超声波对凝固石蜡中微粒分布的影响研究.pdf

2 O I O年 1 O月 材料开发与应用 5 1 文章编号 1 0 0 3 1 5 4 5 2 0 1 0 0 5 0 0 5 1 0 5 超声波对凝 固石蜡 中微粒分布的影响研究 金焱 毕学工 孥云飞 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 研究了超声波的凝聚作用和空化作用 对石蜡中的微粒进行了超声处理实验 观察和分析超声处理后 的石蜡 中微粒的分布状况 实验 主要探讨 了石蜡 中微粒 的凝聚与超声处理时 间和超声波功率之间的关 系 观 察对比不同功率和不同超声处理时间下石蜡中微粒的凝聚趋势 并对石蜡样本进行数码照相和金相显微分 析 测出颗粒团块大小 以实验数据得出超声处理石蜡微粒凝团效果最好时所对应的超声波功率大小 关键词 超声波 石蜡 凝聚 空化作用 中图分类号 T Q 3 5 1 文献标识码 A 近年来 利用超声波处理悬浮液 以去除或分 离金属液中的微粒 气泡或液滴的新方法越来越 被人们所重视 引 其主要包括 两方 面的 内容 一 是 研 究 在 高 温 金 属 液 中产 生 超 声 波 的方 法 二是利用超声 波去除金属液中非金属夹 杂物过程的理论分析 数值计算和实验研究 其中 利用超声驻波场凝聚金属中夹杂物是一个 重要方 向 在超声波驻波场下 只要悬浮液中液 体和微粒的声比因数不为零 微粒就会在声辐射 力的作用下 向声压节或声压腹运动 J 在此过 程中 微粒碰撞凝 聚 最终 达到凝聚平衡状 态 含有非金属夹杂物的金属液可以视为悬浮液 在 一 定频率超声波的作用下 夹杂物同样会发生凝 聚效应 但要形成超声驻波场 不能输入较大功 率的超声波 这样应用在大型冶金设备 上 凝 聚 夹杂物就受到一定的限制 目前 将超声波应用 于冶金过程是研究热点之一 但关于功率超 声波对颗粒凝聚效应的影响则较少涉及 因此 本文就超声波产生的空化气泡对石蜡 液中颗粒的凝聚特性来展开研究 观察分析功率 达到空化阈以上时超声波对石蜡液 中微粒分布 的影响及空化气泡和颗粒的相互作用 1 实验 1 1 实验 材料 及设 备 实验中所用石蜡是普通医用切片石蜡 颗粒 是有机玻璃颗粒 粒度在 0 6 3 mm以下 主要 的实验设 备有 F S 2 5 0型超声波仪 最 大 扫 率 1 5 0 w 频率 2 0 k H z 电子秤 温度计等 石蜡试样 由O L Y M P U S B X 5 1 型金相显微镜观察 宏观分布用数码相机拍摄 1 2 实验过程 首先在 7 5 的恒 温水浴 中将有机玻璃容器 内的石蜡液熔 清 然后加入 颗粒 直径 0 6 3 ra m 经着色后的有机玻璃粒子 并充分搅拌均匀 先 不施加超声波 石蜡凝固后制得颗粒物分布状态 的对 比样 然后 用 变 幅杆 施 加 3 0 W 3 7 5 W 4 5 W 和 5 2 5 W 的超声波 处理时间分别为 5 rai n 和 ll O rai n 石蜡凝 固后 用数码相机拍摄石蜡样 中颗粒 的宏观分布 用金相显微镜 观察 已凝聚的 颗粒团的凝聚状态 2 实验结果及讨论 2 1 石蜡样数码相片的分析 图 1为超声处理石蜡样本 中颗粒凝 团分散 情况 从石蜡样本可以看到 没有经超声波处理 的 石蜡液 中的有机玻璃粒子 在凝 固过程中 自然分 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 2 作者简介 金焱 1 9 7 2年生 男 湖北武汉人 博士 副教授 主要从 事铁水预处理和连铸新工艺研究 E m a i l j i n y a n 2 0 3 5 5 8 y a h o o t o m c no 5 2 卡 才 料开发 与应用 2 0 1 0年 l O月 散 颗粒与颗粒问无凝 团现象 分布均匀 l 1 百 蜡液进行超声波处理后 有机玻璃颗粒有明显的 凝团现象 当超声波的功率为 3 0 W 时 颗粒 与 颗粒间互相靠拢 逐渐成 团 当功 率进一步增 大 达到 3 7 5 W 时 团块 的大小变大 凝团趋势 增强 随着功率的进一步增大 达到 4 5 W 时 可 以在实验中看到有少量空化气泡的产生 由于超 a 超声功 率 O W c 超 声 功 率 3 7 5 W 声波的空化作用影响 凝 团的团块部分被打散 使得团块的大小有减小的趋势 有机玻璃颗粒附 着在空化气泡上 进行凝 团 超声波的功率进一 步增 大到 5 2 5 W 时 石蜡样 中出现大量空化气 泡 气泡较之前变大 团块进一步被打散 团块大 小减 小 团块 大 小 随功 率 的 变化 趋 势如 图 2 所示 b 超 声功率 3 0 w d 超 声 功率 4 5 W e 超 声功 率 5 2 5 W 图 1 超声处理石蜡样本中颗粒 的凝团趋势 处理 时间为 5 ra i n 2 2 金相显微形貌分析 金相显微形貌如图 2所示 可以看到 颗粒 聚集在一起 颗粒凝 团的走 向清晰可见 随超声 波处理时间与功率的变化 团块的大小和颗粒凝 团的走向发生了变化 具体现象如图 3所示 从图可 以看到 颗粒团块随功率 的变化 刚 开始无明显团块 出现 功率增大后 颗粒开始聚 集 形成小团块 但团块的凝结程度不紧密 颗粒 团块不致密 功率继续增大 颗粒团块凝结为一 体 团块与团块之 间出现连接桥 小 团块与小团 块结 合 形成更大 的团块 团块 的致密度增 加 随着功率 的进一 步增加 由于超 声波 的空化作 用 溶液搅动加快 振动剧烈 大团块逐渐被打散 成为小团块 团块面积减小 团块 与团块间 的连 接桥消失 成为各 自独立的小颗粒团块 第2 5卷第 5期 金畿等 超声波对凝固石蜡中微粒分布的影响研究 5 3 a 超声功率 0 w c 超声功率 3 7 5 W b 超声功率 3 0 W d 超声功率 4 5 W e 超声功率 5 2 5 W 图2 石蜡中微粒的凝聚趋势 2 3 团块粒径随功率与时间的变化 石蜡样本 中的颗粒团块实验数据列于表 1 表 1 颗粒团的平均最大直径和平均直径 随超声波处理时间与功率的变化 由图 3和图 4可以看 出 颗粒 团块的粒径大 小随功率的变化存在一峰值 即颗粒凝聚的最适 宕 i 瞄 回 巢 图3 颗粒团块的平均最大直径随超声波 处理时间与功率 的变化 曲线 合功率 在本试验条件下对应 的功率 为 3 7 5 W 在此功率之下 超声波带来的同向凝聚效应是大 于空化效应 在此功率之上 是空 化效应大于 同 向凝聚效应 所以 要使 液相 中颗粒凝 聚 使超 5 4 材料开发与应用 2 0 1 0年 l 0月 声波功率超过空化阈值 也可以实现颗粒凝聚 吕 i 遛 嚣 耷 匠 罐 超声波功率 w 图4 颗粒团块的平均直径随超声波 处理时间与功率的变化曲线 3 结论 1 超声处理下石蜡液中的有机玻璃粒子 的凝聚情况与超声波 的功率大小和处理时间的 长短有直接的关系 2 超声波处理液体石蜡中的微粒 颗粒的 凝聚随功率的增加存在一个峰值 即峰值前颗粒 凝 团的大小随功率 的增大而增大 峰值后颗粒凝 团的大小随功率的增大而减小 颗粒凝聚峰值 所对应的功率为 3 7 5 W 3 超声波处理液体石蜡中的微粒 颗粒凝 结后团块的大小随时间的推移逐渐变大 团块大 小与时间成正 比关系 4 超声波空化作用阻碍颗粒团块的进一步 长大 参考文献 1 T a k e u e h i M Y a ma n o u c h i K U l t r a s o n i c m i c r o ma n i p u l a t i o n o f s m a l l p a r t i c l e s i n l i q u i d J J A p p l P h y 1 9 9 4 3 3 5 8 3 0 4 5 3 0 4 7 2 K o b a y a s h i M K a ma t a C I t o k C o l d m o l d e x p e ri me n t s o f r e mo v a l f r o m mo l t e n me t al b y a n I r r a d i a t i o n o f u l t r a s o n i c w a v e 5 J I I J I n t e r n a ti o n a l 1 9 9 7 3 7 1 9 1 5 3 1 w a i K A s a i S Wa n g Q i a n g e t a 1 G e n e r a t i o n o f c o mp r e s s i o n w a v e s i n a l i q u i d me t a l u s i n g a n e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d J C A MP I S U 1 9 9 9 1 2 4 5 4 T a k i T H a t a n a k a S K u w a h a m M e t a 1 T h e o r e t i c a l a n aly s i s a n d e x p e r i me n t o n u l t r a s o n i c S e p a r a t i o n o f d i s p e r s e d p a r t i c l e s i n l i q u i d J C A MP I S I J 1 9 9 9 1 2 1 2 4 5 T a k i T H a t a n a k a S K u w a h a r a M e t a 1 S e p a r a t i o n o f s u s p e n e d p a rt i c l e s i n l i q u i d w i t h i n c i d e n c e o f h o r i z o n t al p l a n e w a v e o f u h r a s o u n d J C A MP I S I J 1 9 9 9 1 9 7 2 0 6 Y o s i o k a K K a w a s l m a Y A c o u s t i c r a d i a t i o n p r e s s u r e o n a c o mp r e s s i b l e s p h e r e J A e u s t i c a 1 9 5 5 5 1 6 7 1 7 3 7 Ma t s u n o H K i k u c h i S h a p e c o n t r o l o f i n c l u s i o n s i n h i g h N i c k e l c o n t e n t s t e e l J I S I J I n t e r n a t i o n al 1 9 9 5 3 5 1 1 1 3 6 8 1 3 7 3 8 刘中柱 蔡开科 纯净钢生产技术 J 钢铁 2 0 0 0 3 5 2 6 4 7 O 9 G a g n e M T h i b a u h E C o n t r o l o f i n c l u s i o n c h a r a c t e r i s t i c i n d i r e c t c a s t i n g s t e e l b i l l e t s J C a n a d a M e t al Q u a r t e r l y 1 9 9 9 3 8 5 3 1 1 3 2 1 1 O 白晓清 超声波作用下液体中夹杂物迁移行为 D 沈 阳 东北大学 博士学位 论文 2 0 0 2 1 4 2 7 1 1 冯若 声化学及其应用 M 合肥 安徽科技出版 社 1 9 9 0 2 2 2 5 1 2 林仲茂 应用声学 J 声学发展概况 1 9 9 3 2 1 1 1 3 E s bn G I U l t r as o n i c t r e a t m e n t o f me l t s i n s h a p e c a s t i n g and c o n t i n u o u s c a s t i n g o f fi g h t a l l o y s J Ma s h i n o s t r o e n i e Mo s c o w 1 97 5 3 0 2 3 2 1 1 4 A b r a mo v O V U l aso u n d i n l i q u i d a n d s o l i d m e t a l s J A p p l i e d M e c h a n i c s R e v i e w s 1 9 9 5 4 8 5 3 5 1 5 李英龙 李宝绵 刘永涛 等 功率超声对 A J s i 合 金组织和性能的影响 J 中国有色金属学报 1 9 9 9 9 4 7 1 9 7 2 3 1 6 陈振伟 超声波发生器的研究 M 杭州 浙江大 学电气工程学 院硕士论文 2 0 0 7 3 2 3 5 1 7 S h i n i c h i H a t a n a k a M a m o r u K u w a b a b a S h i g e o As a i De s i g n o f u l t r aso n i c f i e l d i n l i q t 1 i d me t a l p r o c e s s i n g J T e s t u t o H a g a n e 9 o o 0 9 5 5 6 2 1 8 K o b a y a s h i M K a m a t a C I t o K C o l d mo l d e x p e fi me n t s o f r e mo v a l f r o m mo l t e n me t a l b y a l l i r r a d i a t i o n o f u l t r a s o n i c w a v e s J I S I J I n t e r n a t i o n a l 1 9 9 7 3 7 1 9一l 5 1 9 赵惠 田译 超声波在冶金工业中的应用 M 上 海 上海科学技术出版社 1 9 6 1 5 5 5 8 2 O B i r a t J P L a m a n t J 1 h e c o n t i n u o u s c a s ti n g m o l d a b a s i c t o o l f o r s u r f a c e q u a l i t y a n d s tr a n d p r o d u c t i v i ty J J M o l d O p e r a t i o n f o r Q u a U ty P r o d u c ti vi ty 1 9 9 1 3 1 4 下转第 5 9页 第 2 5卷第 5期 鲁立三等 拓扑互锁复合材料在 过水面 防护 中的试验研究 5 9 3 4 f o r c e m e n t b y i n t e r l o c k e d e l e m e n t J C o m p o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 2 0 0 3 6 3 4 8 3 4 9 1 G i l r o y D Go f fi E D Mo d u l a r i n t e r l o c k i n g b r i c k s y s t e n i n w i d e u s e a t B HP AI S E S t e e l T e c h n o l o g y J a n ua r y 20 01 E s t r i n Y Dy s k i n A V K a n e l B e l o v A J e t a 1 Ma t e r i a l s w i t h h o v e l a r c h i t e c t o n i c s a s s e mb l i e s o f i n t e r l o c k e d e l e m e n t s C I n B K a r i h a l o o E d I U T AM S y mp o s i u m o n A n a l y t i c a l a n d C o mp u t a t i o n al F r a c t u r e Me c ha ni c s o f No n ho mo g e n e o u s Ma t e r i a l s K l u we r A c a d e mi c P r e s s D o r d r e c h t 2 0 o 2 5 1 5 6 Ex pe r i me n t a l S t ud y o n t he Pr o t e c t i o n o f Fl o w S ur f a c e Us i ng To po l o g i c a l I nt e r l o c k i ng Co mpo s i t e M a t e r i a l L U L i s a n Y A N G Y o n g H A o B o fi n B l S h e n g Y e H o w R i v e r I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c R e s e a r c lh Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 C Mn a Ab s t r a c t T h e t o p o l o g i c a l i n t e r l o c k i n g F RP c o mp o s i t e ma t e rial wa s d e s i g n e d b a s e d o n t o p o l o g i c al i n t e r l o c k e d p ri n c i p l e I n o r d e r t o v e ri f y t h e a n t i e r o s i o n p e rf o r ma n c e an d t h e i n t e g r i t y 0 f t h e ma t e rial a b r u s h i n g t e s t w i t h 1 0 m s v e l o c i t y Was a p p l i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t o p o l o g i c al i n t e r l o c k i n g F RP c o mp o s i t e ma t e ri a l h a s g o o d a n t i e r o s i o n p e r f o rm anc e a n d t h e i n t e g r i t y T h e a d v a n t a g e o f t h e t o p o l o g i c a l i n t e rlo c k i n g F RP c o mp o s i t e ma t e ri a l i s t h a t t h e y c a ll b e d i s a s s e mb l e d an d r e u s ed Ke y wo r d s T o p o l o g i c a l i n t e rl o c k i n g C o mp o s i t e ma t e r i al Wa r p i n g d am 编辑 房威 上接第 5 4页 2 1 K u z n e t s o v B G 带超声波震动内壁的结晶器的应 用 C 中国金属学会连铸学会 第一届欧洲连铸 会议论文集 佛罗伦萨 意大利金属学会 1 9 9 1 3 1 4 2 2 E s k i n G I P i m e n o v Y u P Ma k a r o v G E ff e c t o f c a v i t a t i o n me l t t r e a t me n t o n t h e s t r u c t u r e r e fi n e me n t an d p r o p e r t y i mp r o v e me n t i n c a s t a n d d e f o r me d h y p e r e u t e e J Ma t e r i al s S c i e n c e F o r u m 1 9 9 7 6 5 6 9 Th e S t u d y o f t h e Ul t r a s o n i c El f e c t o n Di s t r i b u t i o n o f P a r t i c l e s i n S o l i d i fl e d Pa r a ffi n J I N Y a h BI Xu e g o n g L I Y 帆 i K e y L a b o r a t o r y f o r F e r r o u s Me t a l l u r g y a n d R e s o u ree s U t i l i z a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n Wu h an U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o gy Wu h a n 4 3 0 0 8 1 C h i n a Abs t r a c t Ul t r aso n i c c o h e s i o n an d c a v i t a t i o n a r e d i s c us s e d Th e ul t r aso ni c t r e a t me n t e x pe r i me n t o f p a r t i c l e s i n pa r a fi q n wa s e a r r i e d o u t a n d t h e d i s t ri b u t i o n s i t u a t i o