冶金熔体泡沫分类的研究

20一26 第20卷第1期 北京科技大学学报 VoL20 No.1 1998年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1998 治金熔体泡沫分类的研究 储少军 吴铿牛强 杨天钧 Tf0平 北京科技大学冶金学院.北京100083 摘要根据冷态和热态模拟实验结果证实治金熔体产生的泡沫化现象与水溶液一气泡系统的泡 冻化现象有相似规律，铁水熔池终还原阶段形成的泡沫渣和熔融发泡法制备的铝合金泡沫，均存 在球状泡沫型和多面体泡沫型2种不同形态的泡沫结构.气源类型、泡沫形成环境和婚体的物理 化学性质是影响治金熔体泡沫结构及其稳定性的主要因素 关熊词泡沫：泡沫渣：熔融还原：泡沫金属 分类号TF01.0648.24 全焕体 近年来，冶金熔体的泡沫化现象已愈来愈引起冶金新工艺和新材料制备相关学科研究领 域的重视·~习，人们对于单个气泡在熔渣或液态金属中长大和运动状况已有相当广泛的研 究.相比之下，对冶金熔体中密集气泡群的行为尚不很了解.以往研究工作多注重提出表征炉 渣泡沫稳定性有关的发泡指数，并将之与熔体物性参数关联起来，用以描述冶金过程中的泡 沫化行为.本文根据铁水熔池终还原阶段的炉渣泡沫化现象和熔融铝合金发泡成型工艺条 件，采用冷态和热态实验模拟方法，对某些冶金熔体泡沫的结构类型及其形成条件进行研究， 从另一角度考察泡沫体系的稳定性条件，以便有效地控制冶金熔体的泡沫化行为，开发新的 冶金相关技术. 1冷态模拟实验 Kitchener和Cooper将分散气泡形成的泡沫分为球状泡沫和多面体泡沫（亦称细胞状泡 沫)两大类.常温下，水溶液形成的这2种泡沫类型往往较易区分，如图1所示，而对高温治 I cm 国1水溶液中形成的球状和多面体结构泡沫.（球状泡沫：b)多面体泡沫 图省格科学整整资无男2提 收稿储少军男，51岁，博士，副教授

一 占 第1期 北 京 科 技 大 学 学 报 2月 JournalofUniversityofScienceand TechnologyBeijing VoL20 N0-1 Feb．199露 冶金熔体泡沫分 类的研 究 储少军 吴 铿 V牛 强 杨天钧 — — — 。 — t京 5：写；石l金学院．北京100083 77=口 摘要 根据冷态和热态模拟实验结果证实冶金熔体产生的泡沫化现象与水涪藏 一气泡系巯的泡 沫化现象有相似规律．铁水熔池终还原阶段形成的泡沫渣和熔融发泡法制备的铝舍金泡诛，均存 在球状泡辣型和多面体泡辣型 2种不同形态的泡辣结构 ．气源类型、泡辣形成环境和熔件的材褒 化学性质是影响冶金熔体泡沫结构及其稳定性的主要 因素． TF01 O 6482 缝 分类号 ， ．4 一h，垒蕾M ,q- 近年来，冶金熔体 的泡 沫化 现象 已愈来愈 引起 冶金新工 艺和新材料制备相 关学科研究领 域 的重视 一 ．人们 对 于单 个气泡在熔 渣或液 态 金属 中长大和 运动状况 已有相 当广泛 的研 究 ．相 比之下，对冶金熔体 中密集气泡群 的行为 尚不很 了解 ．以往研 究工 作多 注重提 出表征 炉 渣泡沫 稳定性有 关的发泡指数 ，并将之 与熔 体物 性参数 关联 起来，用 以描 述冶金过程 中的泡 沫化 行为 ．本文 根据铁 水熔 池终还 原 阶段的炉渣泡 沫化 现象和熔融 铝合金 发泡 成型工艺条 件，采用冷态和热态实验模拟方法 ，对某些 冶金熔体泡沫 的结 构类型及其形成条件进行研究 ， 从另一角度考 察泡沫体系 的稳 定性条件 ，以便 有效地控制 冶金熔体 的泡 沫化行为，开发新的 冶金相 关技 术 ． 1 冷态模拟实验 Kitchener和 Cooper将分散 气泡形成的泡沫分 为球状 泡沫 和多 面体泡沫 (亦称 细胞状泡 沫 )两 大类 [61．常温下 ，水溶液形成 的这 2种泡沫类型往往较易 区分 ，如图 1所示 ，而对高温冶 图 1 水溶液中形成的球状和多面体结构泡沫．【a)球状泡沫；(b)多面体泡沫 1997．10．15 收藉 储 少军 男，51岁 ．博 士，副 教授 ·国家 自然科学基金资助课是 (No59574026) 喀 维普资讯 http://www.cqvip.com

Vol.20 No.I 储少军等：冶金格体泡沫分类的研究 ·21· 金熔体形成的泡沫类型进行观察则十分困难.因而，根据高温冶金熔体引起泡沫化的条件进 行冷态模拟实验，是一种简单易行的研究手段， 1.1多面体泡沫实验 多面体泡沫实验是在装有水溶液的有机玻璃圆筒中进行的，水溶液中加入一定量的表面 活性剂.从安置在水池底部的单孔吹嘴吹人气体(N,或Ar气)，吹嘴内径2m,气体流量 0.5~2.01/m,经一定时间，液体上方形成稳定的多面体泡沫.买验表明，在一定的吹气流量 下，泡沫层的高度和形状与圆简容器的内径有关.圆筒内径为190m时，在上述吹气流量范 围内，整个液面上可形成稳定的多面体泡沫层，如图2()所示.当圆筒内径为630mm.即溶液 图2不同内径的容器形成的多面体泡沫形态.内径(a)190mm:)630mm 液面扩大10倍时，在相同吹气流量范围内，在液面上方只形成馒头状稳定泡沫，见图2(b).因 此，“壁面效应”对多面体泡沫的形成及其稳定性有影响.这种影响实质上反映了外引气源（吹 气条件)维持的分散气泡生成速率与泡沫层破裂的自由表面积对泡沫稳定性的作用.在一定 的吹气流量下，气泡生成速率保持不变，随着圆简容器内液面面积的扩大，泡沫层上部表面发 生气泡破裂和排气的面积增大，气泡破裂速度相应增加，当其面积达到一定值时，液面上方已 不能形成覆盖整个液面的稳定泡沫层，必然收缩为具有一定自由表面积的泡沫体， 需要指出的是，泡沫层中气泡破裂速度不仅与泡沫层自由表面积有关，同时与泡沫层高 度亦有关系，其原因在于不同高度的泡沫层内，隔离气泡的液膜排液速度不同.因此，内径较 小的圆简容器液面上方形成的多面体泡沫层高度与一定的吹气流量相对应.在本实验条件范 围内，吹气量愈大，则形成的泡沫层愈高. 12球状泡沫实验· 产生球状泡沫的实验是用500,1000,1500ml的量简进行的.将双氧水加人含一定量表 面活性剂的盐酸溶液中，反应产生的O,气使量简内液 (a 体形成球状泡沫.由于析气速率不是常量，量筒内泡沫 高度变化有一最大值.均匀的泡沫体存在时间较短，接 着开始分层，在反应后期，液面上聚集一小部分由球状 泡沫转变而成的多面体泡沫，并随时间延长而逐步消 失.图3是上述发泡过程的示意图.由于形成分散气泡 的气源是内生气源（对比单孔吹嘴而言），反应过程产 生的气泡分布于容器内溶液的各个部位，因此，球状泡 图3不同反应时期的球状泡沫 (a)反应前期：(b)反应后期

Vol20No．1 储少军等：冶金熔体泡沫分类 的研究 ．21． 金熔体 形成的泡沫 类型进行 观察则 十分 困难 ．因而 ，根据高 温冶金熔体 引起 泡沫化 的条 件进 行 冷态模拟 实验 ，是一种简单易行的研究手段 ． I_1 多面体泡沫 实验 多面体 泡沫 实验是 在装有 水溶液的有机玻璃圆筒中进行 的．水溶液中加入一定量的表面 活性 剂 ．从 安置 在水 池 底 部的单 孔 吹 嘴吹 入气 体 ( 或 Ar气)，吹 嘴 内径 2Tnm，气 体 流量 0．5～2．0l／rain，经一 定时间，液体上方 形成稳定 的多面 体泡沫 ．实验 表 明，在 一定的 吹气 流量 下 ，泡沫层 的高度 和形状 与圆筒容器 的内径有 关 ．圆筒 内径 为 190rl'Lrn时，在上述吹气流量 范 围 内 ，整 个 液 面 上 可 形 成 稳 定 的 多 面 体 泡 沫 层 ，如 图 2【a1所 示 ．当 圆筒 内径 为 630Innn，即 溶液 圈 2 不同内径的窖鬻形成的多面体泡沫形态．内径(a)l90mm；(5)630mlu 液 面扩 大 10倍 时，在相同 吹气流量 范围内，在液面上方只形成馒头状稳定泡沫 ，见 图 2fb1．因 此 ，壁 面效 应 对多 面体 泡沫的形成及其稳定性有影响 ．这种影 响实质上反映 了外 引气 源 (吹 气 条件)维持 的分 散气 泡生成速率 与泡沫层 破裂的 自由表面积 对泡沫稳定性 的作 用 ．在一定 的吹气 流量下，气泡 生成速率保持不变，随着 圆筒 容器 内液面面积的扩大，泡沫层上部表 面发 生气 泡 破裂 和排 气 的 面 积 增 大 ，气 泡 破 裂 速 度 相 应 增 加 ，当其 面 积 达 到 一 定值 时，液 面上 方 已 不 能形 成覆 盖整个 液面的稳定泡沫层，必然收缩为具 有一定 自由表面积的泡沫体 ． 需要 指出 的是 ，泡沫层 中气泡破裂 速度 不仅与泡沫层 自由表 面积 有关，同时与泡沫层高 度 亦有 关系 ，其原 因在于不 同高度 的泡 沫层 内，隔离气泡 的液膜排液 速度不 同 ．因此，内径较 小 的圆筒容 器液面上方形成的多面体泡沫层高度 与一 定的吹 气流量 相对应 ．在本实验条件范 围 内，吹气 量 愈 大 ，则 形 成 的 泡 沫 层 愈 高 ． 1．2球 状泡沫实验 。 产生球状泡 沫的实验是用 500，1000，1500ml的量筒进行的 ．将双 氧水 加人 含一定量表 面活’陛剂的盐酸溶 液 中，反应产 生的 0 气使量 筒内液 r 体 形成球状 泡沫 ．由于析气 速率不 是常量 ，量筒 内泡 沫 高度 变 化有一最大 值 ．均匀 的泡沫体 存在 时间较短 ，接 着 开始分层 ，在反 应后期 ，液 面上聚集 一小部分 由球 状 泡 沫转 变 而成 的多 面体 泡沫 ，并 随时 间延 长而 逐步 消 失 ．图 3是 上 述 发 泡 过 程 的示 意 图 ．由于 形 成 分 散 气 泡 的气 源是 内 生气 源 (对 比单孔 吹 嘴而 言)，反应过 程 产 生 的气泡分 布于容 器 内溶液 的各个部位 ，因此 ，球状 泡 围 3 不同反应时期的球状泡竦 (a)反应 前期 ；(b)反应 后期 维普资讯 http://www.cqvip.com

·22· 北京科技大学学报 1998年第1期 沫化现象不受“壁面效应"的影响 2铁水熔池终还原炉渣泡沫化的模拟实验 熔态还原过程铁水熔池的终还原阶段，常产生炉渣泡沫化现象：，根据冷态模拟实验结 果，设计2种实验方案，着重研究终还原阶段炉渣泡沫的类型及工艺控制因素， 2.1外引气源的炉渣发泡实验 实验过程在高祖碳管炉内进行.炉内恒温带可保持在180mm左右，控温范围】350~ 1600℃，控温精度±5℃.装料坩埚尺寸中75mm×150mm.坩埚内装入预熔生铁1.5kg和配 制的高护渣150g,炉渣成分（质量分数）为：C040%,Si0,35%,A1,0,10%,Mg015%.采用 浸人式吹气方式，吹气管口 表1吹气量对炉渣发泡高度的影南 径3mm,插人熔池深度20 气体 N2 O2 N2 O2 N2 O2 mm,分别吹入O2气和N 吹气流量/0h)40.2537.79129.85121.90204.40191.89 气.在一定温度下，通过调节 泡沫层高度fcm3 659713.5 吹气流量，可以控制坩埚内 注：熔体质量1.5kg,渣质量为150g,祖度1500℃ 形成的泡沫层高度，见表」. 实验表明，吹气量接近条件下，O,和N气形成的泡沫高度相差近1倍，说明吹O,条件 下，引起炉渣发泡的气体实际上是铁浴中碳氧反应生成的CO气体.由于C0气泡生成的条件 不同于单孔吹气条件，所以吹人流量为129.85h的N所形成的泡沫高度只有5cm,而流量 只有37.79h的O,形成的泡沫高度却有6cm,也就是说，N气流量提高3倍仍不及O,气的 发泡效果.因而，吹O,气与吹N气形成泡沫的机理可能有所不同，严格说来，上述熔体吹O, 形成泡沫的过程是一种内生气源的发泡法.将吹N形成的泡沫渣取样急冷，渣样的断口形貌 属多面体泡沫，如图4(b)所示，由于炉渣冷凝过程，亦发生表面气泡的破裂，因而，渣样表面 形成若干圆形气跟”.与前述吹气发泡的冷态模拟实验比较，吹N,条件下炉渣泡沫形成方式 和泡沫结构都具有相似性· b 网0.5cm 0.5cm 图4球状泡沫渣(a)和多面体泡沫渣b) 22内生气源的炉渣发泡实验 实验装置和加料条件与2.1节实验相同.当坩埚内形成熔池后，另加人粒度为0.1m的 Fe,0矿粉20~30g、高温下，炉渣中含有的氧化铁成分与铁浴中的碳([C]=3.5%)发生激烈 反应，产生大量气泡，使熔池形成不稳定的泡沫渣层、由于目前尚未找到适宜的比较不稳定炉 1

． 22 ． 北 京 科 技 大 学 学 报 1998年 第 1期 沫化现象不受 壁面效应 的影响 2 铁水熔池终还原炉渣泡沫化 的模拟实验 熔 态 还 原 过 程 铁 水熔 池 的 终 还 原 阶段 ，常 产 生 炉 渣 泡 沫 化现 象 ’．根据 冷 态 模 拟 实 验 结 果 ，设计 2种实验方案，着重研究 终还 原阶段炉 渣泡 沫的类型及工艺控制因素 ． 2_l 外引气源 的炉渣发泡 实验 。 实 验过程 在 高温碳 管炉 内进 行 ．炉 内恒 温带 可保 持在 180tnnl左 右，控 温 范 围 1350～ 1600"C，控温精度 ±5"C．装料坩埚尺寸 75mrn×150inn1．坩埚 内装入预熔生铁 1．5kg和 配 制的高炉渣 150g，炉渣成分 (质 量分 数)为 ：CaO 40％，SiO，35％，AI，O 10％，MgO15％．采用 浸 入 式 吹 气 方 式 ，吹 气 管 口 径 3rlLrn，插 入 熔 池 深 度 20 mm，分 别 吹 入 O^气 和 N_ 气 ．在 一 定 温 度 下 ，通 过 调 节 吹 气 流 量 ，可 以 控 制 坩 埚 内 形 成 的 泡 沫 层 高 度 ，见 表 1． 衰I 畎气■对炉渣发泡膏度的群璃 注 ：熔体 质量 1．5 ，渣 质量为 15og，温度 I500℃ 实齄表 明，吹气量接 近条 件下 ，O、和 N’气形成 的泡沫 高度相差 近 1倍，说明吹 o1条件 下，引起炉渣 发泡 的气体 实际上是 铁浴 中碳 氧反 应生成的 CO气体 ．由于 CO 气泡 生成 的条件 不 同于单孔吹气条件 ，所以吹人流量为 129．851m 的 所 形成 的泡沫高度只有 5clTl，而 流量 只有 37．79l，l1的 O、形成 的泡沫高度却有 6cm,也就是说 ， 气流量提高 3倍 仍不及 O’气的 发泡效 果 ．因而 ，吹 O、气与 吹 气形成泡沫 的机理 可能有所不 同，严格说来 ，上述熔体 吹 O， 形成泡沫的过程是一种 内生气源 的发泡法 ．将 吹 N1形成 的泡 沫渣 取样急冷，渣样 的断 口形貌 属多面体泡 沫，如 图 4(b)所示 ．由于炉渣 冷凝 过程 ，亦发 生表面气 泡的破裂 ，因而 ，渣样表面 形成若干圆形 气 眼 ．与前述 吹气发泡 的冷 态模 拟实验 比较 ，吹 N1条件下炉渣泡沫形成方式 和 泡 沫 结 构 都 具 有 相 似 性 ． 图 4 球状泡沫渣(a)和多面体泡沫渣 ) 2．2 内生气源 的炉渣发泡 实验 实 验 装置 和加 料条 件 与 2．1节 实 验相 同 ．当 坩埚 内 形 成 熔 池 后 ，另加 入粒 度 为 0．1玎Ⅱn的 FeO 矿粉 20~30g．高温下 ，炉渣 中含 有的氧化铁成分 与铁浴 中的碳 (【C]= 3．5％)发生激烈 反应 ，产生大 量气泡，使熔池形成不稳定 的泡沫 渣层 ．由于 目前 尚未找到适宜 的比较 不稳 定炉 维普资讯 http://www.cqvip.com

Vol.20 No.I 储少军等：冶金熔体泡沫分类的研究 ·23· 渣发泡过程的定量方法，本文仅能定性判定内生气源引起的护渣泡沫化行为，当矿粉加入量 一定(20g)时，坩埚内炉渣泡沫化程度随熔池温度降低而增大，结果为弱(1580℃)，中 等(1480℃)、很强(1380℃).当熔池温度一 定，增加矿粉加入量、则炉渣泡沫化程度增 表2F20矿粉加入量炉渣发泡程度的影响 大，见表2.而且泡沫渣中均含一定量的小 A矿粉202530 FeO加人量/g 铁珠，最多可占炉渣总质量的46,4%，形成 B矿粉1520 25 气体、金属液、炉渣三相共存乳化液将初始一渣的泡沫特征 弱中等很强 形成的炉渣泡沫取样冷却、其断口形貌显示 注：熔体属1.5kg渣.150kg.温度1580℃ 球状泡沫类型的特征，见图4()，与前述冷态模拟实验中产生球状泡沫的结果一致. 3熔融铝合金的发泡实验 作为由金属熔体一气体形成分散气泡系统的典型例子，熔融法泡沫铝制备工艺条件对冶 金熔体泡沫分类的研究有重要参考价值，熔融法泡沫金 属制备方法是选择适宜熔化温度、采用往金属熔体添加 增粘剂和发泡剂的方法，获取孔隙率在0.4一0.9的新型 多孔金属材料.具体制备步骤简述如下：金属熔化一金 属熔体增粘一金属熔体发泡一泡沫金属冷却.本工作选 ,用铝合金作基体金属、金属钙作为增粘剂，TH,作为发 泡剂，通过改变工艺条件，获得不同孔隙率的泡沫铝合 金.实验结果表明，制得的多孔铝合金中存在2种不同 类型的泡沫结构：球状气孔位于铸锭底部和顶部激冷 区，多面体气孔则存在于冷却速度较慢的铸锭中部 见图5.这说明，由内生气源形成的球状泡沫在一定条件 下，会逐步转变为多面体泡沫.实验证明，为获取孔隙率 高的泡沫金属，除了有合适的发泡剂粒度和分散条件 围5泡沫铝镶中的气孔鳍构 (1)冷却时间晚：(2)冷却时问旱 外，铝合金成分调整、铸锭冷却时机和冷却强度的选择 是关键的工艺参数， 4讨论 4.1冶金熔体泡沫分类标准 上述实验表明，冶金熔体与含表面活性剂的水溶液一样，在不同条件可以产生球状泡沫 和多面体泡沫2种不同类型的泡沫形态，在现有实验技术条件下，直接观察判断高温冶金熔 体泡沫的类型，仍有许多困雄.但我们初步可以从两方面简单地进行判断.第一从含有泡沫的 熔体的孔隙率的大小进行分析，根据几何学原理，对于等径球状气泡密堆状态，泡沫的理论孔 隙率为74%.因此、若高温冶金熔体形成均匀泡沫，且孔隙率大于74%，才有可能形成完整的 多面体泡沫，孔隙率小于74%，则形成球状泡沫或2种泡沫类型共存的泡沫结构.第二，从泡 沫的生成条件判断.一般压气法（孔塞或吹管）形成的泡沫多属于多面体泡沫，而熔体内因化 学反应或物理分解产生内生气源而形成的泡沫在泡沫形成前期属球状泡沫，而在后期属于球 杆然P

Vo1．20NoI 储少军 等 ：冶 金熔体 泡沫 分类 的研 究 ·23· 渣发泡过程 的定量方 法，奉文仅能定性判 定 内生气 源引起 的炉 渣泡沫化行 为 ．当矿 粉加入量 一 定 (2Og)时 ，坩 埚 内炉 渣 泡 沫 化 程 度 随熔 池 温 度 降 低 而 增 大 ，结 果 为 弱 (1580E)，中 等 (148O℃)，很 强 (1380~7)．当熔 池温度一 定 ，增加 矿 粉加入量 ，则 炉渣泡 沫化 程度增 大，见表 2．而 且 泡沫 渣 中均含 一 定量 的小 铁珠，最多 可 占炉 渣总质 量 的 46．4％，形成 气体、金属液 、炉渣三相共存乳 化液 ．将初始 形成的炉渣泡沫取样冷却 ，其断 口形貌 显示 襄2 F如0】矿粉加 入■ 炉j童发泡 程度 的髟 响 注： 瞎 体属 1．5 ，碴 ，150 kg，温度 1580~7 球状泡沫类型的特征 ，见 图 4(a)，与前述冷态模拟实验 中产生球状泡沫 的结果 一致 ． 3 熔融铝合金的发泡实验 一 作 为 由金属熔体 一气体形成分散气泡系统 的典型例子，熔 融法泡沫铝科备工艺条件 对冶 金熔体泡沫分类 的研 究有重要参 考价 值 ．熔 融法泡沫金 属制备方法是 选择适宜熔化温度 ，采用往 金属熔体添加 增牯剂 和发泡 剂的方法 ，获取孔 隙率在 0．4～0．9的新型 多孔 金属 材料 ．具 体制 备步 骤简述 如下：金属 熔化一 金 属熔体 增牯一金属熔体 发泡一 泡沫金属 冷却 ．本工作 选 用铝台金 作基 体金属 ，金属 钙作 为增粘剂 ，T{}L作 为发 泡剂，通过改 变工艺 条件 ，获得 不 同孔隙 率的 泡沫 铝合 金 ．实 验结果 表 明，制 得的 多孔 铝合金 中存 在 2种不 同 类 型 的泡沫 结 构：球 状气 孔 位 于铸 锭底 部 和 顶部 激 冷 区，多面体 气孔 则存 在 于冷却速度 较慢 的铸 锭 中部 】， 见图 5．这说 明，由内生气源形成 的球状泡沫在一定条件 下 ，会逐步转变 为多 面体泡沫 ．实验证明，为获取孔隙率 高 的泡 沫 金属 ，除 了有合 适 的 发泡剂 粒 度 和分 教条 件 外，铝合 金成 分调整、铸锭 冷 却时机 和冷 却强度 的选择 是 关键 的工艺参数 4 讨 论 圈 ■ 5 泡竦铝锭中的气孔螬构 (1)冷却时间晚；(2)冷却时闰阜 4．1 冶金熔体 泡沫分类标准 上述 实验表 明，冶金熔体 与含表面滔性剂 的水溶液 一样 ，在不同条件 可以产生球 状泡沫 和多 面体 泡沫 2种不 同类 型的泡沫形态 ．在现有 实验 技术条件下 ，直接观察 判断高温 冶金 熔 体泡淳 的类型 ，仍 有许多 困难 ．但 我们初步 可以从两方 面简单地进行判 断 ．第一从含有泡沫的 熔体 的孔 晾率 的大小 进行 分析 ．根据几何学原理，对于等径球状气泡密堆 状态 ，泡沫的理论孔 隙率为 74％．因此 ，若 高温冶金焙体形成均匀泡沫，且孔 隙率 大于 74％，才有可能形成完整 的 多 面体泡沫，孔 隙率小于 74％，则形成球 状泡 沫或 2种泡诛 类型共存的泡沫结构 ．第 二，从泡 沫的生 成条件 判断 ．一般 压气法 (孔 塞或 吹管 )形 成的泡 沫多属于多 面体 泡沫 ，而熔体 内因化 学反应或物理分解产生 内生气源而形成 的泡沫在泡沫形成前期属球状泡沫，而在 后期 属于球 维普资讯 http://www.cqvip.com

·24， 北京科技大学学报 1998年第1期 状泡沫和多面体泡沫的混合类型.该阶段2种不同类型泡沫的体积比与内生气源形成条件和 熔体泡沫状态的维持时间有关， 4.2泡沫化指数∑的局限性 在控制泡沫稳定性和影响气泡破裂的各种参数问题上，至今尚未取得一致意见侧，对于 熔渣泡沫化影响因素的定量研究，Ito和Fruehan.lo引人泡沫化指数∑的概念，定义为 ∑=△V/Q, (1) 式中，△V表示熔渣吹气发泡的前后体积差(m),Q。表示潜人熔渣内吹气管的吹气量 (s）.泡袜化指数Σ的物理意义为气体通过熔渣上方泡沫层的平均停留时间，并认为该时间 即为停止吹气后，已形成的泡沫层存在的寿命.他们用因次分析方法研究了不同体系炉渣 的泡沫化现象，提出泡袜化指数Σ是由熔渣粘度4、密度和表面张力σ所确定的函数.上述研 究方法已为国内外许多研究者采用，并得出各种各样的泡沫化指数Σ的经验表达式.作者认 为，这些经验表达式的差异恰恰说明泡沫化指数Σ只是表示特定实验条件，比较不同熔渣发 泡行为的“唯象方法”.泡诛化指数一般只表征采用外引气源发泡时熔渣形成稳定多面体泡 沫的规律.因此，该指数必然与吹嘴口径，坩埚内径等几何因素有关.事实上，Fruehan等人以 后的工作也证实，由于吹嘴口径不同，气流量不同而引起的气泡直径变化对泡沫化指数亦有 贡献”，这就违背了当初引入只与熔渣物性参数有关的泡沫化指数Σ概念的初衷，原茂太、 Utigard别等人类似的实验结果中也可以看出，熔渣泡株化指数Σ只是在一定实验条件下（坩 埚直径选取、吹气量大小控制)才是常数，此外，实验测得的Σ值与泡袜实际寿命x之间的差异 亦难以用实验误差进行解释.冶金过程中经常遇到的熔体泡袜化现象，往往多数伴随有气体 放出的均相或多相治金反应，作为反应物和产物的熔渣组成成分，在熔渣发泡过程中也不可 避免会发生变化，因而，忽路熔渣内界面反应，界面性质变化和泡沫的结构类型，单纯采用吹 气实验方法所得到的泡沫化指数判断实际冶金过程熔体的泡沫化现象，仍缺乏足够的理论 和实验依据、 4.3冶金熔体泡沫的稳定性 无论球状泡沫或多面体泡袜，就液一气分散体系来讲，都属于亚稳定状态，冶金熔体泡沫 化现象是熔体中气泡群生、灭的动态平衡过程，多数研究者根据外引气源发泡实验结果，将治 金熔体泡沫稳定性的影响因素主要归结于熔体本身的物理化学性质以及改变这些性质的种 种原因.由于高温实验条件的限制，这些结果很难反映流动系统的几何特征和气泡形成的动 态因子等因素对泡沫稳定性影响俐.作者认为，冶金熔体泡沫稳定性主要涉及两大问题：一 是液一气界面性质，这是衡量泡沫稳定性的热力学条件；二是气泡形成的方式和密集气泡群 的运动状态，这是影响泡袜稳定的动力学条件，冶金熔体发泡条件不同，形成的泡沫类型不 同，影响泡沫稳定性的主要因素也可能不同，对于内生气源形成球状泡沫的冶金熔体来讲，气 泡生成速率、气泡的大小、分布，熔体的运动状态是影响泡沫稳定性的主要因素，只是在气泡 停止生成，泡沫结构发生转化时，液一气界面性质才对泡沫寿命起主导作用，对于外引气源形 成的多面体泡沫，由于泡沫层中气泡的自由运动已降为次要地位，泡沫的稳定性主要归结于 支撑气泡的液膜性质，气泡的兼并和液膜的破裂成为影响泡沫寿命的主要因素.所以，融态还 原工艺的铁浴终还原阶段，提高矿粉的预还原程度和保证铁浴有较高温度，才能有效地控制 球状结构泡沫渣的上涨.而在熔融法制造铝合金泡沫时，除了选择适宜的发泡温度和增粘剂、 行、上

·24 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1998年 第 1期 状泡 沫和多面体泡沫的混合类型 ．该阶段 2种不 同类型泡沫的体积 比与内生气源 形成条件和 熔体泡辣状 态的维持 时同有关 ． 4．2 泡 沫化 指数 的局限性 在 控制泡沫稳 定性和影 响气 泡破 裂的各种参 数问题上 ，至今 尚未 取得一致 意见 ．对 于 熔渣泡沫化影响 因素 的定量研究 ，no和 Fmehan_9_ 引入泡沫化指数 的概念 ，定义为 = AV ，Q (1) 式 中，AV表 示 熔 渣 吹气 发泡 的 前 后体 积 差 (m )，O 表 示 潜 人 熔 渣 内 吹 气 管 的 吹气 量 (m ／s)．泡 沫化指数三的物理意义为气体通过熔渣上方泡辣层 的平均停 留时间 ，并 认为该时间 即为停 止 吹气后 ，已形成 的泡沫层存 在 的寿命 f．他们 用囡次分 析方法研究 了不 同体 系炉 渣 的泡 沫化现象 ，提 出泡沫化 指数 是 由熔渣粘 度 密度p和表面张力 所确定 的函数 ．上 述研 究 方法 已为国 内外许 多研究者 采用 ，并得 出各 种各样 的泡 沫化 指数三的经 验表达式 ．作者 认 为，这些 经验 表达式 的差 异恰 恰说 明泡沫化 指数三只是 表示特 定实验条件 ，比较 不 同熔渣 发 泡行 为的 “唯象 方法 ．泡 沫化指数三一般只表征采用外引气 源发泡 时熔渣形成稳定 多面体 泡 津的规 律 ．因此 ，该指数必 然与吹 嘴 口径 坩埚内径等几何 因素有关 ．事实 上，Fruehan等人 以 后的工作也 证实，由于吹嘴 口径不 同，气流量 不 同而 引起 的气泡直径变化 对泡 沫化指数 亦有 贡献 ”，这就违 背了 当初 引入 只与熔渣 物性参数有关的泡沫化指数 慨念的初衷 ．原 茂太 [1、 Utigard【I等人 类似的 实验 结果 中也可 以看 出，熔渣 泡沫化指数三只是在一定 实验条件下 (坩 埚直径 选取、吹气量大 小控制)才 是常数 ．此外 ，实验测得 的三值 与泡沫实 际寿命f之间的差异 亦难 以用实验误差 进行 解释 ．冶金 过程 中经常遇到 的熔体泡 沫化现象 ，往往 多数 伴随有气体 放 出的均相 或多相冶 金反 应，作 为反应物 和产物 的熔渣组 成成 分，在 熔渣 发泡 过程 中也不可 避免 会发生变化 ，因而 ，忽略熔渣 内界 面反应 ，界面性 质变化和泡沫 的结构 类型 ，单纯采用 吹 气实验 方法所得到 的泡沫化 指数三判断实际冶金过程熔体 的泡 沫化现象 ，仍 缺乏足够 的理论 和实验依 据 ． 4．3 冶金熔体 泡沫 的稳定性 无论球状 泡沫或多面体泡抹 ，就液一气分 散体 系来讲 ，都属于亚稳定状态 ．冶金熔体泡沫 化现象 是熔体 中气泡群生、灭的动态平衡 过程 ．多数研究者根据外引气源发泡实验结果 ，将冶 金 熔体泡沫 稳定性的影 响因素主要归结 于熔体本身 的物理化 学性质 以及 改变这些性质 的种 种原 因．由于 高温 实验条件 的限制，这 些结果很难反 映流动 系统 的几何特征和气泡形 成的动 态 因子等 因素对 泡沫稳定 性影响 “q 作者认 为，冶金熔体泡 沫稳 定性 主要 涉及两 大问题 ：一 是 液一气界 面性质 ，这是衡量 泡沫稳 定性的 热力 学条 件；二 是气泡形 成的方式和密集气泡群 的运 动状态 ，这是 影 响泡沫稳定 的动 力学条 件 冶金熔 体 发泡 条件 不同，形成 的泡沫类型 不 同，影 响泡沫 稳定性的主要 因素也 可能不同 ．对于 内生气 源形成球状泡沫 的冶金熔体来讲 ，气 泡生 成速率 ，气泡 的大小 、分布 ，熔体 的运 动状 态是影 响泡 沫稳定性 的主要 因素 ，只是在气泡 停止生成 ，泡沫结构发生转化时 ，液一气界 面性质 才对泡沫 寿命 起主导作 用 对于外引气源形 成的多面体泡 沫，由于泡 沫层 中气泡 的 自由运动 已降为次要 地位 ，泡沫 的稳定性 主要归结于 支撑气泡 的液 膜性 质，气泡的兼并 和液膜 的破裂成 为影 响泡沫 寿命 的主要 因素 ．所 以，融态还 原 工艺的铁浴终还 原阶段 ，提高矿粉 的预还原程度 和保证铁浴有 较高温度，才能有效地控 制 球状结构 泡沫渣的上涨 ．而在熔融法制造铝合金泡 沫时，除了选 择适宜 的发泡温度 和增 粘剂 、 维普资讯 http://www.cqvip.com

Vol.20 No,1 储少军等：冶金熔体泡沫分类的研究 ·25· 发泡剂使金属熔体首先形成均匀的球状泡沫外，仍需添加如Mg等表面活性剂和适时进行强 制冷却，使间隔气泡的液膜稳定，才有利于获得气孔率较高的多面体泡沫铝合金制品， 5结论 (1)冶金熔体形成的泡沫可分为球状泡沫和多面体泡沫2种不同类型.外引气源通常使 熔体产生多面体泡沫.内生气源则使熔体在前期产生球状泡沫，在后期形成球状泡沫和多面 体泡沫的混合体，其比例与熔体泡沫化状态的持续时间有关.。 (2)容器的“壁面效应"对形成多面体泡沫的稳定性有影响，而对球状泡沫无影响. (3)泡沫化指数Σ只是特定条件下，熔体形成多面体泡沫的稳定性判据，将其用于描述实 际冶金熔体的泡沫化现象仍缺乏足够的理论和实验依据， (4)铁浴终还原产生的泡沫渣属球状泡沫类型，提高矿粉的预还原度，减小铁浴的祖降， 有助于抑制炉渣泡沫层高度.添加表面活性剂和适时冷却是获得孔隙率高的多面体泡沫铝合 金材料必要的工艺手段， 参考文献 1 Wunsche E R.Electric Arc Fumace Steelmaking with Quasi-submerged Arcs and Foamy Slag.Iron steel Eng,1984(4):35 2 Ameling D.Petry J,Sittard M.et al.Untersuchungen zur Schaumschlackackenbildung im Electrolicht- bogenofen.Stahl u Eisen,1986(11):45 3 Ito K Fruehan RJ.Slag Foaming in Smelting Reduction Processes.Steel Research,1989,60(3,4):151 4 Ogawa Y,Huin Dgaye H.Physical Model of Slag Foaming.ISSJ Int,1993,33(11):224 5石井荣一，伊藤雅夫，森尺吉孝.Production Process and Application of Foamed Aluminum ALPORAS for Noise Control.R&D神户制钢技报，1991,41(2)：59 6 Kitchener J A,Cooper C F.Current Concepts in the Theory of Foaming.Quart Rev Chem Soc,1959, 13:71 7林恰糊熔融铝合金发泡和凝固问题的研究：[学位论文].北京：北京科技大学，1997 8赖亚J.泡袜浮选表面化学.北京：治金工业出版杜，1987.558 9 Ito K,Fruehan R J.Study on the Foaming of CaO-SiO2-FeO Slags:part I.Foaming Parameters and Experimental Results.Met Trans.1989,20(B):509 10 Jiang R.Fruehan R J.Slag Foaming in Bath Smelting Met Trans.1991,22(B):481 11 Zhang Y,Fruehan R J.Effect of Bubble Size and Chemical Reactions on Slag Foaming.Met Trans. 1995,26B8):803 l2原茂太，生田昌久，北村光章，获野知己.Foaming of Molten Slags Containing Iron Oxide.铁上钢， 1983(9):66 13 Warczok AA.Utigard T A.Low Temperature Physical Modelling of Slag Foaming.Can Met Quart. 1994,64(10):491 14Azbe1D.化学工程中的两相流.北京：化学工业出版社，1987.51 ·1童·新8

Vol20 No．1 储步 军等：冶金 熔体 泡沫分 类 的研究 ．25 ． 发泡刺使金属熔体首先形 成均匀的球状泡沫 外 ，仍需添加如 Mg等表面话性 剂和 适时进行 强 制冷却 ，使 间隔气泡 的液膜稳 定，才有利于获得气孔率较高 的多 面体泡沫铝合 金制品 ． 5 结 论 (1)冶金熔体 形成 的泡 沫可分 为球状泡沫 和多面体泡 沫 2种不 同类 型 ．外 引气 源通常使 熔 体产生多 面体 泡沫 ．内生气源则使熔 体在前期 产生球状泡沫 ，在后期形成 球状 泡抹 和 多面 体泡沫 的混 合体，其 比例与熔体泡沫化状态舶持 续时间有 关． ， (2)容器的 壁面效应 对形成多 面体 泡沫的稳定性有 影响，而对球状 泡沫 无影响 ． (3)泡沫化指数三只是 特定条件下 ，熔 体形成多面体泡沫的稳定性判 据，将其 用于描述实 际冶金熔体 的泡沫化现象仍缺乏足够的理论和实验依据 ． (4)铁浴 终还原产生 的泡 沫渣属球 状泡沫类型 ，提 高矿粉 的预 还原 度，碱 小铁浴的温 降， 有助于抑制炉渣泡沫层高度 ．舔 加表面 活性剂和适 时冷却是获得孔隙率高的多面体泡沫铝合 金 材 料 必 要 的工 艺 手 段 ． 参 考 文 献 1 Wtmsche E R．Elec~c Arc Furnace Steelmaking with Qunsi-submerged Aresand Foamy Slag．Iron ＆ steelEng，1984(4)：35 ． 2 Ameling D ，Pe时 j，Sittac d M et a1．Untersuchungen 丑盯 bng enofenStahlu Eisen，1986(1I1：45 3 ltoK Fruehan RJ．Slag Foaming in Smelting ReductionProcesses．SteelRe search，1989，6o(3，4、：151 4 OgawaY．Huin DgayeH．PhysicalModelofSlag Foaming ．ISSJInt，l993，33(1I1：224 5 石 井荣 一 ，伊 藤 雅夫 ．森尺 吉 孝．Production Pr∞essand Application ofFoamed AluminsmaALI~RAS forNdseContro1．R ＆ D神户 制钢技 报 ，199l，41(2)：59 6 KitchenerjAtfou rC F．CurrentConceptsin the Theory of Foaming．QL叫 Re v Chem Soc ，1959， 13：71 7 林 怡 拥．熔 融铝舍 金 发泡和凝 固问题 的研究 ：【学位 论文】．北京 ：北京科技 大 学 ，1997 8 赖亚 j 泡沫 浮选 表面化 学 北京 ：冶金 工业 出版社 ，1987558 9 Ito K，Fruehan R Study on the Fo am ing of CaO-SiO2-FrO Slag s： part I． Foaming Paramcter$ andExperimontalRe sultsMetTram ，1989，2o(B、：509 10 Jiang IL Fruehan R j．slag Fo aming in Bath Smelting MetTram ，1991，221『丑 ：481 l1 Zhan g Y tFruehan R J Efectof Bubble Size and Chem ical Re actions on Slag Foam ing．M et Tram ， 1995，26B(8)：803 l2 原 茂 太 ，生 田 昌久 ，北 村 光 章 ，获 野 知 己．Fo am ing ofMolten Slags Containing Iron Oxide．铁 钢 ， 1983『9l_66 13 Warczok A A，Utigard T Low Temperature PhysicalModelling of Slag Fo aming ．Can Me tQInrt， 1994，64(10)~491 14 AzbelD．化学 工程 中 的两 相流 ．北京 ：化学 工业 出版社 ．1987．51 维普资讯 http://www.cqvip.com

·26· 北京科技大学学报 1998年第1期 Classification on the Foaming Behaviours in Metallurgical Melts Chu Shaojun Wu Keng Niu Qiang Yang Tianjun Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on experimental results,it shows that the foaming behaviours occurred in metallurgical melts is similar to that taken place in aqueous solution.There are two types of foam structure,spherical foam and polyhedral foam,in the bath-smelting processes and the foaming process of Al alloy melt.Foams with large bubbles,generated by argon gas injection into liquid slag with a mon-orifice nozzle,have polyhedral bubble cells and the foamability of slag is affected by the gas injection rate and container scale besides the surface tension and the viscosity of slag.Foams with fine bubbles,generated by slag/metal interfacial reaction in the bath-smelting process or the decomposition of TiH,in molten Al alloy,have spherical bubble cells in the initial foaming stage and the transla. tion from spherical bubble structure into polyhedral bubble structure takes place at the end of foaming process.Under conditions of gas evolution due to chemical reaction in melts,the foam stability is strongly affected by the rate of gas evolution,the size of bubbles and the fluid flow form besides the physico-chemical properties of melts. KEY WORDS foam;foaming slag;bath-smelting reduction;foamed aluminium 上上1

’26· 北 京 科 技 大 学 学 报 1998年 第 1期 Classification on the Foaming Behaviours in M etallurgicalMelts Chu Shaojun Wu Keng Niu Q 增 )rang 7~anjun Metallurgy School，LIST Beijing，Beijing 100083，China ABSTRACT Based on experimentalrcsmts，jtshows that the foaming behaviours occurred in metallurgicalmeltsissimilarto thattakenpIacein aqueoussol 0n． There ale two type s offoam stn~RLr~，sphericalfoam~and polyhedralfoam ，in the hath-sme lting pc(g3~gcs and the foaming pro~ ss of AI alloy me lt．Foams with large bubbles，generated bY argon gas injection into liquid slag with a mOU-orifice nozzle，have polyhedralbubble cells and the foamability ofslag isafected by the gas injection rate and containerscale besides the surface tension and the viscosity of slag．Foams with fine bubbles，generated by slag／metal intefaeial reaction in the ha th -sm elting pro~ ss or the dec omposition of Ti82 in molten AI alloy，have spherical bubble cells in the initial foaming stage and the transla￾tion from sphericalbubble st／llc~trg into polyhedralbubble $tl'UCIlll~ takespIace atthe end of foaming process．Under conditions of gas evolution due to che mical reaction jn me lts，the foam stability is strongly afected by the rate of gas evolution，the size of hubbles and the fluid flow fonilbesides the physico-chemical prope rties of me lts． KEY W ORDS foam；foaming slag；ha th-sme lting reduction；foamed alIlfrIini啪 维普资讯 http://www.cqvip.com