冶金熔体泡沫演化中的转型

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

·110 北京科技大学学报 2000年第2期 验：(5)熔融铝合金实验.其结果证实无论是在 面体泡沫，由于液膜很薄，重力不再是排液作用 水溶液中，还是冶金熔体中，都存在球状泡沫向 的主要驱动力，而表面张力促使液膜中的液体 多面体泡沫的转型 流向Plateau区域m.阻止液膜继续变薄的因素 是液膜的表面粘弹性.液膜的粘弹性在宏观 2泡沫演化的控制因素 上可以用表面张力σ对表面活性物质的摩尔分 影响泡沫稳定性的因素有排液作用、气体 数x的一阶偏导数的绝对值偏摩尔表面张力Gs 透过液膜的扩散、液膜粘弹性效应等.对于球 来表示w,即 状泡沫，由于气泡间液相较厚，气体扩散和液膜 c-职 (2) 粘弹性效应所起的作用很小，重力作用下的排 G具有表面张力的量纲.表面张力σ促使 液是球状泡沫转型的主要驱动力，而粘滞力则 泡沫破灭；G阻碍泡沫的破灭，可以用量纲为 表现为阻碍排液进行的阻力.所以，对演化阶段 一的因子Sa(即surface activity)来表征这2种作 I影响最大的物性参数是密度和液体体相粘度， 用的比值： 由于伽利略数Ga表征了液体的重力与粘滞力 Sa-Gslo (3) 的比值，可以用G和数来定性判断球状泡沫演 Sa越大，则多面体泡沫越稳定.各个物性参数 化（转型）的快慢.Ga数越大，则球状泡沫演化 对泡沫演化过程的影响，定性地在表1中列出. (转型)越快.Ga数为： Ga=Ipig (1) 3冶金熔体泡沫衰减机理 其中，p为液体密度(kgm),g为重力常数(m/ 由表2可以看出，冶金熔体的Ga数和因子 s2),4为液体粘度(Pas),l是特征长度(m),这 Sa都很小，而常温溶液的却很大，所以，冶金熔 里取为1mm,不影响结果的比例关系.对于多 体中形成的球状泡沫，可以存在较长时间而不 表1液体性质对泡沫化影响的定性分析 Table 1 Influence of properties of liquid on foaming qualitatively 对球状泡沫演化的作用 对多面体泡沫衰减的作用 宏观性质 效果 机理 效果 机理 越低越有利于 表面张力 驱使薄液膜中液体 起泡 形成新表面的能量小 越高衰减越快 流向Plateau沟 表面张力梯度 其值大使排液困准，Marangoni (表面粘弹性) (不明确) 越高越稳定 效应发挥表面自修复功能 密度 越高演化越快 重力为排液驱动力之一 越高衰减越快，不明显 因为薄液膜中液体总质量很小 体相粘度 越高越稳定 越大排液阻力越大 不明确 表2与泡沫化相关的液体性质的数量级 Table 2 The order of magnitude of the properties of liquid relative to foaming 经典常温 冶金熔体 宏观性质 溶液 熔渣， 熔融金属液 典型体系 水 FeO Na:B,O, 熔融纯铝增粘铝液◆ 表面活性物质S 油酸钠 P:O B03 Bi Mg 5.94×10: 6×10-2 0.144 1×102 1×10-2 表面张力/纯液体 2 580 180 700 840 mN.m 加入S后 25 410 108 460 680 Gs/mN.m 7.91×10 2.83×103 5×102 2.4×10 1.6×10 Sa 3.16×10 4.88 2.78 34.3 19.0 p/kg-m' 1000 3500 2370 2400 2400 。μl/Pas 1×10-3 0.1 0.174 1×10-3 5.47 Ga数 9.8×101 12 1.8 5.6×10 1.9x103 注：*增粘铝液的粘度是本文作者用旋转法测得的结果，测试方法与结果将另文发表

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 验 ; (5 ) 熔融 铝合 金 实验 . 其结 果证 实无论 是 在 水溶液 中 , 还是 冶 金熔体 中 , 都存 在球状泡沫 向 多 面体 泡 沫 的转型 〔6] . 2 泡沫 演化 的控制 因素 影 响 泡沫稳 定 性 的因 素有排液 作用 、 气 体 透过液 膜 的扩 散 、 液膜 粘弹性 效应等 〔7〕 . 对 于 球 状泡 沫 , 由于 气泡 间液相 较厚 , 气 体扩散和 液膜 粘弹性 效应 所起 的作用 很小 , 重 力作用 下 的排 液 是球 状泡沫 转型 的 主 要 驱 动 力 , 而 粘滞 力则 表现为 阻碍排液进 行的阻 力 . 所 以 , 对演化阶段 I 影 响最 大 的物 性 参数 是 密 度 和 液体体相 粘度 , 由 于伽 利 略数 G a 表征 了 液体 的 重 力与粘滞 力 的 比值 ! 别 , 可 以 用 G a 数 来定性判 断 球状泡沫 演 化 ( 转型 ) 的 快 慢 . G a 数越大 , 则 球状泡沫 演 化 ( 转 型 ) 越 快 . G a 数 为 : 面 体泡沫 , 由于 液膜 很薄 , 重力不 再是 排液作 用 的 主 要 驱动 力 , 而表面 张 力 促使液膜 中的液 体 流 向 lP at ea u 区域 `7] . 阻 止 液膜 继续变薄 的因 素 是 液膜 的 表面 粘弹性 `头 ’ 0] . 液膜 的粘弹 性 在 宏 观 上 可 以用 表面 张 力 a 对表 面 活 性 物质的摩 尔分 数 x s 的一 阶偏导数 的绝对值偏摩尔表面张力 sG 来表 示 〔’ ` , , 即 己a 剥 ( 2 ) G 、 具 有表 面张力 的 量 纲 . 表面 张 力 。 促 使 泡沫破 灭 ; G 、 阻碍泡 沫 的破灭 , 可 以用 量 纲 为 一 的 因 子 aS ( 即 sur fa ce ac t i vi yt ) 来表征 这 2 种 作 用 的 比 值 : aS = G S a/ (3 ) aS 越 大 , 则 多面 体泡沫 越稳 定 . 各 个物性 参数 对泡沫演化 过程 的 影 响 , 定 性地在表 1 中列 出 . G 。 一 互茗 ( l ) 其 中 , p 为 液体 密 度 ( k留m , ) , g 为重 力 常数 ( m / s , ) , 户 为液 体粘度 ( P a · s ) , l 是特征 长 度 ( m ) , 这 里 取 为 l m m , 不 影 响 结 果 的比例 关系 . 对 于 多 3 冶金熔体泡沫衰减机理 由表 2 可 以看 出 , 冶 金熔体 的 G a 数和 因 子 aS 都很 小 , 而 常温溶 液的 却 很 大 . 所 以 , 冶 金熔 体 中形 成 的球状 泡沫 , 可 以存在较长 时 间而 不 表 1 液体 性质 对 泡沫 化影 响 的定性 分析 aT b l e 1 I n fl u e n e e o f P r o P e r t i e s o f li q u id o n fo a m i n g q u a l it a t iv e ly 宏观 性质 对球状泡沫演化 的作用 对多面体泡沫衰减 的作用 效果 机理 效果 机理 表面张力 越低 越有利于 起 泡 形成 新表面的能量小 越 高衰减越快 驱使薄液膜 中液体 流 l句P lat e a u 沟 表面张力梯 度 (表面粘弹性 ) (不 明确 ) 越 高越稳 定 密度 越高演化越快 重力为排液驱动力之一 越高衰减越快 , 不 明显 其值 大使排液 困难 , M ar an g on i 效应发挥表面 自修复功 能 因为薄液膜中液体总质量很小 体相粘度 越 高越稳定 越大排液阻力越大 不明确 表 2 与泡沫 化相 关 的液体 性 质 的数 量级 aT b l e 2 T h e o r d e r o f m a g n i t u d e o f th e P or P e r t i e s o f li q u i d er l a t i v e t o fo a m i n g 宏观性质 冶金熔体 熔 渣 ” 川 熔融金属液 典型 体系 表面活性物质 X s 表面 张力/ m N · m 一 l G s /m N . m 一 aS 户/k g · m , 尸/ P a · s G a 数 纯液体 加入 S 后 经典常温 溶液189 水 F e o 油酸钠 P Z O S 5 . 9 4 x 10 一 2 6 x l o 一 2 7 2 5 8 0 2 5 4 1 0 7 . 9 1 x 1 0 5 2 . 8 3 x 1 0 3 3 . 1 6 x l o 本 4 8 8 1 0 0 0 3 5 0 0 1 x 10 一 3 0 . 1 9 . 8 x 1 0 一 〕 12 N a Z B 4 O 7 B : 0 3 0 . 14 4 1 8 0 1 0 8 5 x 1 0 2 2 . 7 8 熔融纯铝 116] B i 1 x l o 一 2 7 0 0 4 6 0 2 3 7 0 0 . 17 4 2 . 4 x 1 0 4 3 4 , 3 2 4 0 0 1 x 10 一3 5 . 6 x 10 4 增粘铝液 * M g 1 x 10 一 2 8 4 0 6 8 0 1 . 6 x 10 4 19 . 0 2 4 0 0 5 . 4 7 1 . g x l o 一 3 注 : * 增 粘铝 液 的粘度 是 本文 作者 用旋转 法测 得 的结 果 , 测 试方 法与 结果将 另 文发表

Vol.22N0.2 牛强等：治金熔体泡沫演化是的转型 111· 转型，其稳定性较强，但一旦转型为多面体泡 间只是说明演化的进程. 沫，由于Sα很小，很快衰减破灭.而常温溶液转 型后的多面体泡沫可以存在较长时间，甚至在 Sa很大时，液膜也极其牢固，最后泡沫的消散 常温熔液 竞是依靠气体透过液膜的扩散而进行的.Lem- 1ich21依此建立的数学模型与实验结果甚为吻 合，这样的常温泡沫是极其稳定的.熔融发泡法 0 o'te 制备泡沫铝材料时，如果采用化学纯铝熔化发 泡，无法生成稳定泡沫，因为化学纯铝液体相粘 度很低，造成其Ga数很大，达到10的数量级， 球状泡沫排液很快，生成的泡沫马上转型为多 冶金熔体 面体泡沫；而其Sa的数值很低，转型后的多面 体泡沫也很快衰灭，如表2中数据所示.只有经 o'te 过增粘操作的铝合金熔体，使其粘度增大4个 t信化s 数量级，这时的Ga数很小，只有10-的数量级， 图1泡沫微层演化过程示意图 Fig.1 Schematic diagram of evolution of a foams layer 球状泡沫转型缓慢，形成稳定泡沫，可以制备成 泡沫铝材料 以上讨论了泡沫转型对于已生成的泡沫的 对于一定高度的泡沫柱，球状泡沫的转型 稳定性的影响.此外，泡沫生成方式也对泡沫的 和多面体泡沫的衰减是同时进行的：沿高度方 稳定性有影响.内生气源具有气泡初始直径小、 向从下至上，泡沫老化程度增加，上部形成多面 气泡源在整个熔体体积内弥散分布、气泡初动 体泡沫，下部球状泡沫可能尚未完全转型，故泡 能小等特点.图3显示了硼酸钠基熔盐内生气 沫的衰减是由上至下的.图1概念化地显示了 源泡沫自然冷却后的电镜照片，可以发现是明 泡沫高度方向上一个微层的衰减动力学过程. 显的球状泡沫，而且直径都小于1mm,而外生 泡沫转型时间t.将整个衰减过程划分为2个阶 气源的气泡初始直径则要比内生气源大1到2 段：阶段I由Ga数控制，阶段Ⅱ由因子Sa控制： 个数量级冈.由于气泡初始直径小，所以其上浮 冶金熔体的Ga值小，球状泡沫可以维持较长时 速度慢，因而气泡长大也慢：而初动能小，又使 间，一旦转变为多面体泡沫，则很快衰灭：常温 得气泡上升速度缓慢：再加上气泡源弥散分布， 溶液由于Sa值很大，其多面体泡沫可以维持很 气泡需要先经历较长的球状泡沫阶段，一直到 长时间.图2形象地描绘了治金熔体与常温溶 排液的进行形成很薄的液膜，使得气泡相互牵 液的泡沫在整体上衰减过程的不同，图中的时 制变形，才完成转型阶段.在图1中表示为泡沫 液体 球状泡沫 多面体泡沫 常温发泡溶液 -f- 金熔渣 「 6 图2经典常温发泡溶液与冶金熔体泡沫衰减过程示意图，ae分别表示时间进程 Fig.2 Schematic diagram of decay process of foams in normal solution and in metallurgical melts (Figure a-e shows the procedure of decay)

V b】 . 2 2 N 0 . 2 牛强等 : 冶金 熔体 泡 沫演 化是 的转 型 转 型 , 其稳定 性 较强 , 但 一 旦 转 型 为多面体泡 沫 , 由 于 aS 很 小 , 很快衰减破 灭 . 而 常温溶液转 型 后 的多面体 泡沫可 以 存在较 长时 间 , 甚 至在 aS 很 大时 , 液膜 也 极其 牢固 , 最后 泡沫 的消散 竟是 依靠气体透过液膜 的扩散而 进行的 `gj . L e m - ilc h “ 2] 依此建立 的数学模型与实验结果 【13 甚为吻 合 , 这样 的常温泡沫是 极其稳定 的 . 熔融发泡法 制 备泡沫铝材 料 时 , 如 果 采用 化 学纯 铝熔 化发 泡 , 无法生 成稳定泡沫 , 因 为化学纯铝 液体相粘 度 很低 , 造成 其 G a 数很大 , 达 到 10 5 的数 量级 , 球 状泡沫排 液很快 , 生 成 的泡沫 马 上转 型 为多 面 体泡沫 ; 而 其 aS 的数值很 低 , 转型后 的 多面 体 泡沫也 很快衰灭 , 如表 2 中数据 所示 . 只 有经 过 增粘操 作的铝 合 金 熔体 , 使其粘度 增大 4 个 数 量级 , 这 时的 G a 数很 小 , 只 有 10 一 的数量级 , 球 状泡沫 转型缓慢 , 形成稳 定泡沫 , 可 以制备成 泡 沫铝 材 料 「, 4] . 对于 一 定 高度 的泡沫柱 , 球状泡沫 的 转型 和 多面 体泡 沫 的衰减是 同 时进行 的 : 沿 高度方 向从 下 至 上 , 泡沫 老化程度 增 加 , 上 部形 成 多面 体泡沫 , 下 部球状 泡 沫可 能尚未完全转型 , 故 泡 沫 的衰 减是 由上 至 下 的 . 图 1 概念化地 显 示 了 泡沫 高度方 向上 一个 微层 的衰 减动 力 学过程 . 泡沫转 型 时 间 ct 将整个衰减 过程划分 为 2 个阶 段 : 阶段 I 由 G a 数控 制 , 阶段 n 由 因 子 aS 控制 ; 冶金 熔体 的 G “ 值小 , 球 状泡沫可 以维持较长 时 间 , 一 旦 转变 为多面 体泡沫 , 则很快 衰灭 ; 常温 溶液 由于 aS 值很大 , 其 多 面 体泡沫 可 以维 持很 长 时间 . 图 2 形象 地描绘 了冶金熔 体与常温溶 液 的泡沫在 整体上 衰减 过程 的不 同 , 图中的时 间 只 是 说明 演化 的进 程 . 常温熔液 0 0 ` ct 侧框送契写 冶金熔体 振化 / s 图 1 泡 沫微 层演 化过 程示 意图 F i g . l S e h e m a t i e d i a g r a m o f e v o l u t i o n o f a fo a m s l a y e r 以 上 讨论 了泡沫转型 对于 己生 成 的泡 沫 的 稳定 性 的影 响 . 此外 , 泡沫生 成方式也对泡 沫 的 稳定 性有影 响 . 内生 气源具 有气泡初始直径 小 、 气泡 源在整个熔 体体积 内弥 散分 布 、 气泡 初动 能 小等特 点 . 图 3 显 示 了硼 酸钠 基熔盐 内生 气 源泡 沫 自然 冷却 后 的电镜 照 片 , 可 以发现是 明 显 的 球状泡 沫 , 而 且 直径 都小 于 l m m , 而 外 生 气源 的气 泡初始直径 则要 比 内生 气源大 1 到 2 个 数量级 「2] . 由于 气 泡初 始直径 小 , 所 以其上 浮 速 度慢 , 因 而 气泡长 大也 慢 ; 而 初 动能小 , 又 使 得气 泡上升速度缓慢 ; 再加上 气泡源弥散分布 , 气泡需要 先 经历 较长 的球状泡 沫 阶段 , 一 直 到 排液 的进 行形成很 薄的液膜 , 使得气泡相 互 牵 制变形 , 才完成 转型 阶 段 . 在 图 1 中表 示 为泡 沫 液 体 球状泡沫 多面体泡沫 日 . 是之甲 l杯 卜下 , 不下 1卜- -万 -一下下月 卜~ 下气 {常 卜厂 , _ 一 _ 尸 一 二 一 1 「 - 一 _ 厂 习 ! l 几 ` 、 一 七 一 ” , l 温 L上 几 一止二 二_ 」 卜 - , 一 ` 一 尸 : , 尸 ` 」 I “ , · 书 . , _ I 发 } l二,〕 夕毖 . , 一 下l 卜 卜f 一 丁 ’ _ 、 二丁 一 1 「 、 一 ` { 卜_ 扮 一 寸 _ ! 泡 l百 ,l一目 ’一「 _ · 之异 . ’ 湘 卜多 一 , 一 一 { 卜 l 卜万 、 _ 、 : 一 l 溶 巨里到 声扮州{止川 液 娜瞥肠 冶金熔渣 幽 图 a 2 经 典常 温 圈 发 泡溶 b 液 与冶金 目 熔体 泡 沫 e 衰减 过程 目 示 意图 , a d 一 分别 表 日 示 时 F ig · 2 S e h e m a t i e d i a g r a m o f d e e a y P or c e s s o f fo a m s i n n o r m a l s o l u ti o n a n d i n m e t a Il u (F ig u er a 一e s h ow s t h e P r o e e d u er o f d e e a y ) 间进程 r g i e a l m e l t s

112 北京科技大学学报 2000年第2期 演化过程从0点开始，其寿命较长.而外生气源 沫化较稳定的重要原因之一· 发泡时，初始直径大，气泡脱离孔口时的初动能 参考文献 很大，一般是点面形状的气源分布，使得气泡很 容易上浮在液体上方形成·个多面体泡沫层， 1 Hara S.Kitamura M.Ogino K.The Surface Viscosities and the Foaminess of Molten Oxides.ISIJ International. 在图1中表示为泡沫寿命从。'点开始.对于治 1990.30(9y:714 金熔体来说，这一多面体泡沫层的衰减很快，故 2 Zhang Y,Fruehan R J.Effect of the Bubble Size and 总的泡沫寿命很短. Chemical Reaction on Slag Foaming.Metall Trans B. 1995.26B:803 3储少军，牛强.吴肇.作四通.治金培体泡沫化与常温 溶液泡沫化差异的初步探讨.中国稀土学报，1998.16 (专圳：539 4 Walstra P.Pricinples of Foam Formation and Stability.In: Wilson A J.ed.Foams:Physics,Chemistry and Structure. London:Springer-Verlag.1989.I 5王审，罗经源.物理化学（下册）北京：治金工业出版 社.1982.132 6储少军，吴窄，牛强，杨天钧.治金熔体泡沫分类的研 究.北京科技大学学报.1998.20(1上20 7 DaviesJT.Rideal EK.Interfacial Phenomena.Second edi- 图3内生气源条件下瘤酸盐培渣泡沫的SEM显微照片 tion.New York and London:Academic Press.1963.395 Fig.3 SEM microphotograph of foams in borate melt caus- 8张先棹，治金传输原理，北京：冶金工业出版社，1988 ed by chemical reaction 438.432 4结论 9赵国便。表面活性剂物理化学（修订版。北京：北京 大学出版社，1991.408 治金熔体泡沫演化过程与常温水溶液体系 10 Joseph DD.Questions in Fluid Mechanics:Understanding 相似，过程中存在由球状泡沫到多面体泡沫的 Foams and Foaming.Joumal of Fluids Engineering.1997. 119:497 转型.泡沫转型前的演化速率可由Ga数定性判 11 Niu Q.Chu S.Yang T.et al.An Approach to Slag Foa- 断，而泡沫转型后的多面体泡沫破灭阶段，可以 ming with Aqueous Solution Model.J of Mining and Me- 用一个量纲为一因子Sa来定性判断.Ga数越 tallurgy,1998.34(4B:227 小，表明该种液体的重力对粘滞力之比越小，则 12 Lemlich R.Prediction ofChanges in Bubble Size Distribu- 该种液体中的球状泡沫排液越困难，可以维持 tion due to Interbubble Gas Diffusion in Foam.Ind Eng 很长时间才转型为多面体泡袜.因子Sa越大， Chem Fundam,1978.17(2):89 13 Nishioka G,Ross S.A New Method and Apparatus for 使得多面体的薄液膜中的排液越困难，则液体 Measuring Foam Stability.J Colloid and Interface Sci- 中的多面体泡沫越稳定.应用泡沫转型理论，可 ence.198l.81(11 以解释冶金熔体与常温溶液泡沫衰减过程机理 14储少军.吴整，牛强，等.铝合金熔体发泡过程的工艺 的差异，这也是熔渣体系因内生气源引起的泡 参数控制.化工治金，1998.19(3北260 Morphotype Conversion of Foams in Metallurgical Melts NIU Qiang.CHU Shaojun.WU Keng.YANG Tianjun Mctallurgy School.UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACY Based on morphology.it is presented that morphotype conversion of foams in metallurgical melts would occur during foam evolution.which has been proved by experimental results.By means of mor- photype conversion.a new interpretation on foams decay process was provided for promotion of kinetics on foaming.Characteristic numbers Ga and factor Sa were employed to be as criterion to qualitatively determine the decay rate before and after the morphotype conversion.respectively.The reasons also were given on con- trast in foams stability from different liquid and gas source. KEY WORDS foaming:morphotype conversion of foams:metallurgical melts:foams decay