超声波在冶金工业中的应用进展

　　所谓超声, 是相对于人耳所能感知的范围而言的, 正常人所能听到的声音频率在20～2×10⁴Hz范围内, 频率高于2×10⁴Hz或者低于20 Hz人耳都是听不到的。人们通常把频率大于20 Hz的声波称为超声波, 其频率已超出了人耳所能感知的范围, 所以人们听不见超声波。在强度较低时, 超声波可以作为探测负载信息的载体与媒介, 称为检测超声。当其强度超过一定值,则与传声媒质相互作用, 可以改变以致破坏传声媒质的状态、性质及结构, 称为高能超声或功率超声。由于超声波自身的特点, 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中。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, 并先后取得了一些研究成果, 有些已获得了工业应用。

　　1 超声波的作用机理

　　超声波具有以下四个基本特性[1]: 第一, 束射特性。超声波波长短, 可以集中成一束射线;第二, 吸收特性。超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气中的吸收最强烈, 固体中的吸收最微弱; 第三, 高功率。由于频率高,超声波的功率比声波大得多, 它不仅能使所作用的介质产生急速运动, 甚至会破坏其分子结构; 第四, 声压作用。声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用, 这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压作用。

　　超声波在提取冶金过程中应用的主要是功率超声。功率超声可以强化冶金过程的原因是:溶液中存在有溶解的一些气体, 在超声波的作用下形成所谓的空化现象, 当这些微小的气泡破裂时, 产生瞬间的高温(>5000K)高压(>5×10⁷Pa), 形成所谓的 “热点”, 对化学反应起到非常明显的加速作用, 同时高能超声形成的大量空化气泡在超过一定值的声压下发生崩溃并产生激波, 将已结晶长大的晶粒打碎,使晶粒得到细化。另一方面超声波使液体出现湍流的力学特性, 降低扩散阻力, 同时对破坏边界层, 加速传质、传热, 促进微细颗粒的弥散起到了关键作用[2]。超声振动的高能量及其它的特殊效应, 还可极大地提高振动对凝固的作用效果[3]。超声波在液体中传播时, 液体分子受到周期性交变声场的作用, 产生声空化、声流效应及力学机制, 引起熔体中流动场、压力场和温度场的变化, 从而产生一些特殊的效果。在高温操作中, 高功率超声波可用于熔体金属的迅速脱气[4]。实际上超声波对于任何中等粘度的液体的脱气几乎都适用[3]。在含水系统中脱气效果特别迅速, 它能除去溶解的任何气体, 使水溶液中的气体降到很低的水平。超声波脱气对于要求迅速和受控制的除去系统中气体的场合, 会得到很好的效果。根据上述机理, 超声波可改善熔融液在冷却凝固时的流动性, 能够提供有效的结晶体, 从而也可改善金属熔体的质量。