超聲波在鋼鐵冶金中的應(yīng)用

1、超聲波在鋼鐵冶金中的應(yīng)用【摘要】： 通過(guò)對(duì)超聲波在鋼鐵冶金中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀得出：超聲波在鋼鐵冶金中有廣泛 的應(yīng)用前景，可以用來(lái)去除鋼液中的氣體和夾雜物，同時(shí)可以改善鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部組織 結(jié)構(gòu)，也可用于合金和對(duì)方向性有要求的新材料的開(kāi)發(fā)?！娟P(guān)鍵詞】：超聲波冶金應(yīng)用Ultrasonic application in iron and steel metallurgyWu Chun Hong(Jiangxi university of science and technology and institute of metallurgical and chemical engineering,341

2、000)Abstract: Based on the research of the application of ultrasound in the iron and steel metallurgy status quo conclusion: ultrasound has extensive application prospect in the iron and steel metallurgy, can be used to remove the gases and inclusions in the molten steel, at the same time can improv

3、e casting surface quality and internal organizational structure, also can be used in the alloy and is required for the development of new materials for direction.Keyword: Ultrasonic metallurgy application超聲波是一種壓縮縱波，超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播，具有 很強(qiáng)的穿透性,這些固有特征使它在液體介質(zhì)中傳播時(shí)可傳遞很強(qiáng)的能量，能夠在界面上產(chǎn) 生強(qiáng)烈的沖擊和空化作用，且同聲

4、波一樣會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。超聲波所具 有的諸多特性使其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于清洗、探傷和測(cè)速等領(lǐng)域，但其在冶金行業(yè)除了探傷外應(yīng) 用很少，如今隨著新材料開(kāi)發(fā)的成功，使大功率的超聲波換能器得以研制成功，從而突破傳統(tǒng) 換能器功率小、能量利用率低的局限，使超聲波應(yīng)用于冶金行業(yè)尤其是在精煉方面成為可能 1且我國(guó)鋼鐵業(yè)正處于由提高產(chǎn)量轉(zhuǎn)向提高質(zhì)量、全社會(huì)節(jié)能降耗的良好契機(jī)，使超聲波具 有良好的研發(fā)前景和實(shí)用價(jià)值，因此本文對(duì)于超聲波用于鋼鐵冶金中夾雜物控制和鑄坯質(zhì)量 控制的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析研究。1超聲波的作用機(jī)理超聲波具有以下四個(gè)基本特性：第一，束射特性。超聲波波長(zhǎng)短.可以集中成一束射 線；第二.吸收特

5、性。超聲波在空氣、液體和固體中均會(huì)被吸收?？諝庵械奈兆顝?qiáng)烈，固 體中的吸收最微弱；第三，高功率。由于頻率高，超聲波的功率比聲波大得多.它不僅能使 所作用的介質(zhì)產(chǎn)生急速運(yùn)動(dòng)。甚至?xí)茐钠浞肿咏Y(jié)構(gòu)；第四.聲壓作用。聲波振動(dòng)使物質(zhì)分 子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用。這種由于聲波振動(dòng)引起的附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。超聲波在提取 冶金過(guò)程中應(yīng)用的主要是功率超聲。功率超聲可以強(qiáng)化冶金過(guò)程的原因是：溶液中存在有溶 解的一些氣體.在超聲波的作用下形成所謂的空化現(xiàn)象.當(dāng)這些微小的氣泡破裂時(shí)，產(chǎn)生瞬 間的高溫(5000K)高壓(5x107 Pa)，形成所謂的“熱點(diǎn)”。對(duì)化學(xué)反應(yīng)起到非常明顯的加速 作用，同時(shí)高能超聲形成的大

6、量空化氣泡在超過(guò)一定值的聲壓下發(fā)生崩潰并產(chǎn)生激波，將已 結(jié)晶長(zhǎng)大的晶粒打碎，使晶粒得到細(xì)化。另一方面超聲波使液體出現(xiàn)湍流的力學(xué)特性.降低 擴(kuò)散阻力，同時(shí)對(duì)破壞邊界層，加速傳質(zhì)、傳熱。促進(jìn)微細(xì)顆粒的彌散起到了關(guān)鍵作用。 超聲振動(dòng)的高能量及其它的特殊效應(yīng).還可極大地提高振動(dòng)對(duì)凝固的作用效果4。超聲波在 液體中傳播時(shí)+液體分子受到周期性交變聲場(chǎng)的作用。產(chǎn)生聲空化、聲流效應(yīng)及力學(xué)機(jī)制， 引起熔體中流動(dòng)場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化。從而產(chǎn)生一些特殊的效果。在高溫操作中，高 功率超聲波可用于熔體金屬的迅速脫氣5。實(shí)際上超聲波對(duì)于任何中等粘度的液體的脫氣幾 乎都適用6。在含水系統(tǒng)中脫氣效果特別迅速.它能除去溶解

7、的任何氣體，使水溶液中的氣 體降到很低的水平。超聲波脫氣對(duì)于要求迅速和受控制的除去系統(tǒng)中氣體的場(chǎng)合。會(huì)得到很 好的效果。根據(jù)上述機(jī)理，超聲波可改善熔融液在冷卻凝固時(shí)的流動(dòng)性。能夠提供有效的結(jié) 晶體。從而也可改善金屬熔體的質(zhì)量。2超聲波去夾雜物鋼液中微小的夾雜物上浮是非常困難的,只能當(dāng)它們聚集起來(lái)才會(huì)使上浮更加容易，近幾 年shin-ichiHatanaka等人對(duì)超聲波處理溶液中夾雜物的行為進(jìn)行了研究7-9,得出結(jié)論是駐波 可以成功使粉末分層、集聚。為了從多角度研究超聲波的作用,因此研究者對(duì)不同振動(dòng)方向 的超聲波進(jìn)行了研究。2.1底部振動(dòng)去夾雜火田中信一等人I?！?研究了高頻超聲波對(duì)溶液中分散小

8、顆粒的控制，以用于去除熔融金 屬中的夾雜物。他們?cè)?3%（密度為1050kg/m,）砂糖水溶液中加人直徑為0.163mm（密度為 1050kg/m,）的聚苯乙烯小顆粒0.209。同時(shí)在糖溶液中加人一滴洗滌劑（成分:27%界面活性 劑）。研究表明，隨振動(dòng)頻率增大,溶液中小球聚合的層數(shù)增多，小球移動(dòng)到懸停聚合位置的時(shí) 間縮短，這樣就為通過(guò)控制頻率和超聲波的迭加去除熔融金屬中夾雜物提供了可能。同時(shí)他 們還對(duì)不同容器材質(zhì)下超聲波對(duì)聚苯乙烯小顆粒的影響做了對(duì)比研究。研究采用銅質(zhì)圓筒容 器與聚丙烯樹(shù)脂圓筒容器相比較,在其他試驗(yàn)條件相同（相同的振動(dòng)頻率和溶液深度）情況下, 研究得出結(jié)論:駐波可以成功使粉末分

9、層、集聚，但駐波的形成與所用容器材質(zhì)與厚度有關(guān)。 而且設(shè)計(jì)聲場(chǎng)必須同時(shí)考慮溶液的性質(zhì)、深度、以及不同振動(dòng)頻率下?lián)Q能器的直徑和分布。 同時(shí)，他們對(duì)聲場(chǎng)和聲壓的分布進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析，得到的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 相符。3超聲波去氣當(dāng)把彈性振動(dòng)導(dǎo)人熔融金屬中時(shí),發(fā)現(xiàn)有空化現(xiàn)象產(chǎn)生，這是由于液相的連續(xù)性受到破裂 后而產(chǎn)生了空洞，于是溶解在液態(tài)金屬中的氣體便向其中集中。由于聲波的彈性振動(dòng),特別是 超聲波的彈性振動(dòng)促使氣泡核心的產(chǎn)生，并使它不斷長(zhǎng)大，一直長(zhǎng)大到能順利地從熔融金屬 中排出的尺寸。魯曼里、艾斯瑪赫和玻依奇12，用聲波和超聲波處理了含5%-7%鎂的鋁鎂合 金。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究分析得出:超聲波

10、對(duì)熔融金屬中排除氣體的作用很大。超聲彈性振動(dòng)在 幾分鐘內(nèi)可以使合金完全去氣。研究人員13-14 對(duì)超聲波對(duì)液體中氣泡運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了研究, 他們將與超聲換能器相連的板豎直插人到溶液中，在容器底部用多孔噴嘴塞吹人氬氣 （3-5L/min）,對(duì)有聲波振動(dòng)（5OHz、15.6kHz）和無(wú)振動(dòng)的板分別進(jìn)行比較，結(jié)果顯示加人超聲 振動(dòng)后底吹小氣泡柱被板分隔為兩股向外的氣泡柱，而未加超聲振動(dòng)的沒(méi)有明顯變化。在熔 化的鋼水中做了相同原理的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有超聲振動(dòng)的板附近的凝固殼所含氣泡比沒(méi) 有超聲振動(dòng)的少，說(shuō)明超聲波有良好的去氣作用，將超聲振動(dòng)作用于結(jié)晶器壁可以防止因?yàn)?吹氫造成的初凝坯殼下氣泡聚集。4

11、超聲波對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響KuznetsovB.G等人對(duì)直曾將超聲波振動(dòng)施加于小方坯、大方坯和板坯的澆鑄中，得到很 平滑的鑄坯表面,但板坯振痕深度有所增加；還有人證實(shí)了超聲振動(dòng)可以使凝固組織的晶粒 細(xì)化以防止偏析18。4.1超聲波鑄坯表面質(zhì)的影響超聲波可以作用于結(jié)晶器上以改善鑄坯表面質(zhì)量Mo超聲波對(duì)結(jié)晶器的振動(dòng)可用于小方 坯、大方坯和板坯。用超聲波振動(dòng)時(shí)不用負(fù)滑動(dòng)。在澆鑄小方坯和大方坯時(shí)對(duì)結(jié)晶器施加超 聲振動(dòng)后可以得到很平滑的鑄坯表面。在澆鑄板坯時(shí)施加超聲波振動(dòng)后，保護(hù)渣耗量增加， 振痕深度也有所增加。4.2細(xì)化晶粒自從1868年切爾諾夫20在鋼錠的凝固過(guò)程中施加簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)獲得細(xì)化晶粒的初步

12、結(jié)果以來(lái)，振動(dòng)凝固的研究工作引起了廣泛的注意。早期的施振方式均是采用低頻率、低能 量密度的簡(jiǎn)單機(jī)械振動(dòng)，如運(yùn)用凸輪等使鑄型上下振動(dòng)。采用超聲振動(dòng)凝固法生產(chǎn)鑄件時(shí)， 超聲波在傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，形成射流，同時(shí)由于非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲 流，而超聲空化在固體和液體界面會(huì)產(chǎn)生高速的微射流，所有這些作用，能夠削斷破壞枝晶， 沖擊凝固前沿，增加攪拌、擴(kuò)散作用21。由此可見(jiàn)，凡是液體能浸到且聲場(chǎng)存在的地方都有 作用。利用該過(guò)程中的空化效應(yīng)，可達(dá)到凈化組織，細(xì)化晶粒,使組織均勻化等作用。除振動(dòng) 引起的機(jī)械作用破壞枝晶外，超聲振動(dòng)凝固的另一重要作用是提高了金屬液的有效過(guò)冷度， 減小了臨界晶核半徑，

13、從而增加了形核率，細(xì)化了晶粒。在鋁硅合金的連鑄過(guò)程中進(jìn)行超聲處 理可以細(xì)化鑄坯的晶粒,進(jìn)而改善這些合金的塑性和延展性，使其更好的應(yīng)用到建材和汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上。4.3聲控化作用與聲流作用當(dāng)超聲波在液體或熔體中傳播時(shí)，液體分子受到周期性交變聲場(chǎng)的作用.在聲波稀疏相 內(nèi)，液體受到拉應(yīng)力，若聲壓值足夠大，則液體被拉裂而產(chǎn)生空化泡或空穴；在隨后來(lái)臨的 聲波正壓相內(nèi)，這些空化泡或空穴將以極高的速度閉合或崩潰，從而在熔體內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)的 局部高溫高壓和強(qiáng)烈的沖擊波22-24.在超聲波聲流和沖擊波的宏觀攪拌作用下，使破碎的晶 粒均勻的分布在整個(gè)熔體中，最終消除了柱狀晶組織，改善了凝固組織結(jié)構(gòu).4.4超聲波的熱

14、效應(yīng)超聲波會(huì)在試樣中產(chǎn)生熱效應(yīng)，在頻率一定的條件下，超聲波的功率越大，熱效應(yīng)也變 得越顯著25-26，這樣就會(huì)降低鋼水的冷卻速度，減緩凝固界面的長(zhǎng)大，延長(zhǎng)鋼液結(jié)晶時(shí)間， 導(dǎo)致晶核增加，晶粒變細(xì).本實(shí)驗(yàn)中，除了以上的幾個(gè)作用與效應(yīng)以外，超聲波對(duì)鋼的凝固 組織的細(xì)化程度和超聲波的輸入功率，鋼種成分等有關(guān).功率過(guò)小，產(chǎn)生的聲空化作用和聲 流作用不明顯，不足以打碎粗大的柱狀晶而細(xì)化組織，這也是鋼種的凝固組織的細(xì)化程度隨 導(dǎo)入的超聲波功率增大而提高的原因所在.另外，兩種鋼材的成分不同，其凝固組織有所區(qū) 別，超聲波對(duì)不同的鋼種的影響就有所不同.5新材料開(kāi)發(fā)5.1利用超聲波可使參振凝固時(shí)的空化效應(yīng)與熱效應(yīng)相

15、結(jié)合，還可在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)具有 高熔點(diǎn)差及高比重差組元的快速互熔，制備在常規(guī)的熔鑄條件下難以獲得的具有細(xì)小、均勻 組織的合金，如東南大學(xué)陳鋒27利用鐵導(dǎo)桿將超聲引入鋁液，得到了晶粒細(xì)小的FeAl尸8。5.2超聲振動(dòng)對(duì)溶液中纖維的方向控制 3研究表明,在波節(jié)和波谷處纖維呈現(xiàn)不同的聚集方向，此外在對(duì)單個(gè)聲源振動(dòng)、兩個(gè)同相 聲源和相位相差二兩個(gè)聲源進(jìn)行比較后得出:兩個(gè)聲源產(chǎn)生的聲壓明顯高于一個(gè)聲源所產(chǎn)生 的聲壓，兩個(gè)聲源的相也是影響纖維分布的因素，同相時(shí)纖維呈很清晰明白的分層現(xiàn)象，而不 同相時(shí)則呈較紊亂的分層分布。這些現(xiàn)象所反映的超聲波特性可用于生產(chǎn)具有方向性分布的 新材料。5.3在復(fù)合材料中的應(yīng)

16、用馮海闊等人29討論了超聲波在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中的應(yīng)用。超聲波在此 過(guò)程中的主要作用，是改善顆粒與合金液潤(rùn)濕性及顆粒分散的均勻性。通過(guò)總結(jié)超聲分離技 術(shù)的機(jī)理及研究現(xiàn)狀，提出一種很有發(fā)展?jié)摿Φ牟捎贸暦蛛x技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)金屬基表面 復(fù)合材料的新方法。王俊等30采用高能超聲復(fù)合法制備了致密度高、增強(qiáng)顆粒均勻分散的 Sic顆粒/ZA22復(fù)合材料。其內(nèi)部沒(méi)有氣孔或顆粒偏聚等缺陷。認(rèn)為在試驗(yàn)所用高能超聲 處理?xiàng)l件下，熔液中產(chǎn)生的瞬時(shí)局部高溫、高壓的聲空化效應(yīng)與具有高的速度和加速度的聲 流效應(yīng)的協(xié)同作用.是改善增強(qiáng)顆粒與基體合金潤(rùn)濕性、并使顆粒在合金中均勻彌散分布的 主要原因。潘進(jìn)等31用

17、功率超聲波施加于金屬熔體中，可以在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)纖維與金屬 的復(fù)合。制備出了高性能復(fù)合材料。液態(tài)金屬在超聲作用下能滲入顆粒預(yù)制件中或與顆粒均 勻混合。超聲浸鍍可以實(shí)現(xiàn)鋼絲鍍鋅、鍍鋁。方孝春32結(jié)合超聲波理論和作用及高速電鍍 理論，對(duì)鐵基粉末冶金件鍍鎮(zhèn)的傳統(tǒng)工藝與新工藝進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。經(jīng)過(guò)超聲波清洗的鍍件 基體與鎳層結(jié)合力明顯提高；封孔處理可降低鍍層孔隙。耐蝕性能提高；鍍層封閉劑R處理 后可有效填充和封閉鍍層孔隙。阻擋腐蝕電池的產(chǎn)生，從而提高單層鍍鎳層的防護(hù)性能和品 質(zhì)。6存在的問(wèn)題及前景展望通過(guò)以上論述可以看出，超聲波對(duì)許多冶金過(guò)程確實(shí)能起到有效的強(qiáng)化作用，但是目前超 聲波在冶金反應(yīng)過(guò)程中的作

18、用機(jī)理還未完全弄清楚。為了使其不斷完善和推廣應(yīng)用,還需對(duì) 超聲強(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化方式、工藝設(shè)備及技術(shù)條件優(yōu)化作進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。從實(shí)際應(yīng)用的角 度來(lái)看，現(xiàn)在的超聲波發(fā)生器普遍存在功率小的問(wèn)題，不能完全滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，如何 使設(shè)備大型化，盡快研究出大功率超聲波發(fā)生器是解決應(yīng)用問(wèn)題的當(dāng)務(wù)之急?？梢韵嘈?，超聲 強(qiáng)化是很有應(yīng)用前景的新技術(shù)。隨著科技日新月異的進(jìn)步和冶金工作者的不斷研究探索在 不久的將來(lái)，功率超聲在強(qiáng)化冶金過(guò)程、復(fù)合材料的制備、分離純化冶金產(chǎn)品等方面的應(yīng)用 將越來(lái)越廣泛，如在浸出、電積、萃取、結(jié)晶、凝聚、過(guò)濾、脫水、吸附與脫附等過(guò)程中將 發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,在冶金中的應(yīng)用前景將變得越

19、來(lái)越廣闊。參考文獻(xiàn)徐匡迪，蔣國(guó)昌.中國(guó)鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展.中國(guó)工程科學(xué),2000(7):1-9Hatanka S I,Taki T,Kuwabara M,etal.Effect of process parameters on ultrasonic seperation of dispersed particles in liquidJ.Jpn JAppl Phys,1999,138:3096-3100Kobayoshi M,Kamata C,Ito K.Cold mold experiments of removal from molten metal by an irradiation

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