УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОМАЛИЙ НА ПОЛИТЕРМАХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Предлагаемая полезная модель относится к технической физике, а именно, к устройствам для контроля и измерения термозависимостей, или политерм, физических свойств веществ. Она предназначена для определения температурных аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов, в частности, на основе железа, при бесконтактном измерении политерм кинематической вязкости и/или электросопротивления расплавов фотометрическим методом, основанным на затухании крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения является металлургия.
3
Изучение политерм свойств образцов высокотемпературных (до 2000°C) металлических расплавов объемом в единицы см, позволяет определить их характеристики, проводить прогностический анализ и давать технологические рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками, например, выделять критические температурные точки или области и гистерезис цикла нагрева-охлаждения. При этом известно существование аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов, при котором определяют температурные зависимости этих свойств, например, кинематической вязкости v=Ψ{δ(t°)}, удельного электросопротивления ρ(t°), и проч., расплавов с получением значений свойств в виде графиков, которые отображают, например, на одном из каналов компьютерного дисплея - см. Б.А.Баум и др. «О природе аномалий на политермах свойств металлических расплавов», ж. Известия вузов, Черная металлургия, 1984, 11, с.54-57. В случае неравновесных жидкостей, каковыми являются металлические расплавы, слабо перегретые над температурой плавления, и наблюдают аномалии на политермах. При измерении, например, кинематической вязкости, эти аномалии представляют из себя, в том числе, участки с ростом вязкости при увеличении температуры, в то время как вязкость должна экспоненциально уменьшаться с ростом температуры. В реальных условиях свойства расплавов с изменением температуры t° практически всегда изменяются немонотонно, т.е. существуют аномалии на политермах свойств жидких металлов и расплавов - см. вышеуказанное Б.А.Баум и др.…, с.55. Принято считать, что аномалии вызваны скачкообразным изменением структуры ближнего порядка, причем это многофакторное изменение может быть размытым в какой-либо области температур Δt° в зависимости от состава образцов расплава, хода и условий эксперимента. Поэтому фиксируемые проявления аномалий нестабильны - см. вышеуказанное Б.А.Баум и др.… с.57. Например, в случае роста вязкости v с ростом температуры t° можно предположить, что структурные изменения в расплаве свидетельствуют о разупорядочении расплава, т.е. увеличении хаотичности частиц в расплаве. Анализ вида и характеристик аномалий, который выполняет высококвалифицированный экспериментатор, необходим, поскольку они объективно отражают физико-химические параметры изучаемого расплава.
Для высокотемпературных исследований металлических расплавов, в частности, на основе железа, используют бесконтактное фотометрическое, на базе измерения траектории отраженного от зеркала светового луча - «зайчика», устройство для определения параметров кинематической вязкости v=Ψ{δ(t°)}, образца расплава, посредством изучения параметров декремента затухания δ крутильных колебаний упругой нити с подвешенным на ней в электропечи тиглем с образцом расплава - см. патент РФ №2349898 - аналог.
Недостатками устройства при его использовании являются неоднозначность и субъективность результатов определения параметров аномалий политерм. В конечном итоге, не обеспечена наглядность, достоверность и точность оценки аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, содержащее измерительную установку, в состав которой входят вискозиметрический модуль в вакуумируемой и водоохлаждаемой цилиндрической камере, вдоль оси которой в зоне нагрева электронагревателя, размещена подвесная система с цилиндрическим тиглем, блок поворота подвесной системы на заданный угол для запуска крутильных колебаний, зеркало, источник света, фотоприемное устройство, управляющее устройство, а также компьютер, первый вход которого соединен с измерительной установкой - см. патент на полезную модель РФ №69249.
Недостатками прототипа являются недостаточность информации, сложность, неоднозначность и субъективность определения параметров аномалий политерм даже высококвалифицированным исследователем. В конечном итоге, не обеспечена наглядность, достоверность и точность оценки аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение получения с ее помощью дополнительных результатов и более достоверной информации, повышение наглядности, достоверности и точности оценки аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов, а также обеспечение возможности оценки результатов экспериментов персоналом невысокой квалификации, например, студентами.
Для решения задачи предлагается полезная модель устройства для определения аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов.
В устройство для определения аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов, содержащее измерительную установку и компьютер, первый вход которого соединен с измерительной установкой, введены дифференцирующее устройство, блок сравнения, суммирующее устройство, блок сигнализации, выход компьютера соединен со входом дифференцирующего устройства, выход которого соединен со вторым входом компьютера и одним из входов блока сравнения, на второй вход которого подают регулируемое опорное напряжение, выход блока сравнения соединен с первым входом блока сигнализации и третьим входом компьютера, а также входом суммирующего устройства, с выхода которого сигналы подают на четвертый вход компьютера и второй вход блока сигнализации.
Отличительные признаки предложенных технических решений обеспечивают получение дополнительных результатов и более достоверной информации, повышение наглядности, достоверности и точности оценки аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов, а также обеспечение возможности оценки экспериментов персоналом невысокой квалификации, например, студентами.
Группа изобретений поясняется чертежами:
фиг.1 Блок - схема устройства;
фиг.2. Политермы декремента затухания δ(t°) и первая производная dδ/dt° для образца чугуна СЧ-30 без модификатора.
3
oп
max
Устройство для определения аномалий на политермах свойств высокотемпературных расплавов содержит измерительную установку 1, компьютер 2 с дисплеем, связанный шиной данных и управляющих сигналов 3 с установкой 1, дифференцирующее устройство 4, блок сравнения 5, суммирующее устройство 6, двухканальный блок сигнализации 7. Измерительная установка 1 предназначена для измерения кинематической вязкости v=Ψ{δ(t°)}, и (или) удельного электросопротивления ρ(t°) металлических расплавов фотометрическим методом, путем определения параметров крутильных колебаний упругой нити с подвешенным на ней, внутри изотермической зоны 30 - кВт вакуумной электропечи, керамическим тиглем с образцом расплава объемом в единицы см - см. вышеуказанный пат. РФ №РФ №69249. Она состоит из (не показанных на схеме) вискозиметрического модуля в вакуумируемой и водоохлаждаемой цилиндрической камере, вдоль оси которой в зоне нагрева электронагревателя, размещена подвесная система с цилиндрическим тиглем, блока поворота подвесной системы на заданный угол для запуска крутильных колебаний, зеркало, источника света, фотоприемного устройства, управляющего устройства. Дисплей компьютера 2 используют, в том числе, как многоканальное устройство отображения информации. Дифференцирующее устройство 4, блок сравнения 5, суммирующее устройство 6, двухканальный блок аудиовизуальной сигнализации 7 предпочтительно реализуют программно в виде виртуальных компьютерных блоков в составе компьютера 2, или в виде нижеперечисленных физических устройств. Дифференцирующее устройство 4 реализуют в виде дифференциатора на операционном усилителе (ОУ) с RC - цепью - см. Дж.Рутковски «Интегральные операционные усилители». Мир, М., 1978, с.295. Блок сравнения 5 представляет собой одно / двухпороговый компаратор на ОУ - см. вышеуказанное Дж.Рутковски…, с.213, в котором на один из входов ОУ подают опорное напряжение (уровень) U с регулируемой вручную или автоматически от нуля до +/-U величиной, в соответствии с опытом, накопленным за некоторое количество экспериментов. Суммирующее устройство 6 выполнено в виде интегратора на ОУ - см. вышеуказанное Дж. Рутковски…, с.296. Двухканальный блок сигнализации 7 содержит в каждом канале триггер Шмидта на входе, выполненный на ОУ - см. вышеуказанное Дж.Рутковски…, с.234, который соединен со звуковым генератором на ОУ - см. вышеуказанное Дж.Рутковски…, с.297, нагруженным светодиодом АЛ307 и звуковым излучателем 0,25ГД10. Выходные сигналы дифференцирующего устройства 4, блока сравнения 5, суммирующего устройства 6, вводят в компьютерный многоканальный АЦП или СОМ - порт компьютера 2 и индицируют на его дисплее.
Σ
i
oп
i
оп
1
Σ
i
Σ
Σ
Устройство осуществляет определение аномалий на политермах свойств высокотемпературных расплавов, например кинематической вязкости v, следующим образом. Исследователь проводит эксперимент по регистрации политерм, на установке 1. В конце эксперимента сохраненные в компьютере 2 сигналы 8, соответствующие значениям определяемого декремента затухания δ, которые отображают на дисплее компьютера 2 в виде политерм δ(t°) на одном из каналов, поступают на вход дифференцирующего устройства 4. С его выхода снимают продифференцированные сигналы dδ/dt° 9, которые, адекватно значениям температурных зависимостей (политерм) δ(t°), отображают на дисплее компьютера 2 в виде второго канала. Продифференцированные сигналы dδ/dt° 9 поступают на вход блока сравнения 5, выходные сигналы 10 которого поступают на один из входов блока сигнализации 7 и отображаются на компьютере 2 в виде третьего канала, а также на вход суммирующего устройства 6, с выхода которого сигналы S=Σ{S(dδ/dt°)} 11 поступают на блок сигнализации 7 и отображаются в виде четвертого канала на дисплее компьютера 2. В случае срабатывания блока сигнализации 7, например, при появлении положительных значений продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 на каком-то температурном участке Δt°, либо переходе этого сигнала через нулевое значение или определенный уровень U, в том числе при скачкообразном изменении сигнала dδ/dt° 9 в случае его отрицательных значений на каком-то температурном участке Δt° политерм, экспериментатор делает вывод о наличии и параметрах аномалий на этих температурных участках. Δt°. Относительно монотонный участок, отражающий находящиеся в пределах естественного разброса результаты эксперимента и 3% погрешности измерений, ограничительные линии которого теоретически должны быть экспонентами, но в первом приближении выбраны в виде прямых линий, представляет собой область с набором величин продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 с относительно небольшими аномалиями. После завершения цикла нагрева и охлаждения образца расплава, в конце эксперимента, суммирующее устройство 6 в условных единицах определяет площади фигур S, ограниченных значениями продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9, например, положительными значениями продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 и его нулевым значением, т.е. нулевым уровнем U, определяет по отдельности каждую площадь S и затем суммирует эти площади, соответствующие аномалиям S=Σ{S(dδ/dt°)}. При этом выходной сигнал S 11 суммирующего устройства 6, который является количественным показателем степени неравновесности изучаемого расплава, поступает на компьютер 2 и блок сигнализации 7. В случае отличия от нуля выходного сигнала S 11, и (или) срабатывания сигнализатора 7, экспериментатор получает дополнительную наглядную объективную информацию о параметрах аномалий на политермах во всем температурном диапазоне.
оп
оп
∑
Σ
∑
В качестве примера использования предлагаемой полезной модели на фиг.2 приведены политермы затухания δ(t°) и продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 при нагреве 12 и охлаждении 13 образца чугуна СЧ-30 без модификатора, предположительно имеющие небольшие аномалии. Величина продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 при нагреве 14 и охлаждении 15 демонстрирует аномальные участки 16 при температуре +1600…1700°C, и 17 при температуре +1350…1470°C, на которых имеются скачки на графике сигнала dδ/dt° 9. Физически это можно трактовать как увеличение хаотичности расположении частиц в расплаве. Участок 17 аномальноcти - с отрицательным скачком на графике продифференцированного сигнала dδ/dt° 9. Эксперимент продемонстрировал, во первых, отсутствие участков с положительными значениями продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 над нулевым уровнем 18 величины U, т.е. в этом случае продифференцированный выходной сигнал dδ/dt° 9 не имеет участков с его значением больше нуля, во вторых, наличие двух относительно небольших по абсолютной величине скачков на ветви 14 нагрева и на ветви 15 охлаждения. Если считать величины продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 на кривой нагрева 14 - точки со второй по шестую включительно, и на кривой охлаждения 15 - точки с первой по шестую (в обратном порядке), находящиеся в пределах относительно монотонного участка 19, то скачки 16 и 17 величины продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 и качественно, и количественно более наглядно демонстрируют аномалии по сравнению с политермами 12 и 13. Условная максимальная амплитуда скачков продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 при нагреве 14 составляет, приблизительно, +0,01, а при охлаждении 15-0,03 по отношению к монотонному участку 19. В случае, если нулевая величина 18 продифференцированного выходного сигнала dδ/dt° 9 соответствует априорно установленному экспериментатором нулевому пороговому уровню 18 величины U, то выходной сигнал 10 блока сравнения 5 нулевой, выходной сигнал S 11 суммирующего устройства 6 также нулевой, сигнализатор 7 не включается. Если же выходной сигнал 10 блока сравнения 5 ненулевой, сработает сигнализатор 7, включается акустический и (или) оптический сигнал, а выходной сигнал S 11 суммирующего устройства 6 отличен от нуля. По мере накопления опыта по групповому использованию сигнала 8, соответствующего значениям политерм δ(t°) одного из свойств расплава, совместно с продифференцированным выходным сигналом dδ/dt° 9 и просуммированными выходным сигналом S 11, у экспериментатора появляется наглядная дополнительная объективная информация о значениях и параметрах аномалий на политермах, в том числе, в количественной форме. На этом основании можно делать вывод о необходимости коррекции технологии производства, а также допускать к работе малоквалифицированный персонал, например, студентов.