玻璃/铝基废弃物复合材料的搅拌工艺及流场模拟研究

论文摘要

铝和玻璃制品在各行业中的需求增长强劲,消费量呈上涨趋势,随之而来的废铝和碎玻璃也逐年增多。但目前对废铝和废玻璃的再生利用大多作为其它产品的原料或者回炉重炼等简单地回收利用,所得的材料性能不够理想,利用价值不高。能源危机和资源短缺的加剧,以及环境效益、经济效益和社会效益辩证统一关系理念的日益深化,使人们逐渐把目光转移到再生新型材料上,用废玻璃和废铝料制备复合材料是两类废弃物高附加值利用的有效途径之一,也是在我国循环经济发展、静脉产业推进中,具有独创性的一种思路。颗粒增强铝基复合材料是国内外研究的热点,但把废弃玻璃颗粒作为增强体,所见报道较少。论文主要的研究内容和结论有:1本文综述了国内外废铝和废玻璃的再生利用动态、颗粒增强铝基复合材料的研究现状,以废玻璃和废铝易拉罐为原料,采用机械搅拌法将玻璃颗粒搅入废铝熔体中加以分散,充分混合后浇注,成功制取了玻璃含量分别为5wt%、10wt%、15wt%的0.075～0.15mm和0.15～0.42mm粒径范围的玻璃/铝基废弃物复合材料。复合材料经加工装配成托辊产品,符合带式运输机的国家标准（GB987～988—91、GB990—91）,经多家单位试用,能满足生产使用要求。2玻璃颗粒硬度高、比重小、热膨胀系数低、摩擦系数低,可作为复合材料的增强体;而金属铝具有熔点低、韧性好和耐腐蚀等优点,由于在软的基体上分布着硬度高的颗粒,所制备的复合材料具有良好的机械性能:复合材料的抗拉强度约为88～108MPa,接近工业纯铝的抗拉强度为65～110MPa。复合材料的硬度得到大幅提高,其值约是纯铝的两倍。复合材料的磨损方式除粘着磨损外,还有磨料磨损,耐磨性能与基体铝合金相比,提高4.62倍。3机械搅拌法制备玻璃/铝基废弃物复合材料,设备构造简单,便于采用传统冶金工艺,能实现批量生产。但在玻璃颗粒添加的复合搅拌实验中发现,当玻璃颗粒添加量达到15～20wt%时,铝硅熔体的湍流流动性质严重影响了玻璃颗粒的分散悬浮行为,制备工艺过程中极易出现玻璃颗粒团聚上浮的现象,导致搅拌复合的工艺失败,严重影响了复合材料的工业化生产。论文以cfx4.4软件为计算平台,选用湍流κ-ε标准两方程模型、SIMPLE算法,通过有限容积法将微分方程组离散成差分代数方程组、用逐线扫描的低松弛迭代求解搅拌槽内铝硅熔液的流场分布。研究了铝硅合金液的速度场、压力场、温度场分布;研究了搅拌桨旋转速度、桨叶的几何尺寸、温度等因素对流场的循环特性、涡体的产生及作用的影响;研究了玻璃颗粒在铝硅合金液中的跟随性和分散机理;研究了玻璃粒子在铝熔体中的碰撞、团聚及上浮机理。研究结果对颗粒增强复合材料的搅拌法生产提供一些理论依据和参考借鉴作用。4两层/三层的45°斜叶桨,直径为0.150m的搅拌槽内铝液的模拟计算结果表明:铝硅熔液的流速分布差别较大,能形成了多个循环区域,且各自的循环效果不同。周向流循环不利于玻璃颗粒的混合分散和槽内的热量传递,易造成颗粒的团聚;径向流和轴向流是颗粒分散所需要的流型。不同桨叶的组合方式对流体循环会产生不同的影响,搅拌实验中采用两层45°斜叶桨与平桨结合的方式能够使玻璃颗粒达到良好的分散效果。5玻璃颗粒加入的开始阶段,颗粒分散机制是对流混合层中夹卷混合,此时流体趋于均匀,涡旋具有较好的自相似性,各向同性特征很明显,颗粒可以很好地跟随其中运动到流场内部。当液流进入了对流和剪切并存的混合阶段,由于参与混合的流体来自于不同层数,而具有很强的不均匀性,涡旋尺度大小不一且结构自相似性较差,玻璃颗粒在其中的跟随性有所选择。当液流充分发展时,来自于不同流层的小尺度涡旋自身更具有强烈的旋转性,湍流极不均匀且自相似性较差,能谱具有明显的分段特征,此时颗粒与涡体之间在速度的大小和方向上会发生较多的相对运动,结果导致了玻璃颗粒之间发生更多的碰撞。6玻璃颗粒的粒形和粒度影响了颗粒表面性质,随着粒径的减少,颗粒表面能急剧增加,在铝液温度场的影响下,玻璃颗粒微凸或尖锐的部分表面会由于低熔点特性而发生熔融,表面具有粘连性,随着玻璃颗粒碰撞几率的增加,部分玻璃颗粒发生粘连和团聚,团聚体会由于空气夹杂导致密度减小而上浮,在上浮的过程中产生“拉网”效应,挟带几乎所有的颗粒上浮出液面。7玻璃颗粒的跟随性决定于颗粒的特征时间与流体波数的响应。实验采用的0.42mm、0.15mm、0.075mm的玻璃颗粒的特征时间分别为1.13×10-2s、1.4×10-3s、0.35×10-3s,所对应的湍流波数分别为88Hz、714Hz、2829Hz。当搅拌桨转速达到1000rpm时,其波数与0.124mm的颗粒的特征时间对应,故粒径为0.075～0.124mm的玻璃颗粒有良好的跟随性,而0.124～0.42mm之间的玻璃颗粒会与流体产生相对滞后。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 固体废弃物的资源化概述
• 1.2.1 再生资源的概念
• 1.2.2 资源再生的政策支持
• 1.3 废玻璃再生利用动态
• 1.3.1 废玻璃的产生
• 1.3.2 废玻璃的再生利用动态
• 1.3.3 我国废玻璃再生利用存在的主要问题
• 1.4 废铝再生利用动态
• 1.4.1 铝的生产与消费
• 1.4.2 废铝的再生利用动态
• 1.4.3 我国废铝再生利用存在的主要问题
• 1.5 颗粒增强金属基复合材料的研究动态
• 1.5.1 基本理论
• 1.5.2 制备工艺
• 1.5.3 工程应用
• 1.5.4 玻璃/铝基废弃物复合材料研究动态
• 1.6 论文的选题
• 1.6.1 搅拌法制备玻璃/铝基废弃物复合材料
• 1.6.2 选题可行性研究（玻璃颗粒/铝硅熔液的润湿性研究）
• 1.7 论文研究的目的和内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 1.7.3 论文结构
• 第2章 机械搅拌法制备玻璃/铝基废弃物复合材料的工艺
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 废玻璃
• 2.1.2 废铝易拉罐
• 2.1.3 外加试剂
• 2.2 实验工艺
• 2.2.1 废玻璃的预处理工艺
• 2.2.2 废铝易拉罐的炯烧除漆工艺
• 2.2.3 铝硅合金的熔炼工艺
• 2.2.4 玻璃颗粒分散的半固态复合搅拌工艺
• 2.3 实验方案
• 2.4 实验设备
• 2.5 材料测试
• 2.5.1 机械性能的测试方法
• 2.5.2 微观组织的分析与测试方法
• 第3章 复合材料的性能分析及产品开发
• 3.1 复合材料的微观形貌
• 3.2 复合材料的拉伸性能分析
• 3.2.1 玻璃颗粒的影响
• 3.2.2 基体铝的影响
• 3.2.3 拉伸断口SEM形貌
• 3.2.4 强化机理分析
• 3.3 复合材料的硬度分析
• 3.3.1 玻璃颗粒的影响
• 3.3.2 基体铝的影响
• 3.3.3 机理分析
• 3.4 复合材料的耐磨性能分析
• 3.4.1 玻璃颗粒的影响
• 3.4.2 基体铝的影响
• 3.4.3 机理分析
• 3.5 复合材料的产品开发—托辊的开发
• 3.5.1 复合材料的综合性能
• 3.5.2 复合材料触变成型工艺
• 3.5.3 复合材料托辊的装配及检测
• 3.6 本章小结
• 第4章 搅拌工艺中存在的问题及拟解决方案
• 4.1 搅拌工艺中存在的问题
• 4.1.1 粒度不同的玻璃颗粒搅拌加入情况
• 4.1.2 玻璃颗粒的不均匀分布与团聚上浮现象
• 4.2 拟解决的方案-流场的模拟
• 4.2.1 流场模拟的目的和意义
• 4.2.2 计算流体力学的技术优势
• 4.3 计算流体力学（CFD）在搅拌工程上的应用
• 4.3.1 搅拌槽内流场的CFD研究进展
• 4.3.2 CFD在搅拌槽内研究的应用
• 4.3.3 搅拌工程中CFD的发展趋势
• 4.4 本章小结
• 第5章 搅拌流场的模拟研究
• 5.1 铝硅熔液的流变特性研究
• 5.1.1 铝硅合金熔液的流变性质
• 5.1.2 复合材料熔体的流变性质
• 5.1.3 流场的假设
• 5.2 搅拌流场的CFD模拟研究
• 5.2.1 基本思路
• 5.2.2 控制方程
• 5.2.3 几何模型及网格划分
• 5.2.4 参数设置
• 5.2.5 数值求解
• 5.3 转速及桨叶组合对流体循环的影响
• 5.3.1 搅拌槽内流体的循环
• 5.3.2 转速对流体循环的影响
• 5.3.3 桨叶组合对流体循环的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 玻璃颗粒的团聚机理研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 搅拌分散实验中存在的问题
• 6.1.2 研究目的
• 6.2 玻璃颗粒的表面粘连性研究
• 6.2.1 玻璃颗粒的受热熔融实验
• 6.2.2 玻璃的颗粒特性和表面结构
• 6.2.3 玻璃颗粒局部微凸的软化温度下降特性
• 6.2.4 玻璃颗粒的表面粘连性
• 6.3 搅拌槽内的传热和温度粘度分布研究
• 6.3.1 搅拌槽内的传热
• 6.3.2 搅拌槽内温度与粘度的分布
• 6.4 颗粒在流场中的碰撞行为和团聚机理研究
• 6.4.1 流体的压力分布
• 6.4.2 玻璃颗粒的受力分析
• 6.4.3 涡体的发展和作用
• 6.4.4 玻璃颗粒的相互碰撞
• 6.4.5 玻璃颗粒的碰撞粘连及团聚上浮机理
• 6.5 本章小结
• 第7章 玻璃颗粒搅拌分散的机理研究
• 7.1 引言
• 7.1.1 搅拌分散实验中存在的问题
• 7.1.2 研究目的
• 7.1.3 搅拌系统的影响因素及简化
• 7.2 流场中涡体的分布与作用研究
• 7.2.1 能量的传递与耗散作用
• 7.2.2 湍动能k和湍动能耗散率ε分布
• 7.2.3 湍流的局部各向同性和局部相似性假设理论
• 7.2.4 涡体的特征尺度
• 7.3 搅拌槽内玻璃颗粒的跟随性研究
• 7.3.1 研究进展
• 7.3.2 Basset-Boussinesq-Oseen方程
• 7.3.3 特征时间法
• 7.4 实验验证
• 7.4.1 玻璃颗粒的悬浮分散均匀度
• 7.4.2 搅拌混合过程
• 7.4.3 实验结果
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢