D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.09.016 第31卷第9期 北京科技大学学报 Vol.31 No.9 2009年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2009 超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 李杰12) 陈伟庆)王晓峰) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)安微工业大学治金与资源学院，马鞍山243002 摘要研究了超声波功率对加稀土高碳钢中夹杂物的作用·结果表明：超声处理可以明显弥散，细化和去除加稀土高碳钢 中的夹杂物：随着超声波功率的增加，钢中总氧含量明显降低，夹杂物的平均直径明显减小，夹杂物得到一定程度的去除，但 是夹杂物的当量个数明显增多.超声波功率100W时，高碳钢中总氧的质量分数为59×10一8，钢中夹杂物的当量个数1为 134mm-2,平均直径d为2.91m,小于2.31m的夹杂物占夹杂物总量的43%以上： 关键词高碳钢：超声波；夹杂物：稀土；超声空化 分类号TF111.18 Effect of ultrasonic power on inclusions in high carbon steel LI Jie2),CHEN Wei-qing),WANG Xiao feng) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Resources.Anhui University of Technology.Ma'anshan 243002.China ABSTRACI The effect of ultrasonic power on inclusions of high carbon steel with rare earth was investigated.The results show that ultrasonic treatment in molten high carbon steel with rare earth could can disperse,refine and remove the inclusions.With the in- crease of ultrasonic power.the total oxygen content of high carbon steel and the average diameter of inclusions decreases evidently. the inclusions of high carbon steel will be removed in a certain degree,but the number of inclusions increases significantly.The mass fraction of total oxygen content in high carbon steel.the equivalent number I and the average diameter d of inclusions in ingots are 59X10.134 mm2,and 2.91Pm respectively when the ultrasonic power is 100 W.At the same time.the number of inclusions less than 2.31/m is more than 43%of the total. KEY WORDS high carbon steel;ultrasonic wave:inclusions:rare earth:ultrasonic cavitation 超声波具有独特的声学效应，在金属的凝固过 声波作用下钢中夹杂物的有效利用提供支持， 程中引入超声波可以使金属的凝固组织由粗大的树 枝晶转变为均匀细小的等轴晶，同时金属的宏观和 1实验条件及方法 微观偏析得到改善[].在进行超声波处理金属熔 1.1实验材料及设备 体细化其凝固组织研究的同时，很少有人注意到超 实验所用的材料是WRH82B盘条，其化学成分 声波对金属熔体中夹杂物的作用以及超声波作用下 (质量分数)为：0c=0.8%,0si=0.21%,0Mn= 金属液中细小、弥散分布的微小夹杂物对改善金属 0.71%,20p=0.0085%,20s=0.011%,0c= 质量所起的作用[. 0.22%,0v=0.02%,01=0.014%.所加的稀土 本文利用超声波的空化效应，研究超声波功率 为纯稀土Ce, 的变化对加稀土的高碳钢液中夹杂物的作用，探讨 超声波处理系统主要包括超声波发生器（最大 超声波作用于高碳钢液中夹杂物的机理，以期为超 功率300W),换能器（频率20kh),钛合金变幅杆 收稿日期：2008-09-13 基金项目：国家自然科学基金与钢铁研究联合基金资助课题(N。·50474090) 作者简介：李杰(1975一)，男，副教授，博士，E-mail :yejinli时e@163.com:陈伟庆(1951一)男，教授，博士
超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 李 杰12） 陈伟庆1） 王晓峰1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 安徽工业大学冶金与资源学院马鞍山243002 摘 要 研究了超声波功率对加稀土高碳钢中夹杂物的作用．结果表明：超声处理可以明显弥散、细化和去除加稀土高碳钢 中的夹杂物；随着超声波功率的增加钢中总氧含量明显降低夹杂物的平均直径明显减小夹杂物得到一定程度的去除但 是夹杂物的当量个数明显增多．超声波功率100W 时高碳钢中总氧的质量分数为59×10－6钢中夹杂物的当量个数 I 为 134mm －2平均直径 d 为2∙91μm小于2∙31μm 的夹杂物占夹杂物总量的43％以上． 关键词 高碳钢；超声波；夹杂物；稀土；超声空化 分类号 TF111∙18 Effect of ultrasonic power on inclusions in high carbon steel LI Jie 12）CHEN We-i qing 1）W A NG Xiao-feng 1） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Metallurgical and ResourcesAnhui University of TechnologyMa′anshan243002China ABSTRACT T he effect of ultrasonic power on inclusions of high carbon steel with rare earth was investigated．T he results show that ultrasonic treatment in molten high carbon steel with rare earth could can disperserefine and remove the inclusions．With the increase of ultrasonic powerthe total oxygen content of high carbon steel and the average diameter of inclusions decreases evidently the inclusions of high carbon steel will be removed in a certain degreebut the number of inclusions increases significantly．T he mass fraction of total oxygen content in high carbon steelthe equivalent number I and the average diameter d of inclusions in ingots are 59×106134mm －2and2∙91μm respectively when the ultrasonic power is100W．At the same timethe number of inclusions less than2∙31μm is more than43％ of the total． KEY WORDS high carbon steel；ultrasonic wave；inclusions；rare earth；ultrasonic cavitation 收稿日期：2008-09-13 基金项目：国家自然科学基金与钢铁研究联合基金资助课题（No．50474090） 作者简介：李 杰（1975－）男副教授博士E-mail：yejinlijie＠163．com；陈伟庆（1951－）男教授博士 超声波具有独特的声学效应在金属的凝固过 程中引入超声波可以使金属的凝固组织由粗大的树 枝晶转变为均匀细小的等轴晶同时金属的宏观和 微观偏析得到改善［1－6］．在进行超声波处理金属熔 体细化其凝固组织研究的同时很少有人注意到超 声波对金属熔体中夹杂物的作用以及超声波作用下 金属液中细小、弥散分布的微小夹杂物对改善金属 质量所起的作用［7－9］． 本文利用超声波的空化效应研究超声波功率 的变化对加稀土的高碳钢液中夹杂物的作用探讨 超声波作用于高碳钢液中夹杂物的机理以期为超 声波作用下钢中夹杂物的有效利用提供支持． 1 实验条件及方法 1∙1 实验材料及设备 实验所用的材料是 WRH82B 盘条其化学成分 （质量分数）为：wC ＝0∙8％wSi＝0∙21％w Mn＝ 0∙71％wP ＝0∙0085％wS ＝0∙011％wCr ＝ 0∙22％w V＝0∙02％w Al＝0∙014％．所加的稀土 为纯稀土 Ce． 超声波处理系统主要包括超声波发生器（最大 功率300W）换能器（频率20kHz）钛合金变幅杆 第31卷 第9期 2009年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．9 Sep．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．09．016
第9期 李杰等：超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 ,1113, 和Mo一Al203ZrO2金属陶瓷管工具头[1o1, 碳钢中的总氧量反而有所增加， 1.2实验方法 120 实验在高温碳管炉上进行，用52mm×112mm 刚玉坩埚熔化钢样500g,实验温度为1570℃，实验 % 过程中通氩气保护. 超声波处理工艺采用上部导入法，Mo一Al2O3一 +0I/O]L 80 Zr02金属陶瓷管工具头浸入钢液面以下10mm进 0以 20 行施振，实验内容为：钢样完全熔化后加入0.5g纯 稀土Ce,保温3min,进行超声处理，处理时间为 0 30 60 100 130 超声功率W 60s,超声处理结束后将钢液浇铸到钢锭模中空冷 超声波功率水平分别为0,30,60,100,130W. 图1不同超声波功率处理的高碳钢中总氧的质量分数 1.3夹杂物的分析、统计方法 Fig.1 Total oxygen content of high carbon steel with different ul- 将浇注钢样切取小块做成金相试样，试样经过 trasonic powers 砂轮机粗磨、金相砂纸细磨和抛光后在金相显微镜 下进行夹杂物的观察与统计， 2.2高碳钢中夹杂物数量和尺寸大小的变化 试样中单位面积上当量直径B的夹杂物个数 不同功率超声波处理60s所浇铸高碳钢中夹杂 I、平均直径d分别由下式计算： 物的当量个数I和平均直径d的变化如图2所示 未经超声波处理时，钢中夹杂物当量个数【较少， I= 2 nidi/B (1) 但平均直径d较大，分别为77mm-2、4.39m.超 4DN 声处理可以明显弥散、细化钢中的夹杂物，随超声波 功率的增加，单位面积上当量直径5m的夹杂物数 d= nid (2) 量I逐渐增多，夹杂物平均直径d逐渐减小；当超 ☑ni 声波功率增大到一定程度时，夹杂物的平均直径d 式中，B为夹杂物当量直径，取5m;I为单位面积 不再明显减小.超声波功率为30W时，夹杂物的当 上当量直径B的夹杂物个数，mm2;d:为不同显微 量个数I为86mm-2、平均直径d为4.163hm,夹 夹杂物的直径，m;n:为不同直径显微夹杂物的个 杂物相对比较粗大；超声波功率增大到60W时，夹 数；D为选定放大倍数下的视场直径，mm;N为所 杂物得到明显的弥散、细化；进一度增大超声波功率 观察的视场数，实验过程中取100个；d为夹杂物的 到100W,夹杂物的当量个数I为134mm-2、平均 平均直径，m 直径d为2.91m,钢中夹杂物的当量个数明显增 2实验结果及分析 多，平均直径明显减小，夹杂物变得相对比较细小， 不同功率超声波处理60s所浇铸高碳钢中典型夹杂 2.1钢中总氧量的变化 物的金相照片如图3所示，能谱分析见表1. 钢中总氧是用来衡量钢液洁净度的重要指标， 即用来衡量钢中夹杂物水平的重要指标.钢中的总 4.5 140 氧越低，则钢越“干净”·不同超声功率作用下加稀 4.0 土的高碳钢中总氧含量的变化如图1所示，由图可 以看出：随超声波功率的提高，高碳钢中的总氧量明 一O一夹杂物的当量个数 一●一夹杂物的平均直径 ● 显降低，即超声处理可以明显促进钢中夹杂物的去 3.0 除；超声波功率增大到一定程度，钢中总氧量不再明 显降低反而有增加的趋势，未超声处理的加稀土高 2.5 60 90 120 碳钢总氧的质量分数为110×10-6；增大超声波功 功率/W 率到60W时，高碳钢中总氧量降低到82×10-6，进 图2不同超声功率时高碳钢中夹杂物的数量和尺寸 一步增大超声波功率到100W时高碳钢中总氧量降 Fig.2 Number and size of inclusions in high carbon steel with dif- 低到最低的59×10-6，当超声波功率为130W时高 ferent ultrasonic powers
和 Mo－Al2O3－ZrO2 金属陶瓷管工具头［10］． 1∙2 实验方法 实验在高温碳管炉上进行用●52mm×112mm 刚玉坩埚熔化钢样500g实验温度为1570℃实验 过程中通氩气保护． 超声波处理工艺采用上部导入法Mo－Al2O3－ ZrO2 金属陶瓷管工具头浸入钢液面以下10mm 进 行施振．实验内容为：钢样完全熔化后加入0∙5g 纯 稀土 Ce保温3min进行超声处理处理时间为 60s超声处理结束后将钢液浇铸到钢锭模中空冷． 超声波功率水平分别为03060100130W． 1∙3 夹杂物的分析、统计方法 将浇注钢样切取小块做成金相试样试样经过 砂轮机粗磨、金相砂纸细磨和抛光后在金相显微镜 下进行夹杂物的观察与统计． 试样中单位面积上当量直径 B 的夹杂物个数 I、平均直径 d 分别由下式计算： I＝ ∑nidi／B π 4 D′2N （1） d＝ ∑nidi ∑ni （2） 式中B 为夹杂物当量直径取5μm；I 为单位面积 上当量直径 B 的夹杂物个数mm －2 ；di 为不同显微 夹杂物的直径μm；ni 为不同直径显微夹杂物的个 数；D′为选定放大倍数下的视场直径mm；N 为所 观察的视场数实验过程中取100个；d 为夹杂物的 平均直径μm． 2 实验结果及分析 2∙1 钢中总氧量的变化 钢中总氧是用来衡量钢液洁净度的重要指标 即用来衡量钢中夹杂物水平的重要指标．钢中的总 氧越低则钢越“干净”．不同超声功率作用下加稀 土的高碳钢中总氧含量的变化如图1所示．由图可 以看出：随超声波功率的提高高碳钢中的总氧量明 显降低即超声处理可以明显促进钢中夹杂物的去 除；超声波功率增大到一定程度钢中总氧量不再明 显降低反而有增加的趋势．未超声处理的加稀土高 碳钢总氧的质量分数为110×10－6 ；增大超声波功 率到60W 时高碳钢中总氧量降低到82×10－6进 一步增大超声波功率到100W 时高碳钢中总氧量降 低到最低的59×10－6当超声波功率为130W 时高 碳钢中的总氧量反而有所增加． 图1 不同超声波功率处理的高碳钢中总氧的质量分数 Fig．1 Total oxygen content of high carbon steel with different ultrasonic powers 2∙2 高碳钢中夹杂物数量和尺寸大小的变化 不同功率超声波处理60s 所浇铸高碳钢中夹杂 物的当量个数 I 和平均直径 d 的变化如图2所示． 未经超声波处理时钢中夹杂物当量个数 I 较少 但平均直径 d 较大分别为77mm －2、4∙39μm．超 声处理可以明显弥散、细化钢中的夹杂物随超声波 功率的增加单位面积上当量直径5μm 的夹杂物数 量 I 逐渐增多夹杂物平均直径 d 逐渐减小；当超 声波功率增大到一定程度时夹杂物的平均直径 d 不再明显减小．超声波功率为30W 时夹杂物的当 量个数 I 为86mm －2、平均直径 d 为4∙163μm夹 杂物相对比较粗大；超声波功率增大到60W 时夹 杂物得到明显的弥散、细化；进一度增大超声波功率 到100W夹杂物的当量个数 I 为134mm －2、平均 直径 d 为2∙91μm钢中夹杂物的当量个数明显增 多平均直径明显减小夹杂物变得相对比较细小． 不同功率超声波处理60s 所浇铸高碳钢中典型夹杂 物的金相照片如图3所示能谱分析见表1． 图2 不同超声功率时高碳钢中夹杂物的数量和尺寸 Fig．2 Number and size of inclusions in high carbon steel with different ultrasonic powers 第9期 李 杰等： 超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 ·1113·
.1114 北京科技大学学报 第31卷 (a) 6 (d) (e) 图3典型夹杂物的金相照片：(a)0W;(b)30W;(c)60W:(d)100W:(e)130W Fig-3 Metallographs of typical inclusions:(a)0W:(b)30W:(c)60 W:(d)100 W:(e)130W 表1典型夹杂物的相应能谱分析 Table 1 EDS analysis of typical inclusions 序号 能谱分析成分 夹杂物类型 图3(a)—1 A110.08:Ti2.18;Ce68.14:fe2.71;016.26 A203一Ti02Ce203 图3(b)厂1 Al4.05:Si1.30:Mn13.43;Ce49.40:fe8.60:010.62:s12.60 Al203Si02-MnS℃e202S 图3(b)广2 Mn52.74:fe17.09;S30.17 MnS 图3(c一 A16.01:Si3.61:Ce68.02;Fe6.35:014.85:s1.16 Al203 Si02 Ce20s Ce202S 图3(d)-1 Al5.96:Si5.54:Mn3.56;Ce11.15;fe63.32;010.47 Al203 SiOz MnO Ce203 图3(e)-1 Ce80.11:06.59:s8.54;fe4.76 Ce202S 2.3高碳钢中夹杂物的分布 较大夹杂物.超声功率增大到60,100W时，钢中 表2是不同功率超声处理的高碳钢中夹杂物的 78%以上的夹杂物直径在5.39m以下，尺寸较大 直径D(D为夹杂物的实际直径，m)分布统计结 的夹杂物较少；用100W的超声波处理的高碳钢中 果.由表2可见：超声功率水平较低时(0,30W), 直径8.47m的夹杂物，由上述分析结果也可以看出： 了45%以上；钢中还有10%以上直径>8.47m的 超声处理可以明显弥散、细化钢中的夹杂物 表2不同超声功率条件下高碳钢中夹杂物直径大小分布 Table 2 Diameter size distribution of inclusions in high carbon steel with different ultrasonic powers % 直径，D/m 功率/W D≤2.31 2.318.47 0 19.13 7.83 13.91 45.22 13.91 30 25.21 0.00 18.49 46.22 10.08 60 30.23 20.16 43.41 1.55 4.65 100 43.08 17.69 17.69 21.54 0.00 130 37.84 20.27 13.51 17.57 10.81
图3 典型夹杂物的金相照片：（a）0W；（b）30W；（c）60W；（d）100W；（e）130W Fig．3 Metallographs of typical inclusions：（a）0W；（b）30W；（c）60W；（d）100W；（e）130W 表1 典型夹杂物的相应能谱分析 Table1 EDS analysis of typical inclusions 序号 能谱分析成分 夹杂物类型 图3（a）－1 Al10∙08；Ti2∙18；Ce68∙14；Fe2∙71；O16∙26 Al2O3－TiO2－Ce2O3 图3（b）－1 Al4∙05；Si1∙30；Mn13∙43；Ce49∙40；Fe8∙60；O10∙62；S 12∙60 Al2O3－SiO2－MnS－Ce2O2S 图3（b）－2 Mn52∙74；Fe17∙09；S 30∙17 MnS 图3（c）－1 Al6∙01；Si3∙61；Ce68∙02；Fe6∙35；O14∙85；S 1∙16 Al2O3－SiO2－Ce2O3－Ce2O2S 图3（d）－1 Al5∙96；Si5∙54；Mn3∙56；Ce11∙15；Fe63∙32；O10∙47 Al2O3－SiO2－MnO－Ce2O3 图3（e）－1 Ce80∙11；O6∙59；S 8∙54；Fe4∙76 Ce2O2S 2∙3 高碳钢中夹杂物的分布 表2是不同功率超声处理的高碳钢中夹杂物的 直径 D（ D 为夹杂物的实际直径μm）分布统计结 果．由表2可见：超声功率水平较低时（030W） 高碳钢中的夹杂物多分布于5∙39～8∙47μm达到 了45％以上；钢中还有10％以上直径＞8∙47μm 的 较大夹杂物．超声功率增大到60100W 时钢中 78％以上的夹杂物直径在5∙39μm 以下尺寸较大 的夹杂物较少；用100W 的超声波处理的高碳钢中 直径 ＜2∙31μm 的夹杂物占 43∙08％没有发现 ＞8∙47μm的夹杂物．由上述分析结果也可以看出： 超声处理可以明显弥散、细化钢中的夹杂物． 表2 不同超声功率条件下高碳钢中夹杂物直径大小分布 Table2 Diameter size distribution of inclusions in high carbon steel with different ultrasonic powers ％ 功率／W 直径D／μm D≤2∙31 2∙31＜ D≤3∙08 3∙08＜ D≤5∙39 5∙39＜ D≤8∙47 D＞8∙47 0 19∙13 7∙83 13∙91 45∙22 13∙91 30 25∙21 0∙00 18∙49 46∙22 10∙08 60 30∙23 20∙16 43∙41 1∙55 4∙65 100 43∙08 17∙69 17∙69 21∙54 0∙00 130 37∙84 20∙27 13∙51 17∙57 10∙81 ·1114· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第9期 李杰等：超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 ,1115, 出钢液；同时超声波在钢液中产生的声流效应，在一 3超声波作用于高碳钢中夹杂物的机理 定程度上也促进了钢液中夹杂物的上浮，达到去除 高碳钢液中加入稀土铈，铈与钢中的氧、硫结合 钢中夹杂物的目的，表现为钢中总氧量降低 形成稀土氧化物、稀土硫化物以及稀土氧硫化物，这 但是，超声波功率增大到一定程度，超声空化在 些高熔点的稀土夹杂物和未被稀土铈完全“变性”的 高碳钢液中产生明显的热效应，热效应产生的热量 A1203可以在钢液凝固前析出而以固体颗粒形式存 被钢液吸收，导致钢液吸收气体的能力增强。气体 在于高碳钢液中，这些固体颗粒存在于钢液中且与 在钢液中的溶解度越高，进入空化泡内的气体量也 钢液形成固一液接触界面，当超声波引入高碳钢液 越多，其“缓冲”作用则越大，“缓冲”效应增大致使空 时，固液接触面受到超声波辐射时，在固体夹杂物 化强度减弱2].钢液中产生空化气泡的数量将随 颗粒的表面就会产生瞬时空洞山]（如图4所示）· 超声波功率的增强而减少，上浮溢出钢液面的气泡 数量也相应减少，导致钢中夹杂物的去除量降低，表 气体 气体 现为钢中总氧含量的升高 4结论 (1)随超声波功率的提高，高碳钢中的总氧量 图4夹杂物表面的空化气泡 明显降低，超声波功率增大到一定程度，钢中总氧量 Fig.4 Cavitation bubble of the inclusion surface 不再明显降低反而有所增加，超声波功率为0W 在固体夹杂物表面附近形成空洞时，空化气泡 时，钢中总氧的质量分数为110×10-5；超声波功率 的破裂方式将会发生改变，破裂后不再是球形，而会 为100W时，钢中总氧的质量分数为59×10-6 发生变形作用，此变形体朝着固体夹杂物表面产生 (2)超声处理可以明显弥散、细化高碳钢中的 高速钢液微射流喷射；空化泡破裂产生的强烈冲击 夹杂物，随着超声波功率的增加，高碳钢中的夹杂 波也会冲击固体夹杂物表面；超声空化产生的瞬时 物平均直径明显减小，夹杂物的当量个数明显增多 局部高温也会对夹杂物颗粒的表面造成熔蚀；超声 超声波功率为30W,夹杂物的当量个数I为 空化产生的声流效应会清洗固体夹杂物颗粒的表 86mm2,平均直径d为4.163m,钢中夹杂物多 面·这四种作用方式对钢中固体夹杂物颗粒表面产 数分布于5.39~8.47m;超声波功率为100W,夹 生显著的影响：(1)侵蚀作用，使夹杂物的表面产生 杂物的当量个数I为134mm-2,平均直径d为 蚀斑：(2)形成表面缺陷，脆弱的、易碎的夹杂物颗粒 2.91m,小于2.31m的夹杂物占夹杂物总量的 变成更小的固体颗粒，从而增加了高碳钢中夹杂物 43%以上， 的数量，同时使高碳钢中夹杂物的尺寸变的更小山 (③)加稀土高碳钢中夹杂物当量个数增多、平 (如图5所示) 均直径减小是超声空化产生的瞬时局部高温熔蚀、 高压冲击波侵蚀及声流效应的共同作用；钢中总氧 含量的降低、夹杂物的去除是由于超声空化产生的 夹杂物 超声作用 空化气泡长大、上浮溢出钢液面，同时黏附钢中夹杂 物的结果 图5夹杂物表面的破碎 Fig.5 Crushing of the inclusion surface 参考文献 [Abdel-Rehim M,Reif W.Practical application for solidification of 随着超声波功率的增大，超声空化效应相应的 metals and alloys under ultrasonic vibration.Metall,1984,38 增强，空化气泡在高碳钢液中形成、长大和溃陷变得 (12):1156 异常活泼，空化气泡是一个压强近乎为零的空腔， [2]Abramov O V.Action of high intensity ultrasonic on solidification metal.Ultrasonic,1987,25(2):73 一旦形成后，在声波压缩阶段就不会破裂；而是在下 [3]Eskin G I.Influence of cavitation treatment of melts on the pro- 一个声波膨胀阶段扩大，并从邻近处引入气体，结果 cesses of nucleation and growth of crystals during solidification of 导致气泡之间的结合和长大，气泡长大到一定尺寸 ingots and castings from light alloys.Ultrason Sonochem,1994 后从钢液中上浮并溢出钢液面，气泡上浮、溢出过程 (1):59 中黏附钢中的夹杂物，从而将钢中的夹杂物同时带 (下转第1121页)
3 超声波作用于高碳钢中夹杂物的机理 高碳钢液中加入稀土铈铈与钢中的氧、硫结合 形成稀土氧化物、稀土硫化物以及稀土氧硫化物这 些高熔点的稀土夹杂物和未被稀土铈完全“变性”的 Al2O3 可以在钢液凝固前析出而以固体颗粒形式存 在于高碳钢液中这些固体颗粒存在于钢液中且与 钢液形成固－液接触界面．当超声波引入高碳钢液 时固－液接触面受到超声波辐射时在固体夹杂物 颗粒的表面就会产生瞬时空洞［11］ （如图4所示）． 图4 夹杂物表面的空化气泡 Fig．4 Cavitation bubble of the inclusion surface 在固体夹杂物表面附近形成空洞时空化气泡 的破裂方式将会发生改变破裂后不再是球形而会 发生变形作用此变形体朝着固体夹杂物表面产生 高速钢液微射流喷射；空化泡破裂产生的强烈冲击 波也会冲击固体夹杂物表面；超声空化产生的瞬时 局部高温也会对夹杂物颗粒的表面造成熔蚀；超声 空化产生的声流效应会清洗固体夹杂物颗粒的表 面．这四种作用方式对钢中固体夹杂物颗粒表面产 生显著的影响：（1）侵蚀作用使夹杂物的表面产生 蚀斑；（2）形成表面缺陷脆弱的、易碎的夹杂物颗粒 变成更小的固体颗粒从而增加了高碳钢中夹杂物 的数量同时使高碳钢中夹杂物的尺寸变的更小［11］ （如图5所示）． 图5 夹杂物表面的破碎 Fig．5 Crushing of the inclusion surface 随着超声波功率的增大超声空化效应相应的 增强空化气泡在高碳钢液中形成、长大和溃陷变得 异常活泼．空化气泡是一个压强近乎为零的空腔 一旦形成后在声波压缩阶段就不会破裂；而是在下 一个声波膨胀阶段扩大并从邻近处引入气体结果 导致气泡之间的结合和长大气泡长大到一定尺寸 后从钢液中上浮并溢出钢液面气泡上浮、溢出过程 中黏附钢中的夹杂物从而将钢中的夹杂物同时带 出钢液；同时超声波在钢液中产生的声流效应在一 定程度上也促进了钢液中夹杂物的上浮达到去除 钢中夹杂物的目的表现为钢中总氧量降低． 但是超声波功率增大到一定程度超声空化在 高碳钢液中产生明显的热效应热效应产生的热量 被钢液吸收导致钢液吸收气体的能力增强．气体 在钢液中的溶解度越高进入空化泡内的气体量也 越多其“缓冲”作用则越大“缓冲”效应增大致使空 化强度减弱［12］．钢液中产生空化气泡的数量将随 超声波功率的增强而减少上浮溢出钢液面的气泡 数量也相应减少导致钢中夹杂物的去除量降低表 现为钢中总氧含量的升高． 4 结论 （1） 随超声波功率的提高高碳钢中的总氧量 明显降低超声波功率增大到一定程度钢中总氧量 不再明显降低反而有所增加．超声波功率为0W 时钢中总氧的质量分数为110×10－6 ；超声波功率 为100W 时钢中总氧的质量分数为59×10－6． （2） 超声处理可以明显弥散、细化高碳钢中的 夹杂物．随着超声波功率的增加高碳钢中的夹杂 物平均直径明显减小夹杂物的当量个数明显增多． 超声 波 功 率 为 30W夹 杂 物 的 当 量 个 数 I 为 86mm －2平均直径 d 为4∙163μm钢中夹杂物多 数分布于5∙39～8∙47μm；超声波功率为100W夹 杂物的当量个数 I 为134mm －2平均直径 d 为 2∙91μm小于2∙31μm 的夹杂物占夹杂物总量的 43％以上． （3） 加稀土高碳钢中夹杂物当量个数增多、平 均直径减小是超声空化产生的瞬时局部高温熔蚀、 高压冲击波侵蚀及声流效应的共同作用；钢中总氧 含量的降低、夹杂物的去除是由于超声空化产生的 空化气泡长大、上浮溢出钢液面同时黏附钢中夹杂 物的结果． 参 考 文 献 ［1］ Abde-l Rehim MReif W．Practical application for solidification of metals and alloys under ultrasonic vibration． Metall198438 （12）：1156 ［2］ Abramov O V．Action of high intensity ultrasonic on solidification metal．Ultrasonic198725（2）：73 ［3］ Eskin G I．Influence of cavitation treatment of melts on the processes of nucleation and growth of crystals during solidification of ingots and castings from light alloys．Ultrason Sonochem1994 （1）：59 （下转第1121页） 第9期 李 杰等： 超声波功率对高碳钢中夹杂物的影响 ·1115·
第9期 马范军等：冷却速度对含铌、钛微合金钢铸坯表层组织结构的影响 ,1121. (刘光明，李洪泉，李大明.含铌钢铸坯横裂纹的分析及改进措 [9]Wang X H.Liu X Y.Lv W J,et al.Carbide and nitride precipi- 施.炼钢，2006,22(1)：37) tation and hot ductility of continuous cast steel slabs containing [5]Akhlaghi S,Yue S.Effect of thermomechanical processing on the Nb.V,Ti.J ron Steel Res,1998.10(6):32 hot ductility of a Nb-Ti microalloyed steel.ISIJ Int.2001.41 (王新华，刘新字，吕文景，等.含Nb、V、T钢连铸坯中碳，氮化 (11):1350 物的析出及钢的高温塑性.钢铁研究学报，1998,10(6)：32) [6]Guillet A.Yue S,Akben M G.Influence of heat treatment and [10]Wang X H.Wu D M,Wang W J,et al.Embrittlement charac- carbon content on the hot ductility of Nb-Ti microalloyed Steels teristics of carbon steel CC slab between 1400 and 600C.Iron 1SJ1n,1993,33(3):413 Sel,1997,32(Sppl):750 [7]Cai KK.ChengS F.Continuous Casting Principle and Process. (王新华，吴冬梅，王文军，等.1400~600℃之间碳钢连铸坯 Beijing:Metallurgical Industry Press,2005:105 的脆化特性研究.钢铁，1997,32（增刊）：750) (蔡开科，程士富·连续铸钢原理与工艺·北京，冶金工业出版 [11]Baba N,Ohta K,Ito Y,et al.Prevention of slab surface trans 社，2005：105) verse cracking at Kashima n2 caster with surface structure con- [8]Wang Y S,Huang A G,Li Z Y.Study on accounting model of trol (SSC)cooling.Rev Metall CIT,2006.103(4):174 austenite grain size in low alloy steel weld metal.Electr Weld [12]Fu J G.Dou N.Reason analysis and improvement on small sur Mach,2003,33(3):1 face cracks on plate.Metall Collect,2007.171(5):25 (王永生，黄安国，李志远，低合金钢焊缝金属中奥氏体晶粒尺 (付劲光，窦楠，钢板表面微裂纹的原因分析与改进，冶金丛 寸计算模型的研究·电焊机，2003,33(3)：1) 刊，2007,171(5)：25) (上接第1115页) the phase transformation in high-strength low-alloy (HSLA) [4]Li Y L.Li B M,Liu Y T.et al.Effect of high intensity ultrasonic steel weld metals-JMaert Sci,1981.16(8):2218 on structures and properties of Al Si alloys.Chin Nonferrous [9]Takamura J,Mizoguchi S.Roles of oxides in steels performance Met,1999,9(4):719 Proceedings of the Sixth International Iron and Steel (李英龙，李宝绵，刘永涛，等.功率超声对A一Si合金组织和性 Congress-ISIJ.1990:591 能的影响.中国有色金属学报，1999,9(4)：719) [10]Li J,Chen W Q.He B X,et al.Study of probe material for ultra- [5]Zhang Y.Liu Q M.Song Y L.et al.Effect of ultrasonic treatment sonic treatment of molten steel.J Univ Sci Technol Beijing, on the solidification characteristics of T10 steel.Foundry,2006, 2007,29(12):1246 55(2):188 (李杰，陈伟庆，何北星，等超声波处理高温钢液的工具头材 (张勇，刘清梅，宋耀林，等.功率超声对T10钢凝固特性的影 质研究.北京科技大学学报，2007,29(12)：1246) 响.铸造，2006,55(2)：188) [11]Li H.Mechanisms of enhancing liquid-solid mass transfer with [6]Jian X.Xu H.Meek T T,et al.Effect of power ultrasound on so- ultrasound.JShenyang Inst Chemi Technol.1994.8(3):175 lidification of aluminum A356 alloy.Mater Lett,2005.59:190 (李晖.超声波强化液固传质的机理研究.沈阳化工学院学 [7]Liu ZZ.Mamoru K.Recent progress in oxide metallurgy technol- 报，1994,8(3)：175) ogy and its application.Steelmaking.2007.23(4):1 [12]Wang P H.A study and analysis on influencing factor of the ul- (刘中柱，桑原守.氧化物冶金技术的最新进展及其实践炼钢， trasonic cavitation.J Hebei Inst Technol.2003.25(4):154 2007,23(4):1) (王萍辉·超声空化影响因素.河北理工学院学报，2003,25 [8]Harrison P L,Farrar R A.Influence of oxygen rich inclusions on (4):154)
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