ТИГЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к технической физике, а именно к лабораторному анализу материалов путем бесконтактного фотометрического определения физических параметров нагреваемого металлического образца, размещенном в неметаллическом огнеупорном тигле, в зависимости от температуры, в частности к определению характеристик многокомпонентных высокотемпературных металлических расплавов, например, на основе Al, Cu, Fe, Co, Ni, Ti. Дополнительной сферой применения являются металлургические процессы.
3
3
Лабораторное измерение физических параметров образцов металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности, определение электрического сопротивления ρ, вязкости ν, поверхностного натяжения σ и плотности d образцов высокотемпературных расплавов в объеме нескольких см, позволяет проводить прогностический анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов на предприятиях. В частности, температурные зависимости параметров образцов позволяют выделять характерные температурные точки и гистерезисные характеристики цикла «нагрева - охлаждения» изучаемого образца. Для высокотемпературных исследований металлических расплавов с температурой плавления 1500°C÷2000°C, лишь немногие способы измерений и установки могут быть использованы на практике. В частности, используют установки, с вертикальной или горизонтальной электропечью мощностью P=20÷30 kVA, для бесконтактного фотометрического определения вышеотмеченных характеристик расплава, которые регистрируют параметры колебательной траектории светового луча, соответствующие вращению тигля с образцом или фотоизображение образца на подложке. Осесимметричные цилиндрические лабораторные тигли для тугоплавких сплавов или подложка с углублением, играющая роль тигля, изготовлены из неметаллических огнеупорных материалов, например высокотемпературной бериллиевой керамики, внутри которой размещен нагреваемый металлический образец. Они рассчитаны на объем в единицы см изучаемого образца известной массы, при этом керамический тигель размещен в зоне нагрева внутри молибденового нагревателя электропечи, например, коаксиально подвешен на упругой нити - см. Арсентьев П.П. и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1988, с. 58 - аналог. Установка содержит электропечь, вакуумную или с нейтральной атмосферой, например гелиевой, с цилиндрическим молибденовым нагревателем, фотоприемное устройство, например, в виде шкалы оптической линейки, по которой движется световой зайчик, и/или фоторегистратора. Регулировка мощности электропечи и соответственно, термовременных параметров нагрева или охлаждения образца, а также определение изучаемых характеристик осуществляется посредством компьютера. Цилиндрические заготовки из огнеупорных материалов для тиглей или подложек, в том числе из бериллиевой керамики, поставляют в виде стаканов или подложек без отверстий, прежде всего из-за трудности их обработки
Известно тигельное устройство, содержащее два тигля из огнеупорных материалов в виде стаканов, вставленные один в один и подвешенные коаксиально в зоне нагрева электропечи, при этом второй тигель может иметь форму симметричной фигуры вращения, отличной от цилиндра, например, в виде полусферы или усеченного конуса -см. пат. РФ на полезную модель №94706 - аналог.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом является тигель в виде стакана, находящийся в высокотемпературной зоне электропечи - см. пат РФ №2463574.
Недостатком аналогов и прототипа является непредсказуемое появление в расплаве, находящемся в тигле, полостей непредсказуемого размера и формы, обусловленных выделением газов из образца при нагреве, особенно в случае изучения многокомпонентных высокотемпературных металлических расплавов. Эти полости нарушают одно из основных требований осуществления экспериментов - сохранение заданной симметричной фигуры вращения, например цилиндрической или капельной формы и гомогенности расплава в тигле, а также заданных соотношений между высотой H жидкости в цилиндрическом тигле и его внутренним диаметром R: 2H≥1,85R - см. вышеуказанное Арсентьев П.П. и др… с. 50÷53, для вычисления определяемых параметров с требуемой точностью. Из-за полостей появляется опасность возникновения турбулентного движения жидкости и снижения однородности температурного поля. Кроме того, полости нарушают симметрию системы «тигель-расплав», что чревато появлением поперечных, а не только вращательных колебаний системы упругой подвески с тиглем при фотометрическом определении электрического сопротивления ρ и/или вязкости ν. Аналогично, появление полости в эллиптической лежащей капле расплава известной массы при изучении поверхностного натяжения σ и плотности d образцов нарушает требование к форме и геометрии образца, что исключает продолжение эксперимента. Появление этих полостей часто выясняется только после завершения эксперимента и извлечения образца из тигля, что аннулирует полученные результаты, не считая испорченного образца, сорванного эксперимента и потерянного времени.
Кроме того, вследствие появления этих полостей дополнительно возникают нештатные или аварийные ситуации, например, появление вышеотмеченных паразитных поперечных колебаний подвесной системы, быстрое вскипание и выплескивание расплава из тигля, спекание расплава с тиглем или появление механического дефекта, например, трещины в стенке тигля, из-за чего может потребоваться процедура восстановления работоспособности установки, в том числе вследствие замены тигля, его нового крепления и балансировки на упругой нити.
В конечном итоге, наличие полостей в расплаве образца не обеспечивает сохранение требуемой симметрии и формы изучаемого образца расплава, а также пригодность результатов лабораторных экспериментов по изучению свойств образцов металлических расплавов посредством определения их параметров в зависимости от температуры, для расчета исследуемых параметров расплавов, в частности у многокомпонентных высокотемпературных металлических расплавов, а кроме того не обеспечивает устранение срыва экспериментов и повышение их надежности.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение отсутствия полостей в расплаве изучаемого образца, сохранение требуемой симметрии и формы изучаемого образца расплава, а также обеспечение пригодности результатов лабораторных экспериментов по изучению свойств образцов металлических расплавов посредством определения их параметров в зависимости от температуры, для расчета исследуемых параметров расплавов, в частности у многокомпонентных высокотемпературных металлических расплавов, а кроме того устранение срыва экспериментов и повышение их надежности.
Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель тигля:
Тигель, выполненный в виде стакана и находящийся в высокотемпературной зоне электропечи, отличающийся тем, что стакан выполнен, по крайней мере, с одним сквозным отверстием в его дне, расположенным симметрично, а минимальный размер отверстия находится в диапазоне 10 мкм-300 мкм.
Предложенное техническое решение обеспечивает технический результат в виде отсутствия полостей в расплаве изучаемого образца, размещенного в тигле, приближения формы расплава к требуемой для расчетов заданной симметричной модели, в частности цилиндрической. В конечном итоге, предложенное техническое решение обеспечивает повышение достоверности и точности определения температурнозависимых физических
параметров металлических расплавов, устранение срыва экспериментов и повышение их надежности.
Предложенное техническое решение, содержащее совокупность ограничительных и отличительных признаков, при достижении вышеописанного технического результата, позволяет считать предложенное техническое решение имеющим уровень полезной модели.
Предлагаемая полезная модель тигля поясняется чертежами:
Фиг. 1. Внешний вид тиглей и исследованных образцов;
Фиг. 2. Внешний вид тиглей в виде подложек и исследованных в них образцов.
На фиг. 1, 2 показаны фотоизображения исследованных образцов 1, 2 и 3, соответствующие им цилиндрические тигли-стаканы 4, 5 и подложка 6, выполненные без отверстий; исследованные образцы 7, 8 и 9, соответствующие им цилиндрические тигли-стаканы 10, 11 и подложка 12, с четырьмя симметричным отверстиями 13 и с одним отверстием 14. Дефект 15 характерен для подложки 6, дефекты кольцевой формы 16 характерны для цилиндрических стаканов 4, 5. На образцах 9 имеется след 17 от отверстия 14.
3
Тигли в виде цилиндрических стаканов 4, 5, 10, 11 объемом 1÷4 см или подложек 6 и 12 выполнены из бериллиевой керамики ВеО. В качестве образцов 1, 2, 3, 7, 8, 9 использован один и тот же сплав на основе Fe. Симметричные отверстия 13 и 14 в цилиндрических стаканах 10, 11 и подложке 12 имеют ширину 0,2 мм, пропилены алмазным кругом. С одной стороны, размер отверстий 13, 14 по меньшей мере в 10÷100 раз превышает размер любой газовой молекулы, но в то же время осуществим в твердом и хрупком огнеупорном материале тигля, в том числе бериллиевой керамике ВеО. С другой стороны, исследуемый расплав не должен вытекать через эти отверстия. Поэтому оптимальным является диапазон максимальных размеров отверстий 13 или 14 от 10 мкм до 300 мкм. Отверстия 13 или 14 выполнены так, чтобы несмотря на их щелевую форму снаружи тигля, внутри эти отверстия максимально приближены к форме круга или квадрата, т.е. минимизированы по площади. Процедура пропила или сверления отверстий, гораздо более сложная, осуществляется до появления минимального отверстия, причем выполнение одного симметричного отверстия в центре тигля технически более сложно, чем осуществление нескольких, по меньшей мере двух симметричных отверстий по краям дна тигля, посредством алмазного круга толщиной 0,1÷0,2 мм.
Использование тиглей осуществляют в соответствии со штатной процедурой лабораторных исследований, после чего выполняют расчеты по определению температурнозависимых физических свойств изучаемых расплавов, например
3
электрического сопротивления ρ, вязкости ν, поверхностного натяжения σ и плотности d образцов этих металлических расплавов в объеме 1÷4 см.
Внешний вид образцов 1, 2 или 3 с дефектами 14 или 15, обусловленными выделением газов из этих образцов во время экспериментов с использованием тиглей 4, 5 или 6 без отверстий, демонстрирует их непригодность для расчетов и, в конечном итоге, срыв экспериментов. Образцы 7, 8 или 9, исследованные с использованием тиглей 10, 11 или 12 с отверстиями 13 или 14, сохранили требуемую для расчетов бездефектную заданную форму. По сравнению с дефектом 15 дефект в виде следа 17 от щелевого отверстия 14 шириной 0,2 мм в образцах 16 имеет пренебрежимо малые размеры, обусловленные поверхностным натяжением в расплавленной капле образца, что позволяет успешно осуществить эксперимент. Дальнейшее уменьшение дефекта 17 посредством уменьшения длины и ширины щелевого отверстия технологически затруднено и нецелесообразно.
Отсутствие полостей в расплаве изучаемого образца, размещенного в неметаллическом тигле, приближение формы расплава к требуемой для расчетов заданной симметричной модели, в частности цилиндрической, в конечном итоге обеспечивает повышение достоверности и точности определения физических параметров металлических расплавов, а также устранение срыва экспериментов и повышение их надежности.