泡沫铝熔体的表观粘度和孔隙率的实时测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种泡沫铝熔体的表观粘度和孔隙率的实时测量装置，包括设有坩埚的熔铝炉、搅拌桨、支架、电机控制仪、计算机、激光测距仪、隔热装置、扭矩仪和电机；激光测距仪连接在扭矩传感器的一侧；搅拌桨位于坩埚中，隔热装置位于熔铝炉上方，且盖在熔铝炉顶部；搅拌桨的转轴穿过隔热装置，与扭矩仪的负载轴连接，电机的动力输出轴与扭矩仪的动力输入轴连接；隔热装置上设有通孔，激光测距仪的发射端与该通孔相对；电机的编码器端口与电机控制仪的输入端口相连接，电机控制仪的输出端口与电机的电源输入端口连接；计算机接收激光测距仪、扭矩仪、电机控制仪采集的数据。利用该测量装置可以测量泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率。

说明书

技术领域

本发明涉及气液两相流体的流变性质测量，尤其涉及一种泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率的测量装置及测量方法。

背景技术

金属(铝)泡沫熔体是一种气液两相混合流体，它是由液态熔融金属(铝)和气体(氢气)组成的。

熔融金属(铝)通常可以看作是一种牛顿流体。常规的旋转式粘度仪(只要测试温度达到要求)就可以测定其粘度系数。

(液态)泡沫的流变性质则更为复杂。当含气量(气体体积百分比)较低时，泡沫呈现简单流体的特征；含气量较高时，泡沫显现出简单流体所不具备的抵抗剪切作用的能力，且表现出显著的剪切稀化，因此是一种复杂流体。泡沫本身是一种热力学不稳定系统，泡沫内部自发的排液、合并、粗化、滑移等现象给流变测试实验带来了困难。目前，对于含气量较高(φ>90％)的常温水泡沫，已有人使用平行板、锥-板、搅拌叶片-桶等结构测量其表观粘度系数(和屈服应力)。含气量较低(φ<90％)的水泡沫由于结构和性质更加不稳定，尚无相关测试报告。

金属泡沫熔体除了具备水泡沫的一般特征外，还具有高温、不透明、持续膨胀(气体体积百分比从约50％持续增长到约80％)、流变性质持续演变等特殊性质，因此流变测试更加困难，尚无相关测试报告。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率的测量装置及测量方法，利用该测量装置可以实时测量泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下的技术方案：

一种泡沫铝熔体的表观粘度和孔隙率的实时测量装置，该测量装置包括设有坩埚的熔铝炉、搅拌桨、支架、电机控制仪、计算机、激光测距仪，以及从下向上依次连接在支架上的隔热装置、扭矩仪和电机；激光测距仪连接在扭矩传感器的一侧；搅拌桨位于坩埚中，隔热装置位于熔铝炉上方，且盖在熔铝炉顶部；搅拌桨的转轴穿过隔热装置，与扭矩仪的负载轴通过联轴器连接，电机的动力输出轴与扭矩仪的动力输入轴通过联轴器连接；隔热装置上设有通孔，激光测距仪的发射端与该通孔相对；电机的编码器端口与电机控制仪的输入端口相连接，电机控制仪的输出端口与电机的电源输入端口连接；计算机接收激光测距仪、扭矩仪、电机控制仪采集的数据。

作为优选例，所述的电机控制仪用于测量电机的转速，所述的激 光测距仪用于测量发泡过程中，泡沫铝的高度，所述的扭矩仪用于测量发泡过程中，搅拌桨的叶片在泡沫铝熔体中转动所受的扭矩。

作为优选例，所述的电机的转速范围为0.2rpm—200rpm。

作为优选例，根据式获得表观粘度：

其中，η(t)表示表观粘度，σ_bc表示平均剪切应力，表示平均剪切速率，依据式获得σ_bc，依据式获得

其中，L表示每个叶片的长度，D表示坩埚内径，d表示叶片的直径，M(t)表示叶片转动时受到泡沫铝熔体的扭矩，Ω表示叶片的转速。

作为优选例，根据式测量孔隙率φ(t)：

其中，S₀为激光测距仪发射端到坩埚底部距离，S₁为未发泡状态下，激光测距仪发射端到坩埚中的熔融铝液液面距离，S(t)表示t时刻，激光测距仪发射端到泡沫铝熔体距离。

作为优选例，所述的搅拌桨中的叶片为十字形四叶片，且四个叶片的长度相等。

一种泡沫铝熔体的表观粘度和孔隙率的实时测量方法，该测量方 法包括以下步骤：

步骤10)将工业纯铝置于熔铝炉中的坩埚内，熔化后形成铝熔体，保温至675±1℃，再向铝熔体内加入质量分数为2％的钙粒，使用发泡搅拌装置持续搅拌均匀；

步骤20)向铝熔体内加入质量分数为1.8％的TiH₂粉末，使用发泡搅拌装置搅拌，使TiH₂粉末均匀分散在铝熔体中，以1000rpm转速搅拌铝熔体，形成铝熔体泡沫；

步骤30)将温度为675±1℃的搅拌桨置入铝熔体泡沫内，并启动电机带动搅拌桨叶片转动；

步骤40)在发泡过程中，利用激光测距仪测量泡沫的高度，扭矩仪测量叶片所受扭矩，电机控制仪控制电机带动叶片转动的速度，再测算泡沫铝在发泡过程中表观粘度和孔隙率。

作为优选例，所述的泡沫铝熔体的表观粘度和孔隙率的实时测量方法，还包括步骤50)：返回步骤40)，测量在不同时间点的泡沫铝在发泡过程中表观粘度和孔隙率，直至发泡过程结束，停止测试；将测量过程中测得的表观粘度值和孔隙率为y轴，时间t为x轴作图，获得孔隙率与表观粘度的关系线条图。

作为优选例，所述的步骤10)中，发泡搅拌装置的转速范围为400-500rpm；所述的步骤20)中，发泡搅拌装置的转速范围为1000-1200rpm。

作为优选例，所述的步骤30)中，电机的转速范围为0.2rpm—200rpm；所述的步骤40)中，电机的转速范围为0.2-200rpm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本实施例的测量装置可以测量泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率。本实施例的测量装置具有在高温环境下工作的性能，解决了市面上普通粘度计不能在高温环境下测量的问题。同时，该测量方法可以测量持续生长的复杂两相流体的粘度，对研究泡沫铝生成过程中的性质变化具有重大意义。另外，该测量方法可以得到泡沫铝熔体在生长过程中的粘度—孔隙率之间的关系，使定量控制泡沫铝孔隙率及泡沫铝结构成为可能。

附图说明

图1是本发明实施例中测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中发泡搅拌装置和熔铝炉的位置示意图；

图3是本发明实施例中测量方法得到的扭矩、孔隙率随时间的变化曲线图。

图中有：熔铝炉1、发泡搅拌装置2、搅拌桨3、支架4、电机控制仪5、计算机6、隔热装置7、激光测距仪8、扭矩仪9、电机10、坩埚11。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例的一种泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率的测量装置，包括设有坩埚11的熔铝炉1、搅拌桨3、支架4、 电机控制仪5、计算机6、激光测距仪8，以及从下向上依次连接在支架4上的隔热装置7、扭矩仪9和电机10。激光测距仪8连接在扭矩传感器的一侧。

搅拌桨3位于坩埚11中。优选，搅拌桨3的叶片为十字形四叶片，且四个叶片的长度相等。隔热装置7位于熔铝炉1上方，且盖在熔铝炉1顶部；搅拌桨3的转轴穿过隔热装置7，与扭矩仪9的负载轴通过联轴器连接，电机10的动力输出轴与扭矩仪9的动力输入轴通过联轴器连接；隔热装置7上设有通孔，激光测距仪8的发射端与该通孔相对；电机10的编码器端口与电机控制仪5的输入端口相连接，电机控制仪5的输出端口与电机10的电源输入端口连接；计算机6接收激光测距仪8、扭矩仪9、电机控制仪5采集的数据。

上述实施例中，熔铝炉1的坩埚用于盛放金属铝，并在其中进行发泡，生成泡沫铝。电机控制仪5用于测量电机10的转速。电机10用于带动搅拌桨3旋转，生成泡沫铝。所述的电机的转速范围为0.2rpm—200rpm。激光测距仪8用于测量发泡过程中，泡沫铝的高度。扭矩仪9用于测量发泡过程中，转轴所受泡沫铝的扭矩。隔热装置7用于阻挡坩埚内高温热源的热辐射，从而保护扭矩仪9。计算机6实时接收激光测距仪8、扭矩仪9、电机控制仪5采集的数据。

上述实施例中，根据公式(1)测量粘度：

其中，η(t)为表观粘度，σ_bc为平均剪切应力，为平均剪切速率，依据式(2)获得σ_bc，依据式(3)获得

其中，L表示每个叶片的长度，；D表示坩埚内径，d表示叶片的直径，M(t)表示叶片转动时受到泡沫铝熔体的扭矩，Ω表示叶片的转速。

根据公式(4)测量孔隙率：

其中，S₀为激光测距仪8发射端到坩埚底部距离，S₁为未发泡状态下，激光测距仪8发射端到坩埚中的熔融铝液液面距离，S(t)表示t时刻，激光测距仪8发射端到泡沫铝熔体距离。

上述测量装置中，电机10、扭矩仪9和搅拌桨3依次从上到下构成同轴整体设备。测量时，将同轴整体设备安装到坩埚上方，搅拌桨3浸没于泡沫铝熔体。激光测距仪8位于同轴整体设备上方，发射激光通过轴一侧的通孔照射到泡沫铝熔体表面。

计算机通过串口发送控制命令，控制激光测距仪8和扭矩仪9的工作状态。激光测距仪8将测得的距离信号每0.5s传入计算机6一次，计算机6记录距离信号及接收时间。由电机自带的编码器实时测取电机转速信号并发送给电机控制仪5，电机控制仪5对电机转速进行调解，电机控制仪每0.5s将转速信号传入计算机6一次，计算机6记录转速信号和时间。扭矩仪9将扭矩信号每0.5s传入计算机6 一次，计算机6记录扭矩信号及接收时间。计算机保存所有数据。

上述实施例的测量装置测量泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率的方法，包括以下步骤：

步骤10)将工业纯铝置于熔铝炉中的坩埚内，熔化后形成铝熔体，保温至675±1℃，再向铝熔体内加入质量分数为2％的钙粒，持续搅拌铝熔体，使钙粒分散均匀；加入钙粒可以达到增黏效果。

步骤20)向铝熔体内加入质量分数为1.8％的TiH₂粉末，使用发泡搅拌装置搅拌，使TiH₂粉末均匀分散在铝熔体中，以1000rpm转速搅拌铝熔体，形成铝熔体泡沫。

步骤30)将温度为675±1℃的十字形四叶片搅拌桨结构置入铝熔体泡沫内，并启动电机带动叶片转动。

步骤40)在发泡过程中，利用激光测距仪测量泡沫的高度，扭矩仪测量叶片所受扭矩，电机控制仪控制电机带动叶片转动的速度，再测算泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率。

整个测量过程中保持炉内温度为675±1℃，熔体泡沫生长至稳定高度时，则发泡过程结束，停止测量。

根据公式(1)测量粘度：

其中，η(t)为表观粘度，σ_bc表示平均剪切应力，表示平均剪切速率，依据式(2)获得σ_bc，依据式(3)获得

其中，L表示每个叶片的长度，D表示坩埚内径，d表示叶片的直径，M(t)表示叶片转动时受到泡沫铝熔体的扭矩，Ω表示叶片的转速。

根据公式(4)测量孔隙率：

其中，S₀为激光测距仪8发射端到坩埚底部距离，S₁为未发泡状态下，激光测距仪8发射端到坩埚中的熔融铝液液面距离，S(t)表示t时刻，激光测距仪8发射端到泡沫铝熔体距离。

上述实施例中，所述的步骤10)中，发泡搅拌装置2的转速范围为400-500rpm，用于混合增粘剂。所述的步骤20)中，发泡搅拌装置2的转速范围为1000-1200rpm，用于快速发泡。

所述的步骤30)中，电机的转速范围为0.2rpm—200rpm；所述的步骤40)中，电机10的转速范围为0.2-200rpm。

上述实施例的测量方法，还包括步骤50)：返回步骤40)，测量在不同时间点的泡沫铝在发泡过程中粘度和孔隙率，直至发泡过程结束，停止测试；将测量过程中测得的粘度值和孔隙率为y轴，时间t为x轴作图，获得孔隙率与粘度的关系线条图。孔隙率是泡沫最重要的物理特征参数之一。孔隙率改变时，泡沫的物理性质也将随之改变。因此，建立孔隙率-表观粘度的关系线条图，能够快速获取泡沫的孔隙率和表观粘度的关系。

上述测量方法中，发泡搅拌装置2位于熔铝炉1上方，可水平移动。需要搅拌时，将发泡搅拌装置2移动到泡沫铝熔体正上方。不需要搅拌时，将发泡搅拌装置2移开。

上述测量方法成功测量了含气量较低(含气量低于90％)的液态泡沫的表观粘度和屈服应力。同时，通过步骤50)测量了含气量持续变化的(含气量为50％～80％)液态泡沫的表观粘度和屈服应力。

采用本发明实施例的方法，置入搅拌桨，开启电机及控制仪、扭矩仪、激光测距仪，使电机按照预设的速度匀速转动，计算机实时记录扭矩仪信号以及距离信号。将试验测取的扭矩值—时间数据带入式(1)，可以获得表观粘度—时间数据。将试验测取的高度—时间数据带入式(4)，可以获得孔隙率—时间数据。将表观粘度—时间数据以及孔隙率—时间数据绘制成双Y曲线，如图3所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。