超声波在冶金中的应用研究

　　0 前言

　　人们通常把频率大于20kHz的声波称为超声波,其频率已超出了人耳所能感知的范围,所以我们听不见超声波。超声波是一种压缩纵波,可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播,具有很强的穿透性。这些固有特征使它在液体介质中传播时可传递很强的能量,能够在界面上产生强烈的冲击和空化作用,且与声波一样会产生反射、干涉、叠加和共振现象。在同样振幅的条件下,超声波的强度比普通声波大得多,这也是超声波能在众多领域获得广泛应用的重要原因之一。且超声波的波长较短,频率很高,具有的能量较大,可以对介质质点产生显著的声压作用[1]。鉴于上述特性, 20世纪50年代它在工业上的应用就取得了较大的发展,目前已被广泛应用于海洋探测、工业探伤、电镀行业(用于表面清洗)、医学、化工、食品及电子工业等领域。同样,近半个世纪以来,许多冶金工作者也长期致力于超声波的基础研究和应用研究工作。尤其近些年随着新材料开发的成功,使大功率的超声波换能器得以研制成功,从而突破传统的换能器功率小、能量利用率低的局限,使超声波应用于冶金行业成为可能,并先后取得了一些研究成果,有些已获得了工业应用[2]。目前我国冶金工业正处于由提高产量转向提高质量、全社会节能降耗的良好契机,超声波更具有良好的研发前景和实用价值,因此本文对超声波在钢铁和有色冶金领域中的应用研究作如下介绍。

　　1 超声波在钢铁冶金中的应用

　　1.1 超声波去夹杂物

　　钢液中微小的夹杂物上浮是非常困难的,只有当它们聚集起来才会使上浮更加容易。近年来, Hanataka等对超声波处理溶液中夹杂物的行为进行了研究,得出的结论是驻波可以使粉末成功分层、集聚[3,4]。

　　1.2 超声波去气

　　当把弹性振动导入熔融金属中时,发现有空化现象产生,这是由于液相的连续性受到破裂后而产生了空洞,于是溶解在液态金属中的气体便向其中集中。由于声波的弹性振动,特别是超声波的弹性振动促使气泡核心的产生,并使它不断长大,直至长大到能顺利地从熔融金属中排出的尺寸。鲁曼里等用声波和超声波处理了含5%~7%镁的铝镁合金[5]。结果表明:超声波对熔融金属中排除气体的作用很大,超声弹性振动在几分钟内可以使合金完全去气。

　　有人对超声波对液体中气泡运动的影响进行了研究[6]。他们将与超声换能器相连的板竖直插入溶液中,在容器底部用多孔喷嘴塞吹入氩气(3~5L/min),对有声波振动(50Hz、1516kHz)和无振动的板分别进行比较。结果发现,加入超声振动后底吹小气泡柱被板分隔为两股向外的气泡柱,而未加超声振动的没有明显变化。在熔化的钢水中做了相同原理的实验,结果表明,有超声振动的板附近的凝固壳所含的气泡比没有超声振动的少,说明超声波有良好的去气作用,将超声振动作用于结晶器壁,可以防止因为吹氩造成的初凝坯壳下气泡聚集。