摘 要：通过水模型实验研究了利用超声波在线检测液态金属中夹杂物的可能性。首先考和比较了不同性质的夹杂物对超声波传播规律的影响，发现当溶液中存在夹杂物时超声波声压减小，超声波的波形也发生明显变化，而且不同性质的夹杂物对超声波的影响也存在较大差异。进一步考察夹杂物浓度和粒径对超声波传播的影响，发现随着夹杂物浓度的增加和粒径的增大，超声波声压逐渐减小，而且声压对上述因素的微小变化反应灵敏。研究表明，利用超声波在线检测液态金属洁净度是可能的。
关键词：应用声学；超声波检测; 电磁超声波; 金属洁净度; 夹杂物; 金属精炼
中图分类号：TB559
钢液的洁净度不高将导致钢坯中大量夹杂物的形成，而过量的夹杂物是许多冶金缺陷形成的直接原因[1]。因此，国内外各大钢厂均采取严格的措施检查钢中各种成分及其分布，这对进一步去除钢中的夹杂物具有重要的理论意义和实践价值。目前，通常采用金相分析法、化学分析法、X 射线晶体结构分析法、X 射线微区分析法、超声波分析法等方法对钢中夹杂物的组成进行研究[2]。传统的检测方法虽然具有成本低、对检验设备要求不高、分析准确等优点，但有一个共同的缺点是需要对被检钢材进行切样检验，检测滞后于生产，无法将检测信息及时地反馈于生产现场。检测出的成分或组成不合格的钢材只能作为劣质品或废品处理，造成不可避免的经济损失。在线检测液态金属洁净度，可以克服以上弊端，为改进钢的冶炼工艺，提高钢的质量提供重要的依据。
另一方面，在金属冶炼过程中，对液态或凝固过程中的金属施加超声波作用可以达到对金属液进行脱气、去除夹杂物、提高反应速度、促进凝固组织细化等明显的冶金效果[3-6]。但是，超声波在冶金生产的高温环境中实际应用还存在一定的困难，如何将超声波导入金属熔体成为亟需解决的重点问题[7]。若将超声波探头直接插入金属液中，会使探头受热熔化损坏而引起金属污染；而将超声波作用于液面上部时，由于超声波在空气和金属交界面上的反射造成利用效率低。近年来，作者等利用高频磁场和静磁场的叠加、高频交流电和静磁场的叠加、交变磁场的单独作用都在金属液内直接产生了电磁超声波[8-11]。研究表明，通过对金属液局部施加高频电磁力的作用，在金属液全场范围内生成电磁超声波是可能并可行的，这为超声波在冶金行业的应用提供了可能。在以往研究的基础上，作者提出了利用电磁超声波对液态金属洁净度进行在线检测的新思路。本文利用水模型模拟实验探索了利用超声波在线检测金属液中夹杂物的可行性，为电磁超声波的实际应用寻找理论依据。
1. 实验
钢液中的夹杂物从大的方面可分为非金属夹杂物和异性金属夹杂物，其中常见的是非金属夹杂物。实验在考察了不同性质夹杂物对超声波强度和波形影响的基础上，进一步探讨了夹杂物的粒径、浓度变化对超声波传播规律的影响。由于目前在高温液态金属中直接进行研究是极其困难的，因此实验采用水模型模拟法。条件实验均采用单因素法，对比条件改变后被考察指标的实验结果，逐个确定每个因素对超声波传播的影响。
实验分为实验一和实验二两部分。实验一研究不同性质夹杂物对超声波传播规律的影响。实验以相同孔径、丝径的铁丝网和塑料网（均为14 目）的节点近似模拟大小、形状完全相同或者相似的不同夹杂物，并通过改变网的层数来改变夹杂物数量的变化。为防止溶液中气泡对实验结果的影响，实验选取去离子软化水作为实验溶液。实验二研究夹杂物的粒径和浓度对超声波传播的影响，考察在相同粒径不同浓度、相同浓度不同粒径的夹杂物条件下超声波的变化规律。选用齐鲁石油化工塑料厂生产的高密度聚乙烯塑料颗粒模拟夹杂物，其牌号为DGDA6098，密度为937 kg/m3。将聚乙烯塑料颗粒分别通过16~18 目、40~60 目、60~80 目的不锈钢筛子，分别得到粒径为1~1.25 mm、0. 28~0. 46 mm、0.18~0.28 mm 3 种颗粒。为使颗粒在溶液中能形成悬浮溶液，本实验采用无水乙醇和去离子软化水配制成与颗粒相同密度的实验溶液。
水模型实验装置如图 1 所示，内径为45 mm 的有机玻璃容器中装有深度为110 mm 的水溶液，超声波通过直径为38 mm 的换能器从容器底部导入。然后将水听器沿着容器中轴线垂直插入溶液，分别固定在距底部47 mm 或79 mm 处的位置后，通入频率为32.5 kHz 和42.5 kHz 超声波，通过示波器记录超声波通过不同性质夹杂物和不同浓度、不同粒径的夹杂物后的压力及波形的变化。另外，中国科学院声学研究所研制的UG-Ⅲ型超声波发生器由超声频电功率发生器和压电超声换能器组成，可产生频率范围为10-100 kHz 的超声波，而且超声波换能器可以通过适当的连接部件与实验容器耦合在一起。值得注意的是，实验一将1个直径为45 mm，厚为0.15 mm，高为20 mm 的薄铜环放在容器底部，以使模拟夹杂物水
平固定于溶液中。实验二则去掉容器中的铜环，将预先配置好的悬浮液直接倒入容器中。
2. 实验现象和分析
2.1 不同性质夹杂物对超声波传播的影响
首先采用 20 目的不锈钢筛网模拟夹杂物。在超声波频率为42.5 kHz，探头距超声波发射面为47 mm 的实验条件下，超声波通过夹杂物后的压力变化结果如图2 所示。由图中可知，随着金属网的层数即夹杂物数量的增多，探测到超声波的相对声压逐渐减小。这可能是由于超声波在溶液中传播时遇到障碍物同时发生反射、折射、衍射以及被周围介质吸收等现象造成的。另一方面，如图3 所示，当溶液中存在夹杂物时超声波的波形也发生较大变化，而且夹杂物越多，波形的变化越明显。为了比较夹杂物的性质对超声波的影响效果的差异，采用14 目且丝径一致的不锈钢筛网（夹杂物a）和塑料筛网（夹杂物b）分别模拟不同夹杂物。在超声波频率为42.5 kHz，探头距超声波发射面为47 mm 的实验条件下，超声波压力随夹杂物的变化而变动的实验结果如图4 所示。由图可知，夹杂物数量的增加都导致超声波强度减弱；超声波穿过夹杂物a 比穿过夹杂物b 衰减得慢。而且，实验还发现，当溶液中存在夹杂物b 时超声波波形的变化程度要比夹杂物a 的大。
2.2 夹杂物的粒径和浓度对超声波传播的影响
当超声波频率为 32.5 kHz，探头距超声波发射面为47 mm 时，超声波随粒径为0.18~0.28mm 的聚乙烯塑料模拟夹杂物的浓度变化的实验结果如图5 所示。从图中可以看出，超声波的相对声压随着颗粒浓度的增加而减小；而且当夹杂物浓度变化时，超声波相对声压在夹杂物粒径相同的情况下随着浓度的变化可能是非线性的。在超声波频率为 32.5 kHz，探头距超声波发射面为79 mm 的实验条件下，当夹杂物浓度（重量比）为0.031％时夹杂物粒径的变化而引起的超声波强度变动的实验数据如图6 所示。从图中可以看出，相同夹杂物浓度的情况下，超声波声压随着粒径的增大而减小。另外，因夹杂物浓度过小，超声波波形并无明显的变化，这与前面实验一的结果有明显的差别。
3. 结论
通过水模型模拟实验，考察并对比了溶液中不同夹杂物对超声波传播规律的影响，对夹杂物粒径和浓度变化对超声波传播的影响也着重进行了考察，得到如下结论：
(1) 溶液中存在夹杂物时，超声波的强度都减小，波形也发生较大变化。当溶液中存在相同浓度、相同粒径的不同夹杂物时，超声波的衰减程度不同。
(2) 粒径相同的情况下，超声波的强度随着夹杂物浓度的增加呈非线性减小；浓度相同时，超声波声压随着夹杂物粒径的增大而减小，而且超声波对夹杂物浓度和粒径的变化反应灵敏。
以上的研究表明，可以根据超声波压力和波形的变化得出金属液中夹杂物的种类、大小和数量，因此利用超声波检测液态金属中金属及非金属夹杂物是有可能的。但是，需要指出的是，在实际应用中，需要对液态金属和夹杂物的种类和特性进行深入分析和比较。该研究为将来利用电磁超声波在线检测液态金属洁净度的研究提供了重要依据。
参考文献略