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液态介质中淬火冷却的四阶段理论
北京华立精细化工公司 ( 北京昌平 102200)
发表于《热处理技术与装备》2006年第6期
工件在水性介质中淬火,有时会听到爆炸声响。本项研究工作是从探讨这种声响的产生原因开始的。通过试验和研究,对爆炸声响的产生提出了一种解释。试验中发现了几种用当前通行的液体介质中冷却的三阶段(蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段)理论[1]无法解释的现象。为解释这些现象,本文提出了液体淬火介质中淬火冷却的四阶段理论。
一、对爆炸声响产生原因的初期分析
经过分析,把此项研究观测的内容归结成两个:一个是完整蒸汽膜保持稳定的条件;另一个是蒸汽膜阶段的结束过程。对这两个内容做了如下分析:
1、在完整蒸汽膜阶段,是工件表面向外散失的热量使周围的液态介质变成了蒸汽,且形成的蒸汽足以使蒸汽膜保持完整。是蒸汽膜把液态介质和工件表面分隔开,如图1a)。因此,粗略地说,能使蒸汽膜保持稳定的条件是:从工件侧进入气液界面的热量Q1,多于、等于从气液界面向液相侧散失的热量Q2,如图1b)。进而可以得出这样的关系:
当Q1=Q2时,蒸汽膜厚度保持不变。
当Q1 > Q2时,蒸汽膜厚度会增大。
当Q1 < Q2时,蒸汽膜厚度会减小。
a)蒸汽膜把球体和液态介质分隔开
b)气液界面的热量收支Q1和Q2
图1 完整蒸汽膜的稳定性分析
影响这种关系的重要因素有:工件表面温度高低、介质的沸点高低和饱和蒸汽压大小、气液界面液态侧的温度梯度大小,以及气液界面能(或者表面张力)高低等。其中,气液界面能大小不太引人注意。但是,众所周知,要费一点力气才能把肥皂泡吹大。但停止吹气后,如果不堵着吹气口,肥皂泡就会把里面的空气压出来。这是肥皂泡膜的表面张力引起的附加压力使泡内的气压高于外面气压的缘故。由于气液界面的表面张力,蒸汽膜内的气压高于膜外的液压。气液界面张力越大,内部气压也就越高。只有更高的表面温度,才能烤出更多的蒸汽来形成更厚的蒸汽膜。因此,在其它条件相同时,气液界面张力越大,蒸汽膜就越薄;相反,气液界面张力越小,蒸汽膜就越厚。
为了排除工件形状因素的影响,本文选定均匀球体为研究对象。按照上面所述的道理,球体表面温度越高,蒸汽膜会越厚。球体表面温度降低,蒸汽膜厚度就会减小。人们会顺理成章地认为,当厚度减小到零时,冷却的蒸汽膜阶段便结束了,如图2所示。整个球体会同时进入沸腾冷却阶段。这时的球体表面温度记为T*。我们认为,现行的、有关液态淬火介质中冷却的三阶段理论,就是在这种设想的基础上建立起来的。
2、大量的事例告诉我们,复杂系统的变化往往是分步完成的。我们认为,由于不可避免的扰动,在完整蒸汽膜阶段,气液界面上的扰动使蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当蒸汽膜厚度降低到一定的值时,在某个厚度起伏很大的部位,气液界面可能与工件表面接触,如图3所示。
图2 球体表面温度高低与球体蒸汽膜厚度的关系
图3 扰动引起蒸汽膜厚度波动,在波动很大的部位气液界面与球体表面接触
那些虽然接触了固态表面,却在极短的时间内因接触点处的液体被汽化而瞬间消失的接触,我们把它称为“瞬时接触”。因为接触面积小,时间又很短,瞬时接触对球体的冷却过程影响很小。如果接触部位不被马上汽化,则接触部位的气、固、液交界线上,接触角就可能因三个表面张力(汽液δvl,汽固δvs,液固δls)的大小关系,而向两类不同的平衡接触角演变,如图4所示。
a)液体不润湿固体表面 b)液体润湿固体表面
图4 两类不同的平衡接触角
图4中,上排表示在波动引起的气液接触点处可能形成的两类平衡接触角。下排表示在相同条件下,把同样的液体滴到相同的水平固体表面上所形成的两类平衡液滴的形状。其中,左图表示液体对固体表面不润湿,因此接触角小于900时的情况。右图表示液体对固体表面有润湿性,因此接触角大于900时的情况。在左上图中,由于瞬时接触点产生的接触角度已经接近不润湿条件下的平衡接触角,接触区就不可能向蒸汽膜区扩展。因为不能扩展,高温的固体表面很快就会把接触区的液体变成蒸汽。其结果,接触点很快消失。完整蒸汽膜得以维持。而在右上图所示的情况下,液体和固体表面的接触区是否能继续扩大,将决定于液体对固态表面的润湿性大小。液态介质对固体表面的润湿性越好(接触角越大),接触区的扩展速度就越快。在固体表面温度不太高,比如不超过T0,且接触区边界的扩展速度足够快,能保证接触部的液体不马上被汽化时,该接触区就会持续向固体表面区扩展。本文把能够成功扩展下去的上述接触点称为“超前扩展点”。说它“超前”,是因为当时固体表面温度还远高于T*。接触区的扩展过程,也就是蒸汽膜笼罩区的缩小过程。固体表面上蒸汽膜区的边界,是固、气、液三相区的交界线。以下简称“三相交界线”,或者“交界线”。交界线的移动反应的是液、固接触区的扩大过程。缓慢的交界线移动可以直接观测到。较快的交界线移动,可以用摄像加以记录。
如果液体对固体表面有较好的润湿性,三相交界线达到表面张力平衡时,交界线部位应当具有图4之右上图所示的平衡关系。但是,在扰动引起瞬时接触点时,接触点部位应当具有图4之左上图所示的情形。显然,在该处三个表面张力没有达到平衡。在向平衡关系的过渡过程中,交界线就会自动向蒸汽膜区推进,如图5所示。
3、关于爆炸声响的产生原因(推测):当扩展速度非常快时,蒸汽膜中的水蒸气被推成偏向一侧的大气泡。该大气泡因深入温度较低的液层而被迅速冷凝。蒸汽冷凝的结果,在原来气泡所在位置,形成了一个有一定真空度的偏心真空球。周围的液体在填补该真空区时发生冲撞,就产生了爆炸声响,如图6所示。
图5 在三相交界线上,因三个表面张力的关系趋于平衡而引起交界线的扩展
图6 爆炸声响的产生过程(推测)
据资料介绍,由高温水蒸气在较冷的水中冷凝而引起爆炸声响,叫做“冷凝爆炸”[2]或者“水锤现象”[3]
按照上述思路,我们确定了几个实验观测内容:一是找出至少一个可能使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动因素。二是用事实证明出现超前扩展点是一种普遍现象。三是验证关于爆炸声响产生原因的推测;或者找到另外的成因。

评论
匿名用户 [来自218.89.119.131]
2014-11-25 11:25

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匿名用户 [来自188.143.234.155]
2015-11-24 00:49
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