沫化的有效办法，上野等研究了 在制造泡沫铝时的搅拌扭矩(M与搅拌时间()，气孔率及钙的加人量之间的关系，得到一些 有益的结果.由此可见在增粘过程中，搅拌扭矩是个重要的参数.本文通过理论分析和实验 得出用搅拌扭矩与转速()之间的关系表示剪切应力(x)和剪切速率(D)的关系， 1牛顿流体时搅拌扭矩和转速的关系 直接测量剪切应力和剪切速率这2个量需要使用专用设备，通过实验室的模拟实验得 到.而与其密切有关的熔体搅拌扭矩和电机转速，可从生产过程中较为容易直接测得.通过理 论分析可以得到在牛顿流体的条件下，将剪切应力和剪切速率的关系转换成熔体搅拌扭矩和 电机转速之间的关系 搅拌桨是由对称的4个单片搅拌桨叶组成，尺寸见图1，每个搅拌桨叶的受力如图1()所 示，取离轴线r处的山厚的微元受力分析如图1(b).平行于y轴的S面只受正应力（σ）作用， 平行于x轴的S,面只有流体对其的切应力作用，而2个斜面S,既有正应力又有切应力的作 用.假定在桨叶厚为α，宽为b,斜面的交角为0上，各面所受的切应力和正应力处处相等，并且 x轴水平方向与y轴竖直方向上所受力达到平衡，在分别求出微元体的各受力面积后，可给出 沿y轴水平方向受力为： g·sin8=2x·cos8 (1) 沿x轴水平方向受力（将上式代入后）为： df=a(a-b/2ctg0)dr+tbdr+(o·ctg0+2x)(b/2)d山r=t(2b+2a·ctg0)dr (2) 微元所受的扭矩为： dM,=rdf=2x(b+a·ctg)rd山r (3) 1997-11-04收稿潜伟男，25岁，顶士吴男，45岁，博士，副教授 ◆国家自然科学基金资助课题(No59574026)
第2 0 卷 1 9 9 8 年 第1期 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f Un i v e r si ty o f 阮i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V 0 1 . 2 0 N O . l F e b . 1 99 8 搅拌扭矩研究熔融铝合金 的流变特性 潜 伟 吴 铿 储少军 牛 强 林 怡娴 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 83 摘要 从理 论分 析将牛顿定律 中剪切 应力和 剪切速 率的关 系转 换为搅拌扭 矩和转速 的关系 , 并 通 过实脸 进行验证 , 理 论推导和实验的结果 非常吻合 . 此方法 可 以 用来判 断熔体 的流 变特性 , 也 可以 间接衡量增 粘过程的效果 . 关挂词 搅拌扭 矩; 铝合金 ; 流变特性 ; 增粘过程 分类号 0 3 7 , T B 9 33 金 属 铝 和锌 等熔体加 人 增粘 剂 、 发 泡剂 等可得 到 细 胞 状组 织 的 发泡 材料 【’ 一 ’ ] . 制 造泡 沫 金属 时 , 用搅拌桨 对加 人熔体的增粘 剂 、 发泡剂等进行 充分 地搅拌 , 使之 均匀混 合 以 达到 最佳 效果 . 熔体中加人 适量 的金属 钙来改变其粘度 是 改善熔体泡 沫 化 的有效 办 法 . 上 野等研 究 了 在 制 造 泡 沫铝 时 的搅拌扭 矩 (娜 与搅 拌时 间 (t) , 气孔 率及钙 的加人 量之 间的 关系 , 得 到 一些 有 益 的 结果 41t . 由此可 见在 增粘 过程 中 , 搅拌扭矩 是个 重要 的 参数 . 本文 通 过理 论分 析和 实验 得 出用搅拌扭矩与转 速 ( n) 之 间的关系 表示剪切 应力 砂) 和剪 切速率 ()D 的关系 . 1 牛顿流体时搅拌扭矩和转速 的关系 直接 测量 剪切 应力和 剪切 速 率这 2 个量 需 要使用 专用设 备 , 通 过 实验 室 的模 拟 实 验得 到 . 而 与其密切 有关的熔体搅拌扭矩 和 电机转速 , 可从生 产过程 中较为容易直接测得 . 通 过理 论分 析可 以 得到 在牛 顿流体的条件下 , 将剪 切应力 和剪 切速率 的关系转 换成熔体搅 拌扭 矩和 电机转速 之 间的关系 . 搅拌桨 是 由对称的 4 个 单片搅拌桨叶组成 , 尺 寸见 图 l , 每个搅 拌桨叶 的受力 如 图 1(a) 所 示 , 取离 轴线 r 处的 dr 厚的微元受力分 析如 图 l (b) . 平行 于 y 轴 的 况面 只受 正应力 (a) 作 用 , 平行于 x 轴的 凡面只 有流 体对其的切应力作 用 , 而 2 个斜面 凡既有 正应 力又有 切应 力 的作 用 . 假定 在 桨叶厚 为 a , 宽为 b , 斜 面 的交 角为O上 , 各 面所受 的切应 力和 正应力处处相等 , 并且 x 轴水平 方 向 与 y 轴竖直方 向上所 受力达 到平衡 . 在分 别求 出微元 体的各受力 面积 后 , 可给 出 沿 y 轴水平方 向受力 为 : a · s ino = Zr · e o s s ( l ) 沿 x 轴水平 方 向受力 ( 将上 式代人后 )为 : df = a( a 一 b / Ze gt s ) d r + r b d r + 位 · e gt o + Zr ) ( b / 2 ) d r = r (Zb + Z a · e gt 日) d r ( 2 ) 微元 所受 的扭矩 为 : d喊 一 r df 一 2 : ( b + a · c gt s ) r d r ( 3) 19 97 一 1 一 4 收稿 潜伟 男 , 25 岁 , 硕士 吴 铿 男 , 45 岁 , 博士 , 副教 授 · 国家 自然科学基金资助课题 (oN 5 9 5 7 4 0 2 6) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 01. 006
·28· 北京科技大学学报 1998年第1期 在r方向上对r从b/2到D2积分，得桨叶侧面的扭矩为： M=t(b+a·ctg0)(D214-b214)=k·x (4) (a) (b) 图1搅拌桨叶微元分析示意图(a)立面图；(b)截面图 式中：D为搅拌桨外缘的直径；k,为只与搅拌桨尺寸有关的常数. 搅拌桨外端面和桨叶根部端面所受扭矩为： M,=t(a·b-b14·ctg8)D+t(b14)b·ctg8=k2·t (5) 式中：k只与搅拌桨尺寸有关的常数. 由式(5)和(6)可求出搅拌桨4个叶片总的搅拌扭矩为： M=4(M+M)=k·t (6) 式中：k只与搅拌桨尺寸有关的某一常数， 上式表明对于某特定的搅拌桨(k为常数)，切应力与搅拌扭矩成正比， 剪切速率和电机的转速的关系如下式表示： D=r·do/dr=l20r·r·dnld山 (7) 式中：w为搅拌桨角速度，它与电机转速有关，w=120π~n. 对于牛顿流体，剪切应力、熔体的粘度()和剪切速率的关系由下式表示： t=n·D (8) 将式(7)和式(8)代人式(9)，得下面的微分方程： dnlM=d山r/(120π·k·n·r) (9) 上式中M和n与r或n无关.对上式进行积分可得到搅拌扭矩和电机转速关系式： M=(l·n=K‘·n (10) 式中：K一仅与搅拌桨尺寸有关的常数；K一与粘度和搅拌桨尺寸有关的数， 通过前面的理论分析，将研究剪切应力和剪切速率的关系转换成对搅拌扭矩和搅拌电机 转速的关系.牛顿流体的粘度总是接近于常数，如搅拌扭矩和电机转速之间成线性关系，表明 熔体为牛顿流体；而对与成非线性关系的情况，熔体属于非牛顿流体，即通过搅拌扭矩与转速 的关系可以间接判断流体的流变特性. 3 实验装置和实验 3.1 实验装置 铝合金熔体的增粘实验装置见文献[5]，主要分为加热和搅拌两部分，加热部分包括1台 SG2A坩埚电阻炉，配有1支单铂铑热电偶和1台TDW-2001型温控仪，采用铸铁坩埚盛料；搅
北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 8年 第 l 期 在 ; 方 向上 对 ; 从 b 2/ 到 D/ 2 积 分 , 得桨 叶侧面 的扭 矩 为: 从一 r (b + a · e 龟0 ) (夕4/ 一 b , /4 ) 一 k l · ( 4 ) 创尹 J沪 之口 乙 巍王 , , T 1 . we -七 } r 1 ), r . ` . 艺 “ } 匕一一 卜一 石一州 图 1 搅拌桨叶微元分析示意图 (a) 立面 图; (b) 截面 图 式 中: D 为搅拌 桨外缘 的直径 ; k ,为只 与搅 拌桨尺 寸有 关 的常数 . 搅 拌桨外端 面 和桨 叶根 部端 面所 受扭矩 为 : 从 一 r ( a · b 一 b , 4/ · c 堪0 ) D + r (b , 4/ ) b · e gt o = k Z 一 ( 5 ) 式 中 : 气只 与搅拌桨 尺寸 有关 的常 数 . 由式 ( 5) 和 ( 6) 可 求出搅拌 桨 4 个 叶 片总的搅拌扭 矩 为 : M = 4 (从 + 从) = k · T ( 6 ) 式 中 : k 只 与搅拌桨 尺寸有 关 的某 一常数 . 上 式表 明 对于某 特 定 的搅拌 桨 (k 为常数 ) , 切 应力 与 搅拌扭 矩成 正 比 . 剪 切 速率和 电机 的转速 的关 系如 下式 表示 : D 二 r · 面d/ r = 12 0 r · 7t · dn /dr ( 7 ) 式 中: o, 为 搅拌 桨 角速度 , 它 与 电机转速 有 关 , 。 = 12 0 二 · .n 对于 牛 顿流 体 , 剪切 应力 、 熔体 的粘 度 (帕和剪 切速 率 的关系 由下式表示 : ` = 粉 · D ( 8 ) 将式 ( 7) 和式 ( 8) 代 人 式 ( 9) , 得下 面 的微 分方 程: dn /M = dr/ ( 12 0 兀 · k · 冲 · r ) ( 9 ) 上式 中 M 和粉与 ; 或 n 无 关 . 对上 式进行 积分 可得到搅拌扭矩和 电机转 速关系式 : M = (叮/幻 · n = K ` · n ( 10 ) 式 中: K 一仅与搅 拌桨 尺寸 有关 的常数 ; 厂一与粘度 和搅拌桨尺寸 有关 的数 . 通 过 前面 的理 论分析 , 将研 究剪 切应 力和 剪切速 率的关系 转换成 对搅拌扭 矩和搅拌 电机 转 速的 关 系 . 牛顿 流体的粘 度总 是接 近于 常数 , 如搅 拌扭 矩和 电机转 速之 间成 线性关系 , 表 明 熔体为 牛顿 流体 ; 而 对 与成 非线 性 关系 的情 况 , 熔体属于 非牛 顿流体 , 即 通过搅 拌扭矩 与转速 的关系 可 以 间接 判 断流 体的流变 特性 . 3 实验装置和 实验 3 . 1 实验装置 铝合 金 熔体 的增粘 实 验装 置见 文 献【5] , 主要 分为 加 热和搅 拌两 部分 . 加热 部分包 括 1 台 S GZ A 增 涡 电阻 炉 , 配有 1 支单 铂锗 热 电偶 和 1 台 T D w 一 2 0 01 型温控 仪 , 采 用铸铁塔 涡盛料 ;搅
Vol.20 No.1 潜伟等：搅拌扭矩研究熔融铝合金的流变特性 ·29· 拌部分的底座和传动装置为自行设计加工制造，及1台功率为200W的直流电动机和1台 KZD-1型可控硅调速器驱动. 测量电机转速和搅拌扭矩的实验装置是测量直流电机在搅拌时的电流表和功率表 本文拟采用通过测量电机转速和功率(P)的方法得到搅拌扭矩，根据直流电机的工作原 理，在测出搅拌熔体时的电枢电压(U,电枢电流()和电机输出功率，就可确定电机输出的转 矩(M).熔体的实际搅拌扭矩可由下式给出： M=M-M (11) 式中：M一熔体实际的搅拌扭矩；M一电机输出的转矩；M。一搅拌装置传动系统消耗的转矩， 在相同的电枢电压下可视为常数.实验中采用电表的量程与误差约为1%~2%之间 3.2电机参数的确定 已知电机电枢电阻（网为352，调节电枢电压从30到100V,电机空转时(M-0),测量 电枢电压、电枢电流、电机功率，并测量出1mi搅拌电机的转速值，可计算出搅拌电机反电 动势(B值和搅拌电机输出转矩值（此时M=M),从而确定电机常数.对不同转速下电机反 电动势的实验结果进行线性回归，得到直流电机常数(E),其值为0.1334，相关性系数 r=0.999.表明在本实验条件下，用电测法测量电机的电气参数是切实可行的. 3.3搅拌扭矩的测定 把工业纯铝放人坩埚中熔化并通人保护气体，升高到一定温度后对熔体进行搅拌，测出 不同搅拌电压下的电流强度和电机输出功率，从而计算出搅拌扭矩和电机转速；并测量在 680℃时，50,100和150V3种不同搅拌电压下，搅拌扭矩和时间的关系 增粘过程的搅拌扭矩的试验与上面类似，只是达到试验的温度后要加入（质量分数） 2%C和1%Mg,再对熔体进行增粘搅拌，同时测出电机各电气参数的变化.为了研究时间对 搅拌扭矩的影响，对纯铝和加人增粘剂后，在温度为680℃时测定了搅拌扭矩随时间的变化， 并在760,720和680℃研究了搅拌扭矩和转速的关系.每个实验点取3次的平均值计算. 4 实验结果和讨论 图2给出不同电压下搅拌扭矩和时间的关系.由图可见，在相同的电压下搅拌扭矩随时 6 10 8 150V 加钙镁。 6 0 100V 0 纯铝 50V 6 8 10 0 4 6 810 tmin min 图2不同电压下搅拌扭矩与时间 图3搅拌扭矩与时间的关系(680℃，100V) 的关系（纯铝，680℃）
v N l 潜伟等l o o . . 0 2 : 搅拌扭 矩研究熔融铝合金的流变特性 · 9 2 · 拌 部 分的 底 座 和传动 装置 为 自行 设计加 工 制造 , 及 l 台 功 率为 Zo w 的直 流 电 动机 和 l 台 K Z L卜 1 型 可 控硅 调速 器驱动 . 测量 电机转 速和搅 拌扭 矩的实验 装置是测 量直 流 电机在 搅拌 时 的电流 表和功 率表 . 本文 拟 采用 通过 测量 电机 转速 和功率 (乃 的方法 得 到搅 拌 扭矩 . 根 据直 流 电机 的工作 原 理 , 在 测 出搅拌熔体时的 电枢 电压 (仍 , 电枢 电流 (力和 电机 输 出功率 , 就 可确 定 电机 输 出的转 矩 (鱿) 【6] . 熔体 的实际搅拌扭矩 可 由下式 给出 : M = 从 一 dM ( 1 1) 式 中 : M 一熔体实 际的搅拌扭矩 ; 从 一 电机输 出的转 矩 ; 风一 搅拌 装置传 动 系统 消耗 的转矩 , 在 相 同的 电枢 电压 下可视 为常数 . 实验 中采用 电表 的量 程 与误差 约 为 1% 一 2 % 之 间 . 3 . 2 电机参数的确定 已知 电机电枢电阻 (乃 为 35 0 , 调节 电枢 电压 从 30 到 l o V , 电机 空转 时 ( M = 0) , 测量 电枢 电压 、 电枢电流 、 电机 功 率 , 并 测量 出 l 而 n 搅拌 电机 的转 速值 , 可 计算 出搅拌 电机 反 电 动势 (习值 和搅拌 电机输 出转矩值 ( 此时 城 = 从 ), 从而 确定 电机 常数 . 对 不同转 速下 电机反 电动 势的 实 验 结果 进 行 线 性 回 归 , 得 到直 流 电 机 常 数 (nE/ ) , 其值 为 0 . 13 4 , 相 关 性 系 数 ; = 0 . 9 9 9 . 表 明在 本实 验条件 下 , 用 电测法 测量 电机 的电气 参数 是切 实可行 的 . 3 . 3 搅拌扭矩的测定 把 工 业纯铝 放人柑 祸 中熔化 并通人保护气体 , 升高 到 一定 温度 后 对熔体进 行搅 拌 , 测 出 不 同搅 拌 电 压下 的 电流 强度 和 电机输 出功率 , 从 而 计 算 出搅 拌 扭 矩 和 电 机转 速 ; 并 测 量 在 6 8 0 ℃ 时 , 50 , 10 0和 1 50 V 3 种不 同搅拌电压下 , 搅 拌扭 矩和 时 间的 关系 . 增 粘 过程 的 搅拌扭矩 的试 验 与上 面 类似 , 只是 达 到 试 验 的 温度 后 要 加 人 (质量 分 数) 2 % aC 和 1% M g , 再 对熔体进 行增粘搅 拌 , 同 时测 出 电机各 电气 参数 的变化 . 为 了 研究 时 间对 搅拌 扭矩 的影 响 , 对纯铝 和加人 增粘剂后 , 在温度 为 6 80 ℃ 时测 定 了搅 拌扭 矩 随时 间的变 化 , 并 在 7 6 0 , 7 20 和 6 80 ℃ 研究 了搅拌扭 矩和转 速的关 系 . 每 个 实验 点取 3 次 的平均值计算 . 4 实验结果和讨论 图 2 给出不 同 电压下 搅拌扭矩 和 时间的 关系 . 由 图可 见 , 在 相 同 的 电压下 搅 拌扭 矩 随时 了 一纯铝 _ ` . . . . . …1 1 …1 ǎ日 · 甲之02)轰 1 50 V 二 10 0 V , o U 】 U ’l ~ , 50 丫 se . .叫刀 ’ 。 C 1 1 二 官 · 子 l 。一xà乓 0 2 4 6 t/ n l l n 8 1 0 0 2 4 6 刀m i n 8 1 0 图 2 不同电压下搅拌扭矩与时 间 的关系 (纯铝 , 68 0 ℃ ) 图 3 搅拌扭矩与时间的关系 (68 0 ℃ , 1 0 v )
·30· 北京科技大学学报 1998年第1期 间的变化不大.实验选定搅拌电压为100V.在温度为680℃，纯铝和加钙、镁后熔融铝合搅拌 扭矩随时间的变化的实验结果如图3所示，由图可见，对纯熔融铝来讲其搅拌扭矩随时间变 化不大，而在加钙，镁后熔融铝合中搅拌扭矩随时间变化而变化.有必要对此种情况确定一个 标准，从图3可见，开始时搅拌扭矩较低，但它随时间增长增加很快，这段过程是加人的增粘 剂在熔体中逐步分布均匀的过程.之后，搅拌扭矩随时间变化有所下降，在5mi以后搅拌扭 矩基本稳定在某一值，可认为这时加入的增粘剂已经分布很均匀，本文选择搅拌扭矩在稳定 后的值为该搅拌电压下的搅拌扭矩.表1给出了在不同温度下，由实验数据回归得出搅拌扭 表1铝和铝合金熔体中搅拌扭矩和转速的关系 序号 温度/℃ 添加剂 M和n的关系 相关系数 760 不加 M=0.00275n0 0.987 2 720 不加 M=0.00342n00 0.979 3 680 不加 M=0.00375n,oo0 0.981 4 760 Ca,Mg M=0.00477n0831 0.982 5 720 Ca,Mg M=0.00579n0.6s2 0.990 6 680 Ca,Mg M=0.00313n041 0.983 矩与搅拌转速的关系 纯铝在不同的温度条件下搅拌扭矩和搅 拌转速之间的关系符合式(10)，搅拌扭矩和 12 转速之比为常数，如表1所示.这就证明熔融 10 纯铝是牛顿流体.而加人增粘剂后的搅拌扭目 加镁，钙 P 矩和转速之间的线性关系不再存在，不能满 足公式(10)，熔体已是非牛顿流体.图4比较 O1)/ 6 了温度为680℃，纯铝和加人钙、镁后熔体的 4 搅拌扭矩与电机转速之间的关系，纯铝的搅 纯舅 拌扭矩与电机转速之间为直线关系，且直线 2 通过原点，符合牛顿粘性定律（式(8）).而加 0 人添加剂后，搅拌扭矩与电机转速之间呈现 0200400 60080010001200 出类似于幂律的规律.由表1中的序号4~6 n/(r-min) 也可看出n值小于1.加入钙、镁后其n值的减 图4搅拌扭矩与转速的关系(680℃，100V) 小，表现为一种类似拟塑性非牛顿流体的特性.这与作者采用专设备测得该熔体的流变特性 曲线相类似，加人钙，镁后熔体都表现出类似于拟塑性的特征.这也表明利用搅拌扭矩和电 机转速之间的关系是可以判断熔体的流变特性， 由于在相同电机转速下的搅拌扭矩可定性表征熔体在这种条件下的粘度，而相同搅拌电 压条件下的电机转速近似相等，故可用相同搅拌电压下的搅拌扭矩来定性表征粘度的大 小，从图3可见，加入金属添加剂后熔体的搅拌扭矩明显大于纯铝时的搅拌扭矩，说明金属 钙、镁确有增粘作用.由公式(10)可知，对牛顿流体，K‘与表观粘度有关，即与熔体的粘度有 关，由K‘值的变化可以判断熔体的粘度.对非粘度流体，由的指数偏离1的情况，可判断熔 体属于哪一类非牛顿流体.从作者对非牛顿流体特性所测定的结果看，如果因某些原因，当熔
· 30 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 8年 第 1期 间的变 化不 大 . 实 验选 定搅 拌 电压为 10 V . 在温 度为 6 80 ℃ , 纯 铝和 加钙 、 镁后 熔融 铝合搅 拌 扭 矩 随 时 间的 变 化的实 验结 果 如 图 3 所 示 . 由 图可见 , 对纯 熔 融铝 来讲其搅 拌扭 矩 随时 间变 化 不大 , 而 在 加 钙 , 镁 后熔融 铝合 中搅 拌扭 矩 随时 间变化 而 变化 . 有 必要 对 此种 情况 确定 一个 标 准 . 从 图 3 可 见 , 开 始 时搅拌扭 矩 较低 , 但 它 随时 间增 长 增加 很快 , 这 段 过 程是 加人 的增 粘 剂在熔体 中逐步 分布 均匀 的 过程 . 之后 , 搅拌 扭矩 随 时 间变化 有所 下 降 , 在 5 而 n 以 后搅 拌扭 矩基本稳定 在某一 值 , 可 认为这时 加人 的增 粘 剂 已 经 分布 很 均匀 . 本文选 择搅拌扭矩 在 稳定 后 的值为 该搅拌 电压下 的搅 拌扭 矩 . 表 1 给 出 了 在 不 同温 度 下 , 由实 验数 据 回 归得 出搅 拌扭 表 1 铝和 铝合金熔体中搅拌扭矩和转速 的关系 序号 温 度/ ℃ 添加剂 M 和 。 的关系 相关系数 1 7 60 不加 M = 0 . 0 0 2 7 5 n `明 0 . 9 8 7 2 7 2 0 不 加 材 = 0 . 0 0 3 4 2 n ,明 0 . 9 7 9 3 6 80 不加 材 = o . o o 3 7 5 n , 姗 0 . 9 5 - 4 7 6 o ca , Mg M 一 0 . 0 0 4 7 7 n O 8 , , 0 . 9 5 2 5 7 2 o ca , Mg 材= o . o o 5 7 9 n 0 6吕, 0 . 9 9 0 6 6 s o ca , Mg M = 0 . o 3 1 3 n o 4 , , 0 . 9 5 3 矩 与搅拌转 速 的关 系 . 纯 铝 在 不 同 的温度 条 件下 搅 拌扭 矩 和搅 拌 转速 之 间 的 关 系符 合 式 ( 10) , 搅 拌扭 矩 和 转速 之 比为 常 数 , 如表 1 所 示 . 这就 证 明熔融 纯 铝是 牛 顿 流 体 . 而 加 人 增 粘 剂 后 的搅 拌 扭 亨 矩 和 转 速 之 间 的线 性 关 系不 再 存 在 , 不 能 满 子 足公 式 (l 0) , 熔体 已 是非 牛 顿流 体 . 图 4 比较 吕 了温 度 为 6 80 ℃ , 纯 铝 和 加 人 钙 、 镁 后 熔体的 轰 搅 拌扭 矩 与 电 机 转速 之 间 的关 系 . 纯 铝 的 搅 拌 扭 矩 与 电机 转速 之 间为 直 线关 系 , 且 直 线 通 过 原 点 , 符合牛 顿 粘 性 定 律 (式 ( 8) ) . 而 加 人 添 加 剂 后 , 搅拌扭 矩 与 电机 转 速 之 间呈 现 出 类 似 于 幂 律 的规 律 . 由表 l 中 的 序 号 4 一 6 也 可 看 出 n 值小 于 1 . 加 人钙 、 镁后 其 n 值的减 加镁 , 钙 1 2 0 0 n (/ r · 而n 一 ’ ) 圈 4 搅拌扭矩与转速的关系 (68 0 ℃ , l o v) 小 , 表 现 为 一 种类 似 拟 塑性 非 牛顿 流体 的特性 . 这 与作 者采 用专设备 测得 该熔 体的流变 特性 曲线相 类似 , 加 人钙 , 镁 后 熔体都 表现 出类 似于拟 塑性 的特征 17] . 这 也表 明利 用搅拌扭矩 和 电 机转 速 之 间 的关 系是 可 以 判 断熔体的流 变特性 . 由于在 相 同 电机 转速 下 的搅 拌扭矩 可定 性表 征熔 体在 这种条 件下 的粘度 , 而相 同搅拌 电 压 条件下 的 电机 转 速 近 似相 等 , 故 可 用 相 同搅 拌 电压 下 的搅 拌扭 矩 来 定 性 表 征 粘 度 的 大 小 . 从 图 3 可 见 , 加 入 金 属 添 加 剂后 熔体的 搅拌扭 矩 明显 大 于纯 铝 时 的搅 拌扭 矩 , 说 明 金属 钙 、 镁 确有 增 粘作 用 . 由公 式 ( 10) 可 知 , 对牛 顿流体 , K ` 与表观粘 度有 关 , 即与熔 体 的粘度 有 关 , 由 K ` 值的变 化 可以 判 断熔 体的粘 度 . 对非粘 度 流体 , 由 n 的指数偏 离 1 的情 况 , 可 判 断熔 体 属于 哪一类 非 牛顿 流体 . 从 作者 对 非牛 顿流体 特性 所测 定 的结果 看 , 如果 因某 些 原 因 , 当熔
Vol.20 No.I 潜伟等：搅拌扭矩研究熔融铝合金的流变特性 ·3· 体从牛顿流体转变为非牛顿流体后，其粘度都会显著增加).这样，可由搅拌扭矩和转速的关 系来间接判断增粘过程的效果. 5结论 由理论分析和实验得到了在牛顿流体的条件下，用熔体搅拌扭矩和电机转速之间的关系 表示剪切应力和剪切速率的关系，如果搅拌扭矩和电机转速之间有良好的线性关系，熔体为 牛顿流体，直线的斜率（与粘度成正比，反之，熔体为非牛顿流体，可由电机转速n的指数 值偏离1的情况判断熔体属于哪种非牛顿流体，在本实验条件下，熔融铝合金表现为幂律性 的规律，利用熔体搅拌扭矩和电机转速之间的关系衡量增粘的效果，这为控制生产过程提供 一个重要的参数. 参考文献 1伊藤雅夫，西河辄，森本一男，ll,发泡寸儿之二ラ4（寸心术ヰ三于入）刀开发.日本金属学会会报， 1987,826(4):311 2林信辉，西山纪幸，增田辉男，etd.Vista Wall See-through Sound Barrier for Roads.R&D神户制钢 技报，1990,40(2)：49 3石井荣一，伊藤雅夫，森尺吉孝.Production Process and Application of Foamed Aluminium ALPO- RAS for Noise Control.R&D神户制钢技报，1991,41(2)：59 4上野英俊，秋山茂.Effects of Calcium Addition on the Foamablity of Molten Aluminum.轻金属， 1987,37(1):42 5谢良德熔融法泡沫铝制备工艺的初步研究：[学位论文].北京：北京科技大学，1997 6蒋和乾.电工学.北京：高等教育出版社，1980 7潜伟.冶金熔体非牛顿流体流变特性及其对泡沫化影响的研充：[学位论文]北京：北京科技大学，1997 Research on Rheological Characteristic of Molten Al and Al Alloy through Stirring Torque Oian Wei Wu Keng Chu Shaojun Niu Oiang Lin Yixian Metallurgy Shool,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The relation between the shear stress and shear rate in the Newtonian law was shown by the relation between the stirring torque and revolution through the theoreti- cal analysis.By means of the relation between the stirring torque and the revolution,not only the rheological characteristic of the molten Al alloy can be identified,but also the effect of the increasing viscosity can be determined.The method for the producing porous Al can be conveniently controlled. KEY WORD stirring torque;Al alloy;rheological characteristic
V o l . 2 0 N ( 〕 . 1 潜伟等 : 搅拌扭 矩研究熔融 铝合 金的流变特性 体从 牛顿 流体转变 为非 牛 顿流 体后 , 其粘 度都 会显 著增 加【7] . 这 样 , 可 由搅 拌扭 矩 和转速 的 关 系来 间接 判断 增粘 过程 的 效果 . 5 结论 由理 论分 析 和实 验得 到 了在 牛顿 流体 的条件 下 , 用熔 体搅 拌 扭矩 和 电机转 速之 间的 关系 表示 剪 切应 力 和 剪切 速 率 的关 系 . 如果 搅 拌扭 矩 和 电机 转速 之 间有 良好 的线性 关 系 , 熔体 为 牛顿 流 体 , 直 线 的斜 率 (厂) 与粘 度 成 正 比 , 反 之 , 熔体 为非 牛 顿 流体 , 可 由电机 转 速 n 的指 数 值偏 离 1 的情 况判 断 熔体 属 于 哪种 非 牛顿 流 体 . 在 本 实 验条 件 下 , 熔 融 铝合 金 表 现为 幂律 性 的规律 . 利用 熔 体 搅拌 扭 矩 和 电机 转速 之 间 的关 系衡 量 增粘 的效果 , 这 为 控制 生产 过 程提 供 一个 重要 的参数 . 参 考 文 献 l 伊藤 雅夫 , 西 河辄 , 森 本一 男 , et al . 发泡 夕 沙 , = 于 人 (夕 沙 术 斗二 夕 又 ) 。 开 发 . 日 本金属学 会会报 , 19 8 7 , 8 2 6 ( 4 ) : 3 1 1 2 林信 辉 , 西 -lLJ 纪幸 , 增 田 辉男 , e t a l . V i s ta w a ll s e e 一 ht ro u g h s o u n d B a币 e r fo r 助耐 s . R & D 神户制 钢 技 报 , 19 9 0 , 4 0 ( 2 ) : 4 9 3 石 井 荣 一 , 伊 藤 雅 夫 , 森 尺 吉 孝 . P r od cu it o n P ocr e s s a n d A p p l i e a it o n o f oF am e d lA um i n i um A LOP - R A S of r N o i s e C o n r r o 一R & D 神户 制钢技报 , 19 9 1 , 4 1( 2 ) : 5 9 4 上 野 英 俊 , 秋 山 茂 . E fe e ts o f C al e ium A d d i it o n o n ht e oF am a b li ty o f M o l te n A lum i n um . 轻 金 属 , 19 8 7 , 3 7 ( 1) : 4 2 5 谢 良德 . 熔 融法泡沫铝制备工 艺的 初 步研究 : [ 学位论文1 . 北京 : 北京科技大学 , 1 9 9 7 6 蒋和 乾 . 电 工 学 . 北京 : 高等教育出 版社 , 19 80 7 潜伟 . 冶金 熔体非牛 顿流体流变特性及 其对泡沫化影响的 研究 : [ 学位论文] . 北京 : 北京科技大学 , 1 9 9 7 R e s e a r e h o n hR e o l o g i e a l C h a r a e t e r i s t i e o f M o lt e n A I a n d A I A l l o y thr o u g h S t ir i n g T o r q u e Qi a n 琳 ` 环公 eK n g M e at ll u r g y hC u hS a )tj u n iN u Q i a n g 白n K 万a n S h o l , U S T B e ij i n g . B e 巧i n g 10 0 0 8 3 , C ih n a A B S T R A C T 1l l e re l a t i o n be t w e e n th e s h e a r s t re s s a n d s h e a r ar te i n t h e N 亡w t o in a n l a w w as s h o w n b y ht e re l a it o n be tw e e n th e s t iir n g ot r q u e a n d re v o l u o o n ht r o u g h ht e ht e o re it - e a l a n a ly s i s . B y m e a n s o f t h e re l a it o n be tw e e n th e s it 币 n g to qr u e a n d ht e re v o l u it o n , n o t o n l y ht e r h e o l o g i e a l e h a ar e et ir s it e o f t h e m o l t e n A l a ll o y e a n be l d e n t i if e d , b u t a l s o th e e fe e t o f t h e i n e er a s i n g v i s e o s i yt e a n be d e et mr i n e d . hT e m e th o d fo r ht e P r o d u e i n g P o r o u s A I c a n be e o n v e n i e n t l y e o n t r o ll e d . K E Y W O R D s t im n g to r q u e ; A I a ll o y ; r h e o l o g i e a l e h a r a e et ir s it e