摘"要：為提高鋁錠生產(chǎn)質(zhì)量，針對鋁錠澆注過程中鋁液表層浮渣厚度分布不均的問題，探究不同厚度浮渣表面溫度分布情況，從而根據(jù)溫度不同快速判定出浮渣較厚區(qū)域，為后續(xù)只對浮渣較厚處進(jìn)行厚度測量提供目標(biāo)位置，并且能使撈渣機(jī)器人準(zhǔn)確又快速地?fù)圃Ｔ摲椒ㄌ岣吡苏w浮渣厚度檢測速度。

關(guān)鍵詞：浮渣厚度；表面溫度；快速判定

中圖分類號：TP274""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0112-04

Study on Rapid Determination of Thick Part of Scum in Aluminum Ingot Pouring Process

PU Zhenxing， XIN Zhou， LYU Jinhu

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：To solve the uneven thickness distribution of liquid aluminum surface scum in aluminum ingot casting process and improve the quality of aluminium ingot production， the different thickness of scum surface temperature distribution is explored， the scum thicker areas are quickly identified according to different temperatures， which provides target positions of thickness measurement of scum thicker areas and realizes accurate and quick dregging operation by robot. The proposed method improves detection speed of overall scum thickness.

Keywords： scum thickness；surface temperature；quick judgement

0"引言

鋁錠通常被作為制造火車、汽車、火箭、飛機(jī)、地鐵等交通工具的原材料，以實(shí)現(xiàn)輕量化載重。鋁是一種較為活潑的金屬，其還原性較強(qiáng)，極易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以鋁液表層在空氣中易被氧化［1］。在鋁錠澆注過程中，由高溫混合爐流出鋁液，經(jīng)過溜槽注入到鑄模時，鋁液表層會生成一層氧化膜渣并隨鋁液流進(jìn)鑄模中，其表層便形成一層較厚且不均勻分布的灰渣雜物層，簡稱為浮渣，主要成分為Al2O3，如圖1所示。

對于所生成的鋁液表層浮渣，需要及時撈出，否則會在鋁錠的表面凝固形成積渣，如圖2所示?？煽闯?，其表面較為粗糙不光滑，凹凸處較為明顯，從而嚴(yán)重影響鋁錠的品質(zhì)［2］。在鋁錠生產(chǎn)線中，普遍采用人工撈渣作業(yè)，如圖3所示。而人工撈渣存在較多安全隱患，如高溫液體（約700℃）飛濺、爆炸及噪聲大等，由此可利用機(jī)器人進(jìn)行撈渣。

圖4所示為采用機(jī)器人撈渣，可提高撈渣效率，但在機(jī)器人撈渣時，由于不知浮渣厚度值，渣鏟每次撈渣下降的深度通常設(shè)置為固定值，從而造成在出現(xiàn)浮渣較厚或較淺情況時，渣鏟撈渣撈不盡或過度撈渣而帶出部分鋁液，嚴(yán)重影響鋁錠品質(zhì)及造成鋁液浪費(fèi)。因此，對浮渣進(jìn)行厚度測量，使得撈渣機(jī)器人根據(jù)不同浮渣厚度值下降不同深度進(jìn)行撈渣意義重大。

在利用非接觸測厚法進(jìn)行厚度測量時，由于鋁液表層浮渣分布不均，有薄有厚，如果進(jìn)行厚度測量，就需對整個不同厚度區(qū)域進(jìn)行檢測，從而找出較厚值，這樣就會耗時過長，達(dá)不到撈渣機(jī)器人每次打撈時長（約10s）的要求。因此首先要快速判斷出浮渣較厚處，并只對該較厚處進(jìn)行厚度測量極為重要。

1"鋁液浮渣較厚處判定方法

為判斷出鋁液浮渣較厚區(qū)域，基于傳熱學(xué)理論，分析鋁液、鋁液浮渣及與外部空氣傳熱學(xué)現(xiàn)象，探究隨著鋁液浮渣厚度分布不同時表面相應(yīng)溫度變化，根據(jù)不同鋁液浮渣厚度與溫度變化關(guān)系判定浮渣較厚處。

基于仿真軟件，建立模型進(jìn)行模擬仿真探究，依據(jù)理論分析得出相關(guān)結(jié)論，基于測溫儀器對鋁液浮渣表面進(jìn)行測溫，根據(jù)溫度不同快速找出浮渣較厚處，從而為后續(xù)厚度測量提供目標(biāo)位置。

2"傳熱學(xué)基本原理

傳熱學(xué)是研究系統(tǒng)間熱量產(chǎn)生、交換與轉(zhuǎn)換的熱力工程學(xué)科［3］。

2.1"熱傳遞

熱量傳遞主要可分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射等［4］。雖然其傳遞原理各不相同，但常常會在同一系統(tǒng)發(fā)生。其中：熱傳導(dǎo)指物體各個部分之間所發(fā)生的熱能傳遞；熱對流指流體通過運(yùn)動所引起的熱量傳遞；熱輻射指通過電磁波傳遞能量。

研究傳熱問題的關(guān)鍵因素是獲取物體間溫度分布場，簡稱為溫度場，其研究原理依據(jù)傅里葉定律［5］：

=－λATx（1）

式中：為熱流量（單位時間通過某一特定面積的熱量），W；λ為比例系數(shù)，也稱導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Tx為溫度在x方向上的變化率，℃/m；A為熱量流經(jīng)平板面積，m2。

傅里葉定律表明了傳熱現(xiàn)象規(guī)律，表面熱流傳遞方向與溫度升高方向相反，且單位時間內(nèi)通過平板的導(dǎo)熱熱量與導(dǎo)熱方向上溫度梯度和平板導(dǎo)熱面積成正比，比例系數(shù)為物體導(dǎo)熱系數(shù)。

空間溫度場中傳熱問題可根據(jù)傅里葉定律建立微元六面體能量平衡三維導(dǎo)熱方程：

ρcTτ=xλTx+yλTy+zλTz+·（2）

式中：ρ為微元體密度，kg/m3；c為微元體比熱容，J/（kgK）；τ為時間，s；Tx、Ty、Tz分別為溫度在x、y、z方向上的變化率，℃/m；Tτ為溫度隨時間的變化率，℃/s；·為單位時間單位體積內(nèi)生成熱，W/m3。

根據(jù)傅里葉定律可知，對傳熱問題的分析求解實(shí)質(zhì)上就是對微分方程的求解，其求解條件主要包括初始溫度場條件、邊界溫度條件與換熱邊界條件。而對于這些邊界條件的確定，主要基于不同邊界所確定的導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)與接觸導(dǎo)熱系數(shù)。這些系數(shù)是求解傳熱問題的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2"有限元分析理論

由于鋁液表層浮渣溫度變化主要是與外部環(huán)境溫度形成自然對流，可根據(jù)牛頓在1701年通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得牛頓冷卻定律，去判斷對流換熱強(qiáng)度，其公式如下：

Q=h（T0-T）（3）

式中：Q為單位時間內(nèi)單位面積的固體表面與流體之間交換的熱量，W/m2；h為傳熱系數(shù)，代表對流換熱強(qiáng)弱，W/（m2·K）；T0為固體表面溫度，K；T為流體溫度或周圍環(huán)境溫度，K。

通過查閱資料，得到浮渣（Al2O3）在700 ℃時材料性能參數(shù)如表1所示。

3"浮渣表面溫度變化仿真探究

3.1"進(jìn)行建模

在鋁錠澆注過程中，當(dāng)鋁液澆注到鑄模中時，鋁液表面會與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而形成鋁液浮渣，其主要成分為氧化鋁（Al2O3），用二維示意圖表示（圖5）。

圖5"二維示意圖

在實(shí)際的鋁錠澆注過程中，鋁液表面浮渣厚度分布不均勻，其浮渣厚度范圍在0～25mm之間。建立三維模型圖時，由二維圖可知，鋁液模型為梯形體，為減少計(jì)算量，去掉鑄模建模過程，只建立鋁液及浮渣三維模型。由于浮渣呈不規(guī)則形狀，且厚度不一，為便于三維模型建立，利用圓錐體代表浮渣，此優(yōu)點(diǎn)可展現(xiàn)出浮渣厚度由薄到厚各部分，因此用圓錐體模擬鋁液浮渣，通過改變圓錐體高度z，便可得到鋁液浮渣最厚處到最薄處之間厚度分布。通過參考實(shí)際生產(chǎn)線中鋁錠尺寸，設(shè)置為長850mm，上寬為185mm，下寬為95mm，高為110mm的鋁液梯形塊。圓錐體高度z取變量，如圖6所示。

3.2"有限元分析

實(shí)際生產(chǎn)鋁錠生產(chǎn)線上，25kg鋁錠尺寸為：頂面長×寬=850mm×185mm，高110mm，底面寬95mm；矩形高溫熔爐外形尺寸為6 200mm×5 560mm×4 650mm，熔池深度為600mm；最高工作溫度為1 200℃。高溫鋁液流入鑄模，伴隨著浮渣的生成，鑄模依次經(jīng)由傳送鏈帶動直至冷卻。而撈渣機(jī)器人安裝在傳送鏈側(cè)邊，與其鋁液流入鑄模初始運(yùn)動存在一定距離，當(dāng)運(yùn)動到撈渣機(jī)器人撈渣處時，需經(jīng)過一段時間，時長約為10s。由此取總時長為10s分析這段時間鋁液浮渣表面溫度變化，在這段時間中，鋁液浮渣表面溫度會與外部環(huán)境形成自然熱對流，表面各處溫度會隨時間延長發(fā)生變化。由于控制高溫爐中鋁液在700 ℃左右時，所澆注冷凝而成的鋁錠品質(zhì)更好，由此設(shè)定初始浮渣表面溫度為700℃，對流傳熱系數(shù)取h=105 W/（m2·K），分別取變量高度z值為10mm、15mm、20mm、25mm來分析鋁液浮渣表面溫度變化。

取z=10mm時，通過有限元分析得浮渣表面不同位置表面隨溫度變化情況，主要選取表面較低點(diǎn)、中間點(diǎn)及頂點(diǎn)處溫度隨時間變化情況，如圖7所示。

取z=15mm時，取其中3點(diǎn)處，如圖8所示。

取z=20mm時，取其中3點(diǎn)處，如圖9所示。

取z=25mm時，取其中3點(diǎn)處，如圖10所示。

由圖7—圖10可看出，各取有代表性的3個點(diǎn)分析其溫度隨時間變化，都有相同的變化規(guī)律：浮渣表面溫度隨時間增加而降低，并且浮渣越厚，溫度下降速度越快。

由于浮渣大小分布存在隨機(jī)性，改變底部半徑大小，取z=25mm，同以上原理分析浮渣表面溫度隨時間變化，如圖11所示。

由圖11可知，通過改變底部半徑大小，依然在最厚頂點(diǎn)處溫度下降最快。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，后續(xù)采用紅外熱成像測溫儀對浮渣表面進(jìn)行全局測溫，取其溫度最小值目標(biāo)點(diǎn)即可找到浮渣最厚處，實(shí)現(xiàn)快速判定浮渣最厚處，并只對該處進(jìn)行厚度檢測，從而縮短浮渣厚度檢測時間，再將檢測厚度數(shù)值傳輸給撈渣機(jī)器人進(jìn)行更為準(zhǔn)確的撈渣。

4"結(jié)語

鋁液表層浮渣，在0～25mm厚度范圍內(nèi)，由于各處浮渣厚度不同，經(jīng)過時長10s，鋁液浮渣表面溫度會隨時間呈現(xiàn)不同的下降趨勢，并且在浮渣最厚處表面溫度下降更快，即在溫度最低點(diǎn)處便可代表浮渣最厚處。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳祥. 提高重熔用鋁錠質(zhì)量的措施［J］. 材料與冶金學(xué)報(bào)， 2010（增刊1）：3-5.

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［4］ 陳則韶，李川，王剛. 熱力學(xué)與傳熱學(xué)的共性理論基礎(chǔ)——可逆與不可逆過程普適的有效能方程［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2017，38（8）：1589-1596.

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收稿日期：20220801