УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Полезная модель относится к технической физике, а именно к анализу материалов, в частности, к определению физических параметров преимущественно высокотемпературных металлических расплавов методом геометрии «большой капли», а именно путем измерения геометрических характеристик силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли расплавленного образца посредством фотообъемометрии. Полезная модель может быть использована в исследованиях, на предприятиях промышленности, при выполнении лабораторных работ в вузах.
Известно устройство определения плотности и поверхностного натяжения образца - капли металлического расплава с известной массой, равной 10÷40 граммов («большой капли»), лежащей на подложке, размещенной на конце штока в высокотемпературной зоне электропечи, заполненной инертным газом, на основе фотометрической объемометрии. Его используют для измерения параметров эллипсоида капли, его контура (силуэта) и подложки, по горизонтальным и вертикальным координатам которых проводят масштабирование, обмер силуэта капли расплава на фотоизображении и дальнейшего вычисления объема капли (см. Филиппов С.И. и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов». Металлургия, М. 1968 г., стр. 266÷272 - аналог). При этом наличие гелиевой атмосферы внутри электропечи с давлением, равным атмосферному, предохраняющей образец как от загрязнения газами воздуха, так и от вскипания расплава, горизонтальная установка подложки, на которой помещают каплю в зоне нагрева печи, чистая поверхность образца расплавленной капли, эллиптическая форма ее силуэта, его симметрия, строгая окружность в основании капли являются необходимыми условиями применения метода «большой капли».
Известно устройство определения плотности высокотемпературных многокомпонентных металлических расплавов с использованием капельного образца расплава известной массы, лежащего на подложке, закрепленной на одном из концов регулируемого штока в электропечи горизонтального типа, узел изменения положения подложки, компьютер и расположенный вне электропечи соосный ей фотоприемник, дисплей с изображением эллипсовидного силуэта капли образца расплава, по которому определяют объем, плотность и поверхностное натяжение капли - см. пат. РФ №2459194 - аналог.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов, содержащее подложку, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого штока в электропечи и выполненную с возможностью размещения на ней капельного образца расплава известной массы, узел изменения положения подложки, фотоприемник - см. пат. РФ №2531039 - прототип.
Для ряда металлических сплавов при их нагреве характерно выделение жидкой шлаковой фазы. При измерении плотности и поверхностного натяжения расплава методом лежащей капли наблюдают первоначальное выделение шлаковой жидкости. Затем при плавлении металлического образца образуется капля расплава, а на верхнем крае подложки начинает накапливаться пояс жидкого шлака. Со временем количество шлака растет и может происходить его перелив по боковой поверхности подложки. При этом на фотоизображении он может закрыть собой верхние углы силуэта подложки. Возникает необходимость уточнения координат этих практически замаскированных характерных угловых точек, в противном случае возможна остановка эксперимента и его срыв. Кроме того, возникают ситуации со сползанием поверхностных пленок разного происхождения, появляющихся на капле расплава, на край подложки, при этом также возникает перекрытие вышеуказанных характерных угловых точек. В таких условиях возрастает субъективность оценки дальнейшего хода эксперимента и влияние уровня квалификации исследователя на конечные результаты.
Недостатком аналогов и прототипа является то, что при смещении на фотоизображении силуэта капли расплава со шлаком на силуэт края подложки возрастает субъективность оценки дальнейшего хода эксперимента и его результатов. Не обеспечены определение координат фотоизображения верхнего края подложки, продолжение эксперимента без его срыва, и возможность на основе этих координат текущей регулировки горизонтальности подложки во время эксперимента. Таким образом, не обеспечена точность результатов по определению параметров силуэта, объема и, в итоге, плотности и поверхностного натяжения исследуемого расплава.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение определения параметров фотоизображения силуэта подложки при смещении на фотоизображении силуэта капли расплава и/или шлака на силуэт края подложки, определение координат фотоизображения верхнего края подложки и возможность на основе этих координат текущей регулировки горизонтальности подложки во время эксперимента, уменьшение субъективности оценки дальнейшего хода эксперимента и полученных результатов, обеспечение продолжения эксперимента без его прерывания. Это обеспечивает повышение точности результатов по определению параметров силуэта капельного образца расплава, вычисления его объема, а в конечном итоге плотности и поверхностного натяжения исследуемого расплава.
Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель - устройство определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов.
1. Устройство определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов, содержащее подложку, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого штока в электропечи и выполненную с возможностью размещения на ней капельного образца расплава известной массы, узел изменения положения подложки, фотоприемник, отличающееся тем, что в него введена шкала, которая размещена на вышеуказанной подложке.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шкала размещена ниже верхнего края подложки и обращена к фотоприемнику;
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шкала выполнена в виде измерительной линейки из листа тугоплавкого металла, например, молибдена;
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шкала имеет насечки, нанесенные на ее верхнюю часть;
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шкала имеет упругую нижнюю часть в виде плоской пружины, зафиксированную на вышеуказанном конце штока.
Технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности ограничительных и отличительных признаков, обеспечивают достижение технического результата -уменьшение степени субъективности в проведении и полученных результатах эксперимента, осуществление возможности не прерывать эксперимент и обеспечение получения набора параметров фотоизображения, необходимых и достаточных для последующего определения плотности и поверхностного натяжения исследуемого металлического расплава при смещении шлаков на край подложки, а в конечном итоге повышение достоверности и точности измерения плотности и поверхностного натяжения изучаемого образца металлического расплава. Кроме того, обеспечивается возможность текущей регулировки в ходе эксперимента горизонтальности подложки посредством контроля горизонтальных и вертикальных компонентов фотоизображения шаблона, что расширяет функциональные возможности устройства.
Такое техническое решение при достижении вышеописанного технического результата позволяет считать его имеющими уровень полезной модели.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 - схема размещения шкалы на подложке;
фиг. 2 - фотоизображение капли расплава трубной стали на подложке, 8 минута нагрева при t=1580°С, идет накопление внизу капли шлакового ободка;
фиг. 3 - фотоизображение капли расплава трубной стали на подложке при t=1590°С, с накопившимся на верхнем крае подложки и перелившимся по боковой поверхности подложки жидким шлаком;
фиг. 4 - фотоизображение капли расплава на подложке при t=1620°С со сползающими по поверхности капли расплава окисными пленками.
Устройство определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов содержит измерительный комплекс - см. фиг. 1, в состав которого входят: регулируемый шток 1, на горизонтальном срезе одного из концов которого закреплено основание 2 подложки 3, капельный образец расплава фиксированной массы 4, расположенный на срезе подложки 3, шкала 5, а также не показанные на схеме фотоприемник, соосный с горизонтальной электропечью, коаксиальный цилиндрический электронагреватель, узел горизонтального изменения положения подложки, компьютер, на дисплей которого выведено изображение капельного образца расплава фиксированной массы 4, подложки 3 с основанием 2 и шкалы 5.
Регулируемый шток 1 внешним диаметром 10 мм выполнен из молибденовой трубы и содержит на одном из концов горизонтальный срез, на котором размещено основание 2 подложки 3, имеющей форму усеченного конуса с симметричным углублением в центре, выполненные из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой ВеО. Фотоприемник - телекамера 3372Р Sanyo, коаксиальный цилиндрический электронагреватель выполнен из листового молибдена. Шкала 5 выполнен из молибденового листа (99,9%) толщиной 0,3 мм. Форма шкалы 5 представляет собой прямоугольник с вырезанной щелью, ширина которой равна толщине основания 2 подложки 3, верхняя часть шкалы 5 представляет собой измерительную линейку с насечками - делениями. Нижняя часть шкалы 5 выполнена в виде двух симметричных плоских пружин, зафиксированных на вышеуказанном конце со срезом регулируемого штока 1. Длина измерительной линейки с насечками - делениями шкалы 5 по меньшей мере на 10 мм превышает размер верхнего края подложки 3.
Определение плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов посредством предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом: подготавливают изучаемый образец фиксированной массы 4, равной 10÷40 граммов, который размещают в углублении подложки 3. Затем на основании 2 подложки 3 фиксируют шкалу 5, который посредством вышеотмеченных плоских пружин охватывает срез на конце регулируемого штока 1. При этом регулируют шкалу 5 таким образом, чтобы он был перпендикулярен горизонтальной оси регулируемого штока 1, в этом случае шкала 5, хоть и не находится в фокальной плоскости фотоизображения, однако не имеет оптических искажений левой относительно правой части измерительной линейки с насечками - делениями. При этом горизонтальная граница шкалы 5 параллельна верхнему краю подложки 3 и находится на фотоизображении ниже этого края.
Подложку 3 с изучаемым образцом фиксированной массы 4 и шкалой 5 помещают на один из концов горизонтального регулируемого штока 1, который вводят в коаксиальный цилиндрический электронагреватель. Регулируют положение штока 1 и таким образом - горизонтальность подложки 3, проверяют положение шкалы 5 посредством фотоизображения на дисплее компьютера, полученном с помощью фотоприемника, соосного с высокотемпературной зоной электропечи горизонтального типа. При этом наблюдают на дисплее изучаемый образец 4 на подложке 3 и шкалы 5. После окончания регулировок электропечь закрывают, из нее откачивают воздух и закачивают гелий. Включают электропечь и начинают эксперимент, при этом наблюдают на дисплее все стадии эксперимента.
-5
-1
-6
-1
max
t
Необходимо отметить, что тепловой коэффициент расширения ТКР подложки 3 из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой ВеО, составляет 2,2·10 град., а для шкалы 5 выполненного из молибдена ТКР составляет 5,2·10 град., т.е. составляет ¼ от ТКР цилиндрической подложки 2. Таким образом, даже при предельной температуре t=2000°С внутри коаксиального цилиндрического электронагревателя, суммарная температурная погрешность координат молибденовой шкалы 5 во всем предельном температурном диапазоне (2000°С) составляет Δ≤1%. При диаметре основания 2 подложки 3 равном D=13 mm, погрешность А фотоопределения вертикальных координат краев подложки 3 во всем предельном температурном диапазоне (2000°С) составляет Δ≤0,13 mm, т.е величину, которой можно пренебречь, по меньшей мере в сравнении с вкладом погрешности из-за ТКР подложки 3.
Фотоизображения изучаемых образцов различных расплавов 4 на подложке 3 приведены на фиг. 2 ÷ фиг. 4. Например, в эксперименте по измерению плотности изучаемого образца 4 расплава технического железа видно первоначальное выделение шлаковой жидкости 6 - см. фиг. 2, фиг. 3. Затем образуется капля расплава 4, а на верхнем крае подложки 3 начинает накапливаться пояс жидкого шлака 6 - см. фиг. 2. Со временем количество шлака растет и может произойти его перелив 7 через край по боковой поверхности подложки 3 - см. фиг. 3. Перелив шлака 7 может маскировать на фотоизображении верхние углы силуэта подложки 2 как справа, так и слева. Аналогичные ситуации могут возникнуть при сползании поверхностных пленок 8, появляющихся на капле расплава 4, на край подложки 3 - см. фиг. 4. Эти эксперименты подтверждают необходимость определения координат замаскированных углов силуэта подложки 3 посредством шкалы 5, для уменьшения влияние как субъективности, так и уровня квалификации исследователя на конечные результаты эксперимента, а также избежать срыва эксперимента