功率超声在冶金中的数值模拟研究进展

摘要

功率超声凭借独特的物理化学作用，在湿法与火法冶金过程强化中展现出显著优势.其作用机理主要包括空化效应、声流效应及声化学反应，这些作用不仅能有效改善液固界面的传质行为、加快反应速率，还可在高温熔体中促进夹杂物的迁移去除、细化凝固组织，从而优化金属的综合性能.近年来，随着计算流体力学、多物理场耦合建模以及高性能计算技术的发展，数值模拟已成为揭示功率超声在冶金体系中作用规律的重要手段.本文围绕湿法与火法冶金两个典型领域，系统综述了功率超声在传质强化、夹杂物净化及晶粒细化等方面的数值模拟研究进展.湿法冶金方面，模拟结果表明超声辐照可在液相中形成高强度空化区与稳定声流结构，显著降低扩散阻力、提升金属浸出率，并在电沉积过程中改善成核行为与镀层均匀性.火法冶金中，功率超声通过改变钢液流场结构，缩短均混时间并提高夹杂物去除效率，同时在金属凝固阶段产生均匀的温度场与溶质场，抑制粗大枝晶的生成，实现组织细化与性能提升.结合有限元、有限体积及多尺度耦合等数值方法，研究者已能够对声场分布、空化强度演化及流固热耦合特征进行定量分析，并在多种超声参数与反应器构型下进行优化设计.综上，功率超声数值模拟不仅为揭示冶金外场强化机理提供了可视化和定量化依据，也为工业化工艺优化与放大设计提供了理论支撑与参数指导.未来，需进一步加强模拟与实验的耦合验证，发展跨尺度、多场协同的高精度模型，探索复杂工业环境下的声场调控策略，以推动功率超声在绿色高效冶金体系中的规模化应用.

关键词

超声强化 / 超声湿法冶金 / 超声火法冶金 / 数值模拟 / 超声空化

基金资助

国家自然科学基金青年项目(52304329); 云南省基础研究计划项目(202201BE070001-003); 云南省“兴滇英才支撑计划”青年人才项目专项(XDYC-QIVRC-2023-0078)