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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·