книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

ПРЕДИСЛОВИЕ

В этой книге предпринята попытка показать воз­ можности применения ультразвука в металлургическом производстве — от обогащения металлсодержащих руд до обработки готовых изделий.

Изложение материала подчинено выявлению зако­ номерностей воздействия ультразвука на металлурги­ ческие процессы подчас_ в ущерб описанию технологи­ ческих подробностей.

шенствование ультразвуковой техники может в самом ближайшем будущем ощутимо изменить конструктив­ ное и технологическое оформление различных процес­ сов.

Содержание книги, конечно, не исчерпывает всей затронутой проблемы, поскольку применение ультра­ звука в металлургии непрерывно расширяется.

Изложенные в книге примеры применения ультра­ звука в металлургических процессах основаны на об­ ширном материале публикаций, появившихся в послед­ ние годы и отражающих состояние исследований меха­ низма воздействия ультразвука и практическое его при­

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая техника уверенно вторгается в ме­ таллургическое производство.

Обогащение и подготовка руд, плавка и разливка металлов, термическая обработка и пластическая де­ формация, сварка и пайка, очистка и покрытие метал­ лов, прессование и спекание металлических порошков,

тенсифицируются под действием ультразвуковых коле­ баний. Более того, введение в технологический процесс ультразвуковой обработки в ряде случаев является единственным способом получения изделий высокого качества.

Применение ультразвука в перечисленных процес­ сах связано с его активным воздействием на среду и ускорением таких явлений, как диффузия в твердых те­ лах и жидкостях, коагуляция, дегазация, диспергиро­ вание, эмульгирование, сорбция и др. Не менее важно так называемое пассивное применение ультразвука для целей исследования структуры и контроля изделий из металлов и сплавов.

В связи с тем, что в последние годы появилась об­ ширная литература о методах получения и введения в

5

звука» (под редакцией ироф. Л. Д. Розенберга), на этих вопросах мы останавливаться не будем, поясним только встречающуюся в книге акустическую термино­ логию.

Ультразвуком называются распространяющиеся в какой-либо среде (жидкость, твердое тело, газы) упру­ гие волны, которые представляют собой периодически чередующиеся сжатия и разрежения частиц этой сре­ ды с частотой выше 16000 колебаний в секунду (16 кгц), т. е. звуки, которые человеческое ухо, как правило, не воспринимает. Одной из основных харак­ теристик ультразвука является длина волны Я, т. е. расстояние между двумя соседними сжатиями или раз­ режениями, определяемое как частное от деления посто­ янной для данной среды величины скорости звука с, м/сек, на частоту колебаний f, гц:

Я = c/f.

Скорость звука зависит от свойств среды: в более плотной среде упругие волны распространяются мед­ леннее, чем в менее плотной. В то же время упругость среды влияет на скорость звука в противоположном на­ правлении— чем больше упругость среды, тем ско­ рость выше. Для твердых тел скорость звука (ультра­ звука) выражается равенством

где Е — модуль упругости, дин/см2\ (j — плотность, г/см3.

Наличие в среде, где распространяются ультразву­ ковые колебания, чередующихся областей сжатия и разрежения говорит о возникновении избыточного по отношению к атмосферному давлению Р0 и переменно-

6

'о по величине давления звуковой волны. Амплитуда звукового давления Рт меняется по гармоническому закону и измеряется в атмосферах или динах на квад­ ратный сантиметр.

Величина звукового давления связана с мощностью

нии мощного ультразвука звуковое давление достигает десятков атмосфер, т. е. превышает давление слыши­ мых звуковых в десятки тысяч раз.

В металлургических процессах обычно применяют ультразвук с амплитудой звукового давления от 1 до 20—30 ат. И это не предел. За счет создания специаль­

его энергии поглощается за счет нагрева среды. Затра­ ты на поглощение зависят от волнового сопротивления среды, т. е. произведения плотности среды р на ско­ рость звука с.

Связь между развиваемым в среде звуковым дав­ лением и волновым сопротивлением можно легко представить в виде отношения, которое носит название колебательной скорости частиц среды:

v = р т!Р

Колебательная скорость частиц среды в свою очередь есть произведение амплитуды смещения А на круго­ вую частоту со, равную 2nf\

и = А»> — 2 ~ f А.

7

От величины волнового сопротивления среды зави­ сит и значение удельной мощности ультразвука, вво­ димого в ту или иную среду. Чем больше плотность среды и скорость ультразвука, тем более высокую удельную мощность ультразвука можно получить в этой среде.

По аналогии с электрической мощностью интенсив­ ность ультразвука, т. е. мощность N единицы поверх­ ности излучения F, равна половине произведения ампли­ туды звукового давления на колебательную скорость:

Здесь звуковое давление играет роль напряжения, а колебательная скорость— силы тока.

При возбуждении колебаний в твердых телах лег­ че измерить амплитуду смещения излучателя, поэтому выражение мощности можно представить в виде

В жидкости или газе напротив, удобнее мерить зву­ ковое давление Р т, поэтому для этих сред выражение удельной мощности приобретает несколько иной вид:

Известно, что жидкость легко выдерживает боль­ шие давления сжатия и весьма чувствительна к растя­ жению. Уже при давлениях Рт порядка 1—2 ат такая жидкость, как водопроводная вода, начинает «разры­ ваться» с возникновением необыкновенно интересного явления кавитации, играющего важную роль при воз­

8

действии ультразвука на жидкость. Основным законо­ мерностям кавитации посвящены главы I, II, V, X и XI.

При развитии кавитации происходит как бы «раз­ рыхление» жидкости и падение волнового сопротивле­ ния, что затрудняет передачу в жидкость мощного ультразвука.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний необ­ ходимо иметь источник электрической энергии в виде высокочастотного генератора и преобразователь элект­ рических колебаний в упругие колебания.

Для ультразвуковой обработки жидких и твердых веществ повсеместное применение нашли магнито-

новодной системы, оканчивающейся излучателем 3, ко­

звука в материале элемента.

Для ультразвуковой обработки жидкости применя­ ют также гидродинамические излучатели, работающие

9