利用超声波在线检测液态金属洁净度的模拟研究

    钢液的洁净度不高将导致钢坯中大量夹杂物的形成，而过量的夹杂物是许多冶金缺陷形成的直接原因[1]。因此，国内外各大钢厂均采取严格的措施检查钢中各种成分及其分布，这对进一步去除钢中的夹杂物具有重要的理论意义和实践价值。目前，通常采用金相分析法、化学分析法、X 射线晶体结构分析法、X 射线微区分析法、超声波分析法等方法对钢中夹杂物的组成进行研究[2]。传统的检测方法虽然具有成本低、对检验设备要求不高、分析准确等优点，但有一个共同的缺点是需要对被检钢材进行切样检验，检测滞后于生产，无法将检测信息及时地反馈于生产现场。检测出的成分或组成不合格的钢材只能作为劣质品或废品处理，造成不可避免的经济损失。在线检测液态金属洁净度，可以克服以上弊端，为改进钢的冶炼工艺，提高钢的质量提供重要的依据。

    另一方面，在金属冶炼过程中，对液态或凝固过程中的金属施加超声波作用可以达到对金属液进行脱气、去除夹杂物、提高反应速度、促进凝固组织细化等明显的冶金效果[3-6]。但是，超声波在冶金生产的高温环境中实际应用还存在一定的困难，如何将超声波导入金属熔体成为亟需解决的重点问题[7]。若将超声波探头直接插入金属液中，会使探头受热熔化损坏而引起金属污染；而将超声波作用于液面上部时，由于超声波在空气和金属交界面上的反射造成利用效率低。近年来，作者等利用高频磁场和静磁场的叠加、高频交流电和静磁场的叠加、交变磁场的单独作用都在金属液内直接产生了电磁超声波[8-11]。研究表明，通过对金属液局部施加高频电磁力的作用，在金属液全场范围内生成电磁超声波是可能并可行的，这为超声波在冶金行业的应用提供了可能。在以往研究的基础上，作者提出了利用电磁超声波对液态金属洁净度进行在线检测的新思路。本文利用水模型模拟实验探索了利用超声波在线检测金属液中夹杂物的可行性，为电磁超声波的实际应用寻找理论依据。

    1 实 验

    钢液中的夹杂物从大的方面可分为非金属夹杂物和异性金属夹杂物，其中常见的是非金属夹杂物。实验在考察了不同性质夹杂物对超声波强度和波形影响的基础上，进一步探讨了夹杂物的粒径、浓度变化对超声波传播规律的影响。由于目前在高温液态金属中直接进行研究是极其困难的，因此实验采用水模型模拟法。条件实验均采用单因素法，对比条件改变后被考察指标的实验结果，逐个确定每个因素对超声波传播的影响。

    实验分为实验1 和实验2 两部分。实验1 研究不同性质夹杂物对超声波传播规律的影响。实验以相同孔径、丝径的铁丝网和塑料网（均为14目）的节点近似模拟大小、形状完全相同或者相似的不同夹杂物，并通过改变网的层数来改变夹杂物数量的变化。为防止溶液中气泡对实验结果的影响，实验选取去离子软化水作为实验溶液。实验 2 研究夹杂物的粒径和浓度对超声波传播的影响，考察在相同粒径不同浓度、相同浓度不同粒径的夹杂物条件下超声波的变化规律。选用齐鲁石油化工塑料厂生产的高密度聚乙烯塑料颗粒模拟夹杂物，其牌号为DGDA6098，密度为 937 kg/m3．将聚乙烯塑料颗粒分别通过16~18目、40~60目、60~80目的不锈钢筛子，分别得到粒径为1~1.25mm，0.28~0.46mm，0.18~0.28mm3种颗粒。为使颗粒在溶液中能形成悬浮溶液，本实验采用无水乙醇和去离子软化水配制成与颗粒相同密度的实验溶液。