D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.02.00M 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 冶金熔体泡沫演化中的转型 牛强储少军吴铿杨天钧 北京科技大学治金学院北京100083) 摘要通过理论分析和实验验证，证实治金熔体泡沫演化过程中存在由球状泡沫到多面体 泡沫的转型.泡沫转型前的演化速率可由伽利略数G定性判断，而泡沫转型后的多面体泡沫 破灭阶段，可以用量纲为一的因子S来定性判断.应用泡沫转型理论，解释了治金熔体与常温 溶液泡沫衰减过程机理的差异，也给出了内生气源更容易发泡的原因. 关键词泡沫；泡沫转型：冶金熔体；泡沫衰减 分类号T℉01；0648.24 对冶金熔体的泡沫化问题，已经进行了一 泡沫层的离析：(3)气泡互相作用变形，形成多 些重要的理论研究习，但至今，对下面这个基本 面体泡沫；(4)泡沫排液到体相；(5)液膜破裂， 现象尚未得到令人信服的理论解释：冶金熔体 导致气泡兼并，这里所指的体系是常温溶液. 与常温溶液的泡沫化程度有着巨大的差异，无 Walstra并未进一步指明转型在泡沫演化中的作 论是发泡能力还是泡沫的稳定性，治金熔体都 用 要比常温溶液小几个数量级).另外，实验室和 冶金熔体中，通常首先生成的是球状泡沫， 工业生产中发现，由于化学反应或相变产生的 从化学反应或相变产生气体引起发泡的内生气 气体导致内生气源发泡时，熔渣能剧烈起泡，并 源发泡来说，初始气泡的生成是一个新相的形 且泡沫长时间不消散.这说明，不同的溶液体系 核过程.这个过程中气泡的产生遵循相应的热 和不同的气体产生方式所导致的泡沫化机理可 力学规律，最初生成的细小气泡可被视为一个 能是不同的. 刚性的球，不与其他气泡发生相互作用，并在液 本文提出了冶金熔体泡沫转型的概念，并 体中的运动也是相对自由的，众多密集的这种 用冷态模拟实验和高温实验验证，应用这个理 小气泡就形成了球状泡沫.对于鼓泡的外生气 论对冶金熔体泡沫衰减动力学过程进行定性描 源发泡来说，气泡在喷嘴上刚刚脱离后也是独 述，为冶金熔体熔体泡沫化理论提供新的研究 立的和自由运动的球状气泡.密集的球状小气 思路和方法，并且在此基础上建立起更完善的 泡在上升的过程中逐渐长大，同时气泡之间的 泡沫化动力学理论 厚层液相在重力作用下排液，使得气泡之间的 液相变薄，最终，气泡的长大和排液的进行使得 1冶金熔体泡沫的转型及验证 气泡之间只剩下一层薄液膜，而气泡由于液膜 泡沫可分为2种类型：球状泡沫和多面体 的牵制而无法自由运动，这样，球状泡沫就转型 泡沫，球状泡沫可在液体中自由运动，气泡间液 为多面体泡沫.泡沫是热力学不稳定体系，无论 相较厚；多面体泡沫的气泡间由很薄的液膜分 球状泡沫还是多面体泡沫，都会向着降低体系 隔，气泡不能自由运动. 能量的方向变化.多面体泡沫比球状泡沫有较 Walstra指出，泡沫一经形成，将经历如下 低的液体位能.这样，泡沫的整个演化过程是分 演化：(1)由于气体通过连续相的扩散，使得小 两个步骤进行的：第1步是球状泡沫转变为多 气泡溶化，而大气泡长大，该过程称为歧化或 面体泡沫，就是泡沫的转型，称为步骤I;第2步 Ostwald成熟；(2)气泡快速聚结，造成液层上方 才是多面体泡沫的破灭，称为步骤Ⅱ. 为了验证泡沫转型进行了5种实验：(1)外 1999-12-24收稿牛强男，29岁，博士生 生气源冷态模拟实验：(2)内生气源冷态模拟实 *国家自然科学基金资助课题(No.59574026) 验：(3)外生气源熔渣实验：(4)内生气源熔渣实第 2 2 卷 第 2 期 2 0 0 0 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n vi e r s iyt o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij i n g V 6 1 . 2 2 N o . 2 A P . r 2 0 0 0 冶金熔体泡沫演化 中的转型 牛 强 储少军 吴 铿 杨天钧 北京科技大学冶金学院 北京 x0 0 0 83 ) 摘 要 通 过理 论分 析和 实验 验 证 , 证实 冶金熔 体 泡沫 演化 过程 中存在 由球状 泡沫 到 多面 体 泡 沫 的转 型 . 泡沫 转 型前 的演 化速 率可 由伽 利 略数 aG 定 性判 断 , 而 泡沫转 型后 的 多面 体泡沫 破 灭 阶段 , 可 以用量 纲 为一 的 因子 aS 来 定性 判断 . 应用 泡沫 转 型理 论 , 解释 了冶 金熔 体 与常温 溶 液 泡沫 衰减 过程 机 理 的差异 , 也给 出 了 内生气源 更容 易 发泡 的原 因 . 关 键 词 泡 沫 ; 泡沫转 型 ; 冶金 熔体 ; 泡沫 衰减 分 类 号 T F 0 1: 0 6 4 8 . 2 4 对 冶金熔 体 的泡沫 化 问题 , 己经 进行 了 一 些 重要 的理论研 究 “ , ” , 但 至今 , 对 下 面这个基本 现 象 尚未得 到 令人信 服 的理 论解释 : 冶 金熔 体 与 常温 溶液 的 泡沫化 程度有着 巨大 的差 异 , 无 论 是 发泡 能力还是 泡沫 的稳 定性 , 冶金熔体 都 要 比 常温溶 液小几个 数量级 `3] . 另外 , 实验室 和 工 业生 产 中发现 , 由于 化 学反 应或 相 变产 生 的 气体导 致 内生 气源 发泡时 , 熔 渣能 剧烈 起泡 , 并 且 泡沫长 时间不 消散 . 这 说明 , 不同 的溶液体系 和 不 同 的 气体产生 方式所导 致 的泡沫化机 理 可 能 是 不 同 的 . 本 文提 出 了冶金熔 体泡沫 转型 的概 念 , 并 用冷态 模拟 实验和 高温 实验验 证 . 应 用 这个理 论对冶金熔 体泡沫衰减动 力学过程进行 定性描 述 , 为冶 金熔 体熔 体泡沫化 理 论提供 新 的研 究 思 路和 方法 , 并 且 在此基础 上建立起 更完善 的 泡 沫化 动力 学 理论 . 1 冶金 熔体泡 沫的转型及验证 泡沫 可分 为 2 种 类型 : 球 状泡 沫和 多面体 泡沫 . 球状泡沫可在液体 中 自由运 动 , 气泡 间液 相 较 厚 ; 多 面 体泡沫 的 气泡 间 由很薄 的液膜分 隔 , 气泡 不能 自由运动 . Wa l s atr 〔4」指 出 , 泡沫一 经形成 , 将经 历 如下 演化 : ( 1) 由 于 气体通过 连续相 的扩散 , 使得小 气泡溶 化 , 而 大气泡长 大 , 该过程称 为 歧 化或 O s wt al 户成 熟 ; ( 2) 气 泡快速聚 结 , 造成 液层 上 方 19 99 一 12 一 2 4 收稿 牛 强 男 , 2 9 岁 , 博 士生 * 国家 自然 科学基 金 资助课 题 ( N o . 5 9 5 74 02 6) 泡沫 层 的离析 ; ( 3) 气泡 互 相 作用 变 形 , 形 成 多 面 体 泡沫 ; ( 4) 泡 沫排液到 体 相 ; (5 ) 液膜 破裂 , 导致 气泡 兼并 . 这 里 所指 的体系 是 常温溶液 . Wa l s tr a 并未进一 步指明 转型 在泡沫演化中的作 用 . 冶金熔体 中 , 通 常首先 生 成的是 球状泡沫 . 从 化学 反应或相变产 生气体 引起 发泡 的 内生气 源发 泡来说 , 初始气 泡 的 生 成 是 一 个新相 的形 核过程 「5] . 这个过程 中气泡的产生遵 循相应 的热 力 学 规律 , 最初生 成 的 细 小气泡 可 被视为 一 个 刚 性 的球 , 不 与其他气泡 发生 相 互 作用 , 并在液 体 中的运动也 是相 对 自由 的 , 众 多密集的 这种 小气泡 就 形 成 了 球状泡 沫 . 对于 鼓 泡 的外 生 气 源发泡 来说 , 气 泡 在 喷嘴上刚 刚脱 离后 也 是独 立 的和 自由运动 的 球状气泡 . 密 集 的球状 小气 泡在上 升 的过程 中逐渐长 大 , 同 时气 泡 之 间 的 厚 层 液 相 在重力 作用 下 排液 , 使得气泡 之 间 的 液相 变薄 , 最终 , 气泡 的长 大和 排 液 的进行使得 气 泡之 间 只 剩下 一 层 薄液膜 , 而 气泡 由于 液膜 的牵 制而无法 自由运动 , 这 样 , 球状泡沫就转型 为多面体泡沫 . 泡沫是 热力学不稳定体系 , 无论 球状泡沫 还是 多面 体泡 沫 , 都会 向着 降低 体系 能量 的方 向变化 . 多面体泡 沫 比球状泡沫 有较 低的液体位能 , 这样 , 泡沫 的整个演化过程是分 两个步骤进 行 的 : 第 1 步是球 状泡沫转变 为多 面体泡沫 , 就是 泡沫 的 转型 , 称为步骤 I ; 第 2 步 才是 多面 体泡沫 的破 灭 , 称为步骤 1 . 为 了验证泡沫 转型 进行 了 5 种实验 : ( 1) 外 生气源冷 态模拟实验 ; ( 2) 内生 气源冷态模拟实 验 ; (3 ) 外 生 气源熔渣 实验 ; ( 4) 内生气源熔渣 实 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 004