1超聲波的作用機理

超聲波具有以下四個基本特性[1]:第一,束射特性。超聲波波長短,可以集中成一束射線;第二,吸收特性。超聲波在空氣、液體和固體中均會被吸收。空氣中的吸收最強烈,固體中的吸收最微弱;第三,高功率。由于頻率高,超聲波的功率比聲波大得多,它不僅能使所作用的介質產生急速運動,甚至會破壞其分子結構;第四,聲壓作用。聲波振動使物質分子產生壓縮和稀疏作用,這種由于聲波振動引起的附加壓力現象叫聲壓作用。超聲波在提取冶金過程中應用的主要是功率超聲。功率超聲可以強化冶金過程的原因是:溶液中存在有溶解的一些氣體,在超聲波的作用下形成所謂的空化現象,當這些微小的氣泡破裂時,產生瞬間的高溫(>5000K)高壓(>5×107Pa),形成所謂的“熱點”,對化學反應起到非常明顯的加速作用,同時高能超聲形成的大量空化氣泡在超過一定值的聲壓下發生崩潰并產生激波,將已結晶長大的晶粒打碎,使晶粒得到細化。另一方面超聲波使液體出現湍流的力學特性,降低擴散阻力,同時對破壞邊界層,加速傳質、傳熱,促進微細顆粒的彌散起到了關鍵作用[2]。超聲振動的高能量及其它的特殊效應,還可極大地提高振動對凝固的作用效果[3]。超聲波在液體中傳播時,液體分子受到周期性交變聲場的作用,產生聲空化、聲流效應及力學機制,引起熔體中流動場、壓力場和溫度場的變化,從而產生一些特殊的效果。在高溫操作中,高功率超聲波可用于熔體金屬的迅速脫氣[4]。實際上超聲波對于任何中等粘度的液體的脫氣幾乎都適用[3]。在含水系統中脫氣效果特別迅速,它能除去溶解的任何氣體,使水溶液中的氣體降到很低的水平。超聲波脫氣對于要求迅速和受控制的除去系統中氣體的場合,會得到很好的效果。根據上述機理,超聲波可改善熔融液在冷卻凝固時的流動性,能夠提供有效的結晶體,從而也可改善金屬熔體的質量。

2超聲波在冶金中的主要應用

2.1強化浸出過程

李俊[5]論述了濕法冶金過程中常見的三種浸出情況,并對超聲波用于硫酸浸出氧化銅的過程進行了探討。在浸出過程中施加超聲影響的實踐中,引用奧羅夫(Orlov)做了帶超聲波和不帶超聲波機械攪拌硫酸浸出氧化銅的對比研究,結果表明,達到相同的浸出率時,不用超聲的浸出時間約為用超聲的浸出時間的12倍。K.SarveswaraRao等[6]作了相關的試驗研究,結果表明,超聲波對從氧化銅礦石中的氨浸有著正的效應。在溫度298K、粒度-300～+150μm,氨濃度2.0mol/L,含固量10g/L的條件下,超聲波可使銅浸出率從70%提高到90%。與機械攪拌浸出相比,使用超聲波可使浸出時間縮短近5/6,同時也使試劑消耗減少。對于相同的顆粒礦石,超聲波不僅強化了浸出速率,也提高了銅的浸出率。結果還表明,在其它條件相同時,間歇式超聲波(脈沖超聲波)的效果優于連續式超聲波。范興祥[7,8]等人研究超聲波強化草酸浸出氧化鋅精礦過程。在試驗條件下,用超聲波輻射浸出氧化鋅精礦同機械攪拌相比,浸出率有很大的提高。機械攪拌20min,氧化鋅精礦浸出率僅58.12%,超聲波輻射20min,浸出率則達90.24%,提高了32.12%;鋅浸出率隨輻射時間延長而提高;超聲波輻射強度提高,輻射時間一定時,浸出率提高,浸出率相同時,浸出時間縮短。劉彬等人[9]引入超聲處理技術強化鐵鹽浸出黃銅礦這一新穎研究方法。在相同浸出條件下,用超聲波處理后,銅的浸出率提高,平均提高幅度在5%～10%,不但有效地縮短浸出反應時間,而且顯著的提高銅的浸出率。趙文煥[10]等利用超聲波進行銀精礦中金銀的氰化浸出小型試驗和擴大試驗,結果表明超聲波浸出法具有金銀浸出率高、浸出時間短、氰化鈉單耗低等優點,在最佳試驗條件下,金銀浸出率分別為97%～99%和95%～96%,浸出時間只是常規氰化浸出時間的1/2,氰化鈉單耗降低10kg/t。王少芬[11]等人將超聲波在硫化礦發電浸出過程中的應用進行了一定程度的研究。為了強化發電浸出過程,有效地提高輸出電流、電壓及金屬離子的浸出率,將超聲波引入到硫化礦與二氧化錳的同時發電浸出過程。在實驗條件下,每次啟動超聲裝置20min,直至浸出約10h。在超聲場作用下,輸出電流和電壓都有明顯上升,采用超聲強化比未強化處理的浸出液,由于硫化礦浸出電極在超聲條件下的極化程度減弱,獲得了更大的輸出電流和輸出電壓,從而獲得了更高的浸出率。K.M.Swamy等[12]研究了在有超聲和無超聲的情況下,用尼日爾黑曲酶屬菌種浸出印度奧里薩幫紅土礦。在最佳工藝參數,如孢子濃度,葡萄糖用量,礦漿濃度,超聲波降解時間條件下,無超聲波時,浸出20d,鎳的浸出率為92%;用43kHz,1.5W/cm2超聲處理30min后,在孢子濃度為106個/mL和葡萄糖濃度為2%條件下浸出14d,鎳的浸出率高達95%。并且在超聲波作用下,鎳的浸出效果比鐵的浸出效果好。

2.2提高單元操作速率

嚴偉[13]等人主要介紹了超聲波在協助萃取領域內的發展和應用情況。在相同傳質領域里,用超聲波強化最多的是液固萃取。高頻和低頻都能強化萃取,但低頻時達到同樣的強化程度小于高頻。超聲波產生的脈動和控制的空化作用可以大大增加湍流強度及相接觸面積,從而強化傳質。BatricPesic[14]等在用Kelex100溶劑萃取鎵并用超聲波處理人工合成溶液和工廠的實際溶液時發現,超聲波的作用使鎵的萃取速率提高了15倍,所采用的超聲波頻率為20kHz,聲強為19W/cm2。試驗發現,在超聲波作用下,溫度對鎵的萃取速率沒有影響,而通常的萃取過程中,溫度升高對提高萃取速率是有利的。趙洪力[15]采用自行設計的實驗裝置進行了用超聲波技術處理含“薄膜鐵”天然硅砂的試驗,結果證明,在處理10min時,除鐵率一般可達46%～70%,與同樣條件下機械擦洗相比高出15%～45%;處理時間只需1～5min即可達到機械擦洗10～15min所達到的效果,處理時間可縮短2/3以上。Romanteen[16]等研究了在600～800℃范圍內CO還原PbO的動力學。當聲壓升至15.8Pa,600℃時,PbO的還原速率增加了15%～25%,升至800℃時還原速率增加了2倍;同時還發現聲波頻率<6.6kHz時對PbO的還原速率沒有影響。

2.3在復合材料制備中的應用

馮海闊[2]等人討論了超聲波在顆粒增強金屬基復合材料制備過程中的應用。超聲波在此過程中的主要作用,是改善顆粒與合金液潤濕性及顆粒分散的均勻性。通過總結超聲分離技術的機理及研究現狀,提出一種很有發展潛力的采用超聲分離技術制備顆粒增強金屬基表面復合材料的新方法。王俊等[17]采用高能超聲復合法制備了致密度高、增強顆粒均勻分散的SiC顆粒/ZA22復合材料,其內部沒有氣孔或顆粒偏聚等缺陷。認為在試驗所用高能超聲處理條件下,熔液中產生的瞬時局部高溫、高壓的聲空化效應與具有高的速度和加速度的聲流效應的協同作用,是改善增強顆粒與基體合金潤濕性、并使顆粒在合金中均勻彌散分布的主要原因。潘進等[18]用功率超聲波施加于金屬熔體中,可以在極短時間內實現纖維與金屬的復合,制備出了高性能復合材料。液態金屬在超聲作用下能滲入顆粒預制件中或與顆粒均勻混合。超聲浸鍍可以實現鋼絲鍍鋅、鍍鋁。方孝春[19]結合超聲波理論和作用及高速電鍍理論,對鐵基粉末冶金件鍍鎳的傳統工藝與新工藝進行了試驗對比。經過超聲波清洗的鍍件基體與鎳層結合力明顯提高;封孔處理可降低鍍層孔隙,耐蝕性能提高;鍍層封閉劑R處理后可有效填充和封閉鍍層孔隙,阻擋腐蝕電池的產生,從而提高單層鍍鎳層的防護性能和品質。

2.4細化晶粒

孟麗華[20]研究了超聲波處理時間對工業純鋁鑄錠結晶組織的影響,分析了超聲波對工業純鋁結晶組織影響的原因。研究結果表明,采用超聲波方法處理熔體后,鑄錠的細化率大幅度提高,可使整個鑄錠斷面均為微細化的等軸晶組織,過剩的超聲波振動將導致鑄錠細化率的下降。該實驗從某種意義上證明了超聲波振動的細化效果是來自于動態形核機制。胡松青[21]在熔融金屬的冷卻過程中導入超聲波獲得了較小的晶粒,并且在超聲波的作用下,形成的晶核進入振動狀態,從而加速生長過程。對碳鋼的超聲處理表明,它可使晶粒尺度從200μm減少到25～30μm,碳鋼的延展性增加30%～40%,機械強度提高20%～30%。對金屬鋅冷卻結晶的研究表明,超聲處理可使其臨界切變應力強度提高80%,而且,在頻率為25kHz、強度為50W/cm2的超聲波作用下,金屬鋅的晶形由圓柱形改變成均勻的六角形。Gomes等[22]認為,在NaOH溶液中,用超聲波處理鋁土礦可以提高微擾作用和提高礦石顆粒的溶解速率,然后再用超聲波處理溶液,可使溶液中的固體顆粒沉降分離速度加快;用超聲波處理加晶種的鋁酸鈉溶液可以提高分解速率和使晶體生長更均勻。趙忠興[23]在鑄造合金中導入超聲波,并通過硬脂酸和丁二腈在凝固時施加超聲波。結果認為:其周期性的空化和攪拌作用,使合金液的溫度和成分均勻化,細化了鑄造組織,減輕了鑄造合金的宏觀偏析傾向,提高了鑄造組織的均勻性。他們還研究了超聲波對鋁合金結晶過程的影響[24],結果表明:對鋁合金液施加超聲波,以底部導入超聲波為好,可避免氧化夾雜的生成;超聲波施加于鋁合金液,可使其顯微組織明顯細化;超聲波在金屬液內傳導過程中,其聲強度隨傳導距離的增加而衰減。

2.5超聲脫氣、去夾雜技術

用高聲強的超聲波處理液體可以明顯減少液體中溶解的氣體量[2]。該作用已經被用于熔融金屬液的脫氣過程,成為超聲脫氣技術。魯曼里、艾斯瑪赫和玻依奇[25]用超聲波處理了含5%～7%鎂的鋁鎂合金,結果表明,超聲波對熔融金屬中排出氣體的作用很大。超聲彈性振動在幾分鐘內可以使合金完全去氣。白曉清[26]等研究了超聲波對流動液體中夾雜物去除效果的實驗,無超聲波作用下,夾雜物會自然上浮至液體表面并且僅有少量的夾雜物粘附于容器的壁面和底部;在超聲波作用下,夾雜物因凝聚在短時間內容易上浮至液體表面或粘附于容器的壁面和底部。在1.5s和30s時,可以明顯觀察到有超聲波作用的液體更為清澈。SarukhanovR.G[27]等研究了在頻率44kHz、振幅1μm的超聲波作用下錫的結晶凈化過程,結果表明,超聲波改善了雜質元素的分離效果,使Cu、Au、Cr、Ni在錫中的分配系數降低了25%～45%,從而達到使錫精煉的目的。

2.6超聲無損檢測(NDT)技術

陳文革等[28]針對粉末冶金(PM)零件在制備過程中不可避免存在的缺陷(氣孔或裂紋),采用NDT技術對其進行了初步研究。結果表明,超聲無損檢測散射波的波形可在一定程度上反映粉末冶金制品中孔隙的數量和狀態。散射波不明顯時,說明材料的孔隙很小,可能小于超聲波的波長;散射信號雜亂且增強時,說明材料孔隙較多。但散射波與孔隙之間的量的對應關系,因所受影響因素眾多,只能大概反映孔隙的狀況。超聲無損檢測中聲速和材料中的孔隙率有一定的線性關系,聲速的減小代表了材料孔隙的增多,同時在一定程度上也反映了材料的性能。因此,可以用超聲無損檢測技術來評價PM材料的某些性能。從而達到對該類零件實現非破壞性的快速、全面檢測的目的。李軍[29]對不銹鋼復合鋼板超聲波檢測方法進行了闡述。在檢測不銹鋼復合鋼板時,通常選用單晶直探頭局部水浸法從復板一側按照掃查靈敏度進行檢測,一旦發現缺陷波的信號,先將其圈住,再用單晶直探頭的直接接觸法準確劃出缺陷的邊界(確定邊界用缺陷波全波消失法),并按照生產合同技術要求的相關標準,對缺陷是否可以修復做出準確評判。

3結論

(1)超聲波對許多冶金過程確實能起到有效的強化作用。從實際應用的角度來看,現在的超聲波設備普遍存在功率小的問題,不能完全滿足工業化生產的要求,盡快研究出大功率超聲波設備是解決應用問題的當務之急。隨著科技的進步,可以相信在不久的將來,功率超聲在強化冶金過程、復合材料的制備、細化晶粒,脫氣去雜質,檢測等方面的應用將越來越廣闊,發揮越來越重要的作用。

(2)超聲波會導致固體和液體出現“空化現象”。雖然對生物體來說,產生瞬態空化作用時,靠近爆炸氣泡附近的細胞會受到損傷,但一般說來,在人體內大多數器官和生物流體中,損傷少量細胞不會對人體產生危害。

(3)超聲波在我國冶金工業中的應用發展迅速,一方面得益于技術本身的不斷完善,另一方面有超聲波設備生產廠家的支撐,比如深圳市科工達超聲設備有限公司、深圳市時代超聲設備有限公司、寧波海曙金達超聲設備有限公司、北京超聲波明和公司等大型制造廠商,都以生產冶金行業超聲波設備為主。