随着汽车制造、航空航天以及建筑等行业对金属材料质量要求日益严格,进一步降低金属材料中夹杂物含量水平,提高金属的洁净度是金属冶炼发展的重要方向。传统的金属熔体净化方法虽能有效地去除大尺寸夹杂,然而存在着对微小夹杂去除效率低、对钢液和环境易造成污染等缺点,因此探索一种更为高效的金属熔体净化新技术显得尤为重要。本文将超重力分离技术引入到金属熔体净化中,首先利用FLUENT软件对超重力场中金属熔体内部流场以及夹杂物颗粒的运动行为进行模拟研究,理论上验证了超重力强化分离夹杂物的可行性;其次利用超重力对铝熔体中MgAl₂O₄氧化夹杂进行恒温分离以及过滤净化的实验研究;最后研究了超重力场下高温Fe-Al-O熔体中Al₂O₃夹杂的分离行为,进而为超重力在金属熔体净化领域的应用提供科学依据和理论指导。FLUENT对超重力场中铝熔体内部流场的模拟研究结果表明,超重力场中铝熔体内部只有旋转方向的速度场,沿超重力方向上铝熔体内部并不存在明显的对流现象。铝熔体内部沿超重力方向上存在一个压力梯度,沿着超重力方向熔体内部的压力值逐渐增大,而且相同位置的压力值随着重力系数的增加而增大,当重力系数G=500时,铝熔体内部最大压力值达到了 5.3×105 Pa。在超重力场下熔体内部旋转切向速度均沿超重力方向呈梯度增加的方式分布,而且旋转熔体内部相同位置的速度随着重力系数的增加而逐渐增大。对超重力场中铝熔体内部夹杂颗粒受力分析以及模拟研究结果表明,与普通重力条件相比,超重力可以有效强化熔体中夹杂物的定向分离过程。当只考虑质量力FG、粘滞阻力FD时,夹杂颗粒运动行为遵守Stokes运动定律,即超重力场中夹杂颗粒能够在很短时间内达到平衡沉降速度,而且夹杂颗粒运动速度与重力系数、两相密度差以及夹杂颗粒直径的平方成正比。利用DPM离散相模型研究夹杂颗粒运动行为时,沿普通重力方向上,尺寸较小的夹杂颗粒所受到的主要作用力为质量力FG、粘滞阻力FD、布朗力FB以及虚拟质量力Fv;沿超重力方向上,由于较大的超重力削弱了布朗力FB以及虚拟质量力Fv对夹杂运动的影响,夹杂颗粒所受到的主要作用力为质量力FG和粘滞阻力FD,此时夹杂颗粒的运动近似符合Stokes运动定律。利用超重力对铝培体中MgAl₂O₄夹杂进行恒温分离实验研究,结果表明超重力可以有效分离铝合金熔体中的非金属夹杂,经过超重力处理后,试样的底部出现了灰色的夹杂物富集带,而且试样的净化率随着重力系数与净化时间的增加而增大,当重力系数G=500,t=2 min时,试样的净化率达到了90%。当G≤20,t≤5 min时,夹杂物的Stokes理论运动速度与实验运动速度基本吻合;当G≥100时,两者的速度相差较大,这是由于随着重力系数的增大,试样下部区域夹杂物富集带的浓度较大,较大的粘性阻力严重影响了夹杂物的迁移。超重力过滤复合净化铝合金熔体的实验研究表明,利用超重力过滤复合净化法可以彻底地将夹杂物从铝熔体内分离出来,经过超重力过滤后,固相夹杂物被过滤毡截留在上部,而铝熔体经过过滤净化后流到下部容器内。重力系数以及过滤温度是影响铝熔体净化效果的主要因素,而过滤时间以及过滤器厚度对铝熔体净化效果的影响不大。当重力场G<50时,铝熔体无法穿过过滤毡;当重力场G≥50时,铝熔体开始穿过过滤毡流到下部坩埚内,从而获得过滤净化铝。当重力场G=500时,MgAl₂O₄氧化夹杂去除率为99.22%,’粗大Al₃Ti相去除率为92.09%,此时净化铝的收得率达到92.24%。虽然在超重力过滤实验中同时观察到滤饼过滤机制和深层过滤机制,但本研究中滤饼过滤机制为主要的过滤机制。超重力对高温Fe-Al-O熔体中Al₂O₃夹杂分离的实验研究表明,超重力可以强化Fe-Al-O熔体中氧化夹杂的定向分离过程。经过超重力分离后,试样底部与中部区域的Al₂O₃夹杂数量显著减少,试样内部绝大多数的氧化夹杂富集到了试样的上部区域,且从试样底部到上部的方向上,氧化夹杂的平均尺寸逐渐增加。经过超重力净化后,试样底部和中部区域的氧含量均显著降低,试样中部区域的氧含量由初始的5.7×10-3%降至2.2×10-3%,最大去除率达到了 61.4%,表明将超重力分离技术引入到钢液净化中是可行的。