·110 北京科技大学学报 2000年第2期 验：(5)熔融铝合金实验.其结果证实无论是在 面体泡沫，由于液膜很薄，重力不再是排液作用 水溶液中，还是冶金熔体中，都存在球状泡沫向 的主要驱动力，而表面张力促使液膜中的液体 多面体泡沫的转型 流向Plateau区域m.阻止液膜继续变薄的因素 是液膜的表面粘弹性.液膜的粘弹性在宏观 2泡沫演化的控制因素 上可以用表面张力σ对表面活性物质的摩尔分 影响泡沫稳定性的因素有排液作用、气体 数x的一阶偏导数的绝对值偏摩尔表面张力Gs 透过液膜的扩散、液膜粘弹性效应等.对于球 来表示w,即 状泡沫，由于气泡间液相较厚，气体扩散和液膜 c-职 (2) 粘弹性效应所起的作用很小，重力作用下的排 G具有表面张力的量纲.表面张力σ促使 液是球状泡沫转型的主要驱动力，而粘滞力则 泡沫破灭；G阻碍泡沫的破灭，可以用量纲为 表现为阻碍排液进行的阻力.所以，对演化阶段 一的因子Sa(即surface activity)来表征这2种作 I影响最大的物性参数是密度和液体体相粘度， 用的比值： 由于伽利略数Ga表征了液体的重力与粘滞力 Sa-Gslo (3) 的比值，可以用G和数来定性判断球状泡沫演 Sa越大，则多面体泡沫越稳定.各个物性参数 化（转型）的快慢.Ga数越大，则球状泡沫演化 对泡沫演化过程的影响，定性地在表1中列出. (转型)越快.Ga数为： Ga=Ipig (1) 3冶金熔体泡沫衰减机理 其中，p为液体密度(kgm),g为重力常数(m/ 由表2可以看出，冶金熔体的Ga数和因子 s2),4为液体粘度(Pas),l是特征长度(m),这 Sa都很小，而常温溶液的却很大，所以，冶金熔 里取为1mm,不影响结果的比例关系.对于多 体中形成的球状泡沫，可以存在较长时间而不 表1液体性质对泡沫化影响的定性分析 Table 1 Influence of properties of liquid on foaming qualitatively 对球状泡沫演化的作用 对多面体泡沫衰减的作用 宏观性质 效果 机理 效果 机理 越低越有利于 表面张力 驱使薄液膜中液体 起泡 形成新表面的能量小 越高衰减越快 流向Plateau沟 表面张力梯度 其值大使排液困准，Marangoni (表面粘弹性) (不明确) 越高越稳定 效应发挥表面自修复功能 密度 越高演化越快 重力为排液驱动力之一 越高衰减越快，不明显 因为薄液膜中液体总质量很小 体相粘度 越高越稳定 越大排液阻力越大 不明确 表2与泡沫化相关的液体性质的数量级 Table 2 The order of magnitude of the properties of liquid relative to foaming 经典常温 冶金熔体 宏观性质 溶液 熔渣， 熔融金属液 典型体系 水 FeO Na:B,O, 熔融纯铝增粘铝液◆ 表面活性物质S 油酸钠 P:O B03 Bi Mg 5.94×10: 6×10-2 0.144 1×102 1×10-2 表面张力/纯液体 2 580 180 700 840 mN.m 加入S后 25 410 108 460 680 Gs/mN.m 7.91×10 2.83×103 5×102 2.4×10 1.6×10 Sa 3.16×10 4.88 2.78 34.3 19.0 p/kg-m' 1000 3500 2370 2400 2400 。μl/Pas 1×10-3 0.1 0.174 1×10-3 5.47 Ga数 9.8×101 12 1.8 5.6×10 1.9x103 注：*增粘铝液的粘度是本文作者用旋转法测得的结果，测试方法与结果将另文发表北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 验 ; (5 ) 熔融 铝合 金 实验 . 其结 果证 实无论 是 在 水溶液 中 , 还是 冶 金熔体 中 , 都存 在球状泡沫 向 多 面体 泡 沫 的转型 〔6] . 2 泡沫 演化 的控制 因素 影 响 泡沫稳 定 性 的因 素有排液 作用 、 气 体 透过液 膜 的扩 散 、 液膜 粘弹性 效应等 〔7〕 . 对 于 球 状泡 沫 , 由于 气泡 间液相 较厚 , 气 体扩散和 液膜 粘弹性 效应 所起 的作用 很小 , 重 力作用 下 的排 液 是球 状泡沫 转型 的 主 要 驱 动 力 , 而 粘滞 力则 表现为 阻碍排液进 行的阻 力 . 所 以 , 对演化阶段 I 影 响最 大 的物 性 参数 是 密 度 和 液体体相 粘度 , 由 于伽 利 略数 G a 表征 了 液体 的 重 力与粘滞 力 的 比值 ! 别 , 可 以 用 G a 数 来定性判 断 球状泡沫 演 化 ( 转型 ) 的 快 慢 . G a 数越大 , 则 球状泡沫 演 化 ( 转 型 ) 越 快 . G a 数 为 : 面 体泡沫 , 由于 液膜 很薄 , 重力不 再是 排液作 用 的 主 要 驱动 力 , 而表面 张 力 促使液膜 中的液 体 流 向 lP at ea u 区域 `7] . 阻 止 液膜 继续变薄 的因 素 是 液膜 的 表面 粘弹性 `头 ’ 0] . 液膜 的粘弹 性 在 宏 观 上 可 以用 表面 张 力 a 对表 面 活 性 物质的摩 尔分 数 x s 的一 阶偏导数 的绝对值偏摩尔表面张力 sG 来表 示 〔’ ` , , 即 己a 剥 ( 2 ) G 、 具 有表 面张力 的 量 纲 . 表面 张 力 。 促 使 泡沫破 灭 ; G 、 阻碍泡 沫 的破灭 , 可 以用 量 纲 为 一 的 因 子 aS ( 即 sur fa ce ac t i vi yt ) 来表征 这 2 种 作 用 的 比 值 : aS = G S a/ (3 ) aS 越 大 , 则 多面 体泡沫 越稳 定 . 各 个物性 参数 对泡沫演化 过程 的 影 响 , 定 性地在表 1 中列 出 . G 。 一 互茗 ( l ) 其 中 , p 为 液体 密 度 ( k留m , ) , g 为重 力 常数 ( m / s , ) , 户 为液 体粘度 ( P a · s ) , l 是特征 长 度 ( m ) , 这 里 取 为 l m m , 不 影 响 结 果 的比例 关系 . 对 于 多 3 冶金熔体泡沫衰减机理 由表 2 可 以看 出 , 冶 金熔体 的 G a 数和 因 子 aS 都很 小 , 而 常温溶 液的 却 很 大 . 所 以 , 冶 金熔 体 中形 成 的球状 泡沫 , 可 以存在较长 时 间而 不 表 1 液体 性质 对 泡沫 化影 响 的定性 分析 aT b l e 1 I n fl u e n e e o f P r o P e r t i e s o f li q u id o n fo a m i n g q u a l it a t iv e ly 宏观 性质 对球状泡沫演化 的作用 对多面体泡沫衰减 的作用 效果 机理 效果 机理 表面张力 越低 越有利于 起 泡 形成 新表面的能量小 越 高衰减越快 驱使薄液膜 中液体 流 l句P lat e a u 沟 表面张力梯 度 (表面粘弹性 ) (不 明确 ) 越 高越稳 定 密度 越高演化越快 重力为排液驱动力之一 越高衰减越快 , 不 明显 其值 大使排液 困难 , M ar an g on i 效应发挥表面 自修复功 能 因为薄液膜中液体总质量很小 体相粘度 越 高越稳定 越大排液阻力越大 不明确 表 2 与泡沫 化相 关 的液体 性 质 的数 量级 aT b l e 2 T h e o r d e r o f m a g n i t u d e o f th e P or P e r t i e s o f li q u i d er l a t i v e t o fo a m i n g 宏观性质 冶金熔体 熔 渣 ” 川 熔融金属液 典型 体系 表面活性物质 X s 表面 张力/ m N · m 一 l G s /m N . m 一 aS 户/k g · m , 尸/ P a · s G a 数 纯液体 加入 S 后 经典常温 溶液189 水 F e o 油酸钠 P Z O S 5 . 9 4 x 10 一 2 6 x l o 一 2 7 2 5 8 0 2 5 4 1 0 7 . 9 1 x 1 0 5 2 . 8 3 x 1 0 3 3 . 1 6 x l o 本 4 8 8 1 0 0 0 3 5 0 0 1 x 10 一 3 0 . 1 9 . 8 x 1 0 一 〕 12 N a Z B 4 O 7 B : 0 3 0 . 14 4 1 8 0 1 0 8 5 x 1 0 2 2 . 7 8 熔融纯铝 116] B i 1 x l o 一 2 7 0 0 4 6 0 2 3 7 0 0 . 17 4 2 . 4 x 1 0 4 3 4 , 3 2 4 0 0 1 x 10 一3 5 . 6 x 10 4 增粘铝液 * M g 1 x 10 一 2 8 4 0 6 8 0 1 . 6 x 10 4 19 . 0 2 4 0 0 5 . 4 7 1 . g x l o 一 3 注 : * 增 粘铝 液 的粘度 是 本文 作者 用旋转 法测 得 的结 果 , 测 试方 法与 结果将 另 文发表