变幅杆式超声波声场分布测量

　　近些年,对钢材性能的要求越来越高,传统的炼钢工艺已不能满足优质的超低碳、低磷、低硫和低总氧含量钢的生产要求,这就需要探索新的炼钢工艺。超声波在冶金中的应用越来越受到重视,并且进行了初步的研究[1]。液体中超声波的作用机理较为复杂,对于超声场的分布的测量是一个较复杂的难题,还没有完全成熟的测量方法[2]。本文研究采用铝箔腐蚀的方法测量变幅杆式超声波在钢包水模内声场分布规律,为超声波在冶金中的应用提供参考。

　　1 实验

　　在理论研究和工业应用中,衡量超声系统的性能和超声处理效果,都需要对声场进行测量。常用空化测量方法有:碘释放测量法、金属薄膜腐蚀法、电化学法、晶体显色法和染色法。实验采用铝箔腐蚀法测量超声声场强度及其分布。

　　实验模型按某钢厂180t钢包实际尺寸的1/8用有机玻璃制成,水模拟钢液,声场分布测量采用铝箔腐蚀法。实验时,在水槽中注入400mm高的水,打开超声波发生器,预热后进行调谐,将其调到最佳状态。用铝箔作为记录材料,将铝箔固定在框架后直接浸入到钢包模型的水溶液中,采取纸面与辐射面垂直的竖放和纸面与钢包底面平行的横放方式以测量超声的声场分布。

　　实验时,严格保证放置铝箔的位置不变和腐蚀时间相同,从而对比分析实验结果,以得到准确的结论。实验超声波功率分别为1.265、1.375、1.562、1.760、1.870、1.980kW,腐蚀时间为2min。

　　2 结果与分析

　　2.1 铝箔竖放

　　超声波功率为1870W、作用时间为2min的腐蚀图片如图2所示。从图2可见,腐蚀点分布不均匀,这正是声场强度不均匀的体现。由于超声波变幅杆的振动形成复杂波场,在水平方向上横向传播,导致强度分布不均。图2中有3个区域腐蚀点分布较多,在左部1.9cm以内区域,斑点分布较密集,腐蚀也较明显;在离左部边缘5.6cm和9.3cm附近,也有两个较强区域,恰好对应于驻波的波腹位置。在水中频率20kHz时波长为7.5cm,这3处是1/4、3/4和5/4波长地方。相互之间相距半波长,约为3.8cm。

　　由图3不同功率的腐蚀图案可以看出,在不同功率的声场作用下,作用时间相同时,随超声波功率的增加,腐蚀逐渐增强,腐蚀点更加明显。这是由于功率的提高,超声强度相应增大,空化相对较强烈,波腹处的腐蚀斑点较密集,颜色也逐渐加深。由于空化泡崩溃时的最高温度及最大压力以及崩溃时间都和声压有关,因而增加超声的强度,即增大声压,会促进超声空化。比如在高频下,如果适当加大超声波声强,空化泡仍然可以形成,但声压存在一个上限,超过这个上限,空化泡生长过大以致于气泡在正声压下来不及崩溃,空化效果减弱[3]。此外,腐蚀点图案颜色深浅的差别减小,说明由于空化较强,引起液面扰动,驻波场在一定程度上受到破坏。可见,腐蚀图案除了可以显示声场的分布外,某种程度上还可以判断声场的强弱。腐蚀明显,说明此处声场较强。