УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Полезная модель относится к технической физике, а именно к анализу материалов, в частности, к определению физико-химических параметров металлических расплавов методом геометрии «большой капли», т.е. путем измерения плотности и поверхностного натяжения неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава посредством фотоэлектронной объемометрии. Полезная модель может быть использована в лабораторных исследованиях, на предприятиях металлургической промышленности, при выполнении лабораторных работ в вузах.
Одной из задач материаловедения является необходимость изучения плотности металлического расплава, а затем плотности твердых образцов этого расплава. При этом данные по плотности в жидком и твердом состоянии целесообразно получать на одной и той же установке в широком температурном интервале, не только до прекращения самосвечения капли расплава, но даже при температуре, близкой к +300К. При относительно низких температурах капли расплава - меньше, приблизительно, +800К, уровень сигнала фотоприемника, обусловленный самосвечением капли расплава, в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональный четвертой степени температуры, снижается настолько, что регистрация контура эллипсоида капли становится практически невозможной и, соответственно, не обеспечивается измерение плотности капли металлического расплава. Использование нескольких измерительных установок для исследований одного и того же расплава, различающихся по температурному диапазону, экономически нецелесообразно, и вызывает проблемы в сравнении результатов, полученных на этих установках.
В то же время, необходимость таких исследований возникает, в частности, при изучении низкотемпературных сплавов, таких как оловянно-свинцовые припои, или среднетемпературных сплавов типа «Инвар 33НКУЛ». Для формирования свойств этих сплавов имеет значение температурно-временной режим выплавки, поскольку их основным служебным свойством является низкий коэффициент температурного расширения, однозначно связанный с изменением плотности. Поэтому целесообразно исследовать металлические расплавы при различных температурах и, в конечном итоге, измерять их плотность непрерывно в одной и той же экспериментальной установке.
Использование устройств, предназначенных для исследований в широком диапазоне температур при изучении плотности металлических расплавов методом большой капли, при низких температурах связано с рядом трудностей. Основная из них - отсутствие самосвечения капли при относительно низких температурах, и как следствие, невозможность получить качественное фотоизображение.
Известно устройство для непрямого измерения плотности образца - капли расплава с известной массой образца, равной 10…40 граммов («большой капли»), лежащей на горизонтальной подложке, размещенной на конце штока в вакуумной камере горизонтального типа в изотермической зоне электропечи, на основе фотометрии, которую осуществляют по геометрическим характеристикам эллипсоида капли, посредством измерения параметров его контура (силуэта) и дальнейшего определения объема капли - см. Филиппов С.И. и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», Металлургия, М., 1968 г., стр.266…271, рис.114, 116 - аналог. При этом используют два метода измерения параметров силуэта. Первый основан на фотометрии собственного свечения капли. Его применяют при температуре капли более, примерно, +800К. Второй метод основан на освещении этой капли в режиме «на просвет», т.е. освещении капли со стороны, противоположной фотоприемнику. Его можно использовать при фотометрии капли с температурой меньше +800К, в частности, при охлаждении капли или при низкотемпературных исследованиях относительно легкоплавких сплавов типа оловянно-свинцовых припоев.
Осуществление второго метода требует использования устройства для определения плотности металлических расплавов, содержащего образец расплава, расположенный на подложке внутри горизонтальной цилиндрической вакуумной камеры электропечи, снабженной осевым смотровым окном, кварцевую призму внутри электропечи, фотоприемник, блок питания и источник света, расположенный снаружи электропечи у бокового смотрового окна - см. Ниженко В.И., Смирнов Ю.И. «Установка для определения поверхностных свойств и плотности расплавов с полуавтоматической подачей образцов в зону нагрева», в кн. «Методы исследования и свойства границ раздела контактирующих фаз», Киев, Наукова думка, 1977, с.33-40, рис.6 - прототип.
Недостатком устройства является недостаточная достоверность и точность определения геометрических характеристик контура эллипсоида капли вследствие, во первых, ограничения температурного диапазона работы кварцевой призмы, около +1400К, во вторых, оседания на этой призме и боковом смотровом стекле испаряющегося материала капли, а также их загрязнение. Это вызывает затруднения в проведении длительного непрерывного эксперимента и даже может вызвать его остановку. Усложняется конструкция устройства и его эксплуатация. Появляется необходимость осуществления дополнительного контроля прозрачности и очистки как призмы, так и бокового смотрового стекла. Применение бокового источника света связано с необходимостью существенных изменений конструкции устройства, например, введения дополнительных окон, изменения формы нагревателя и др. Это неизбежно ведет к увеличению погрешности измерений, в том числе по причине искажения температурного поля вакуумной камеры электропечи. С другой стороны, постоянное использование источника света в виде типового готового изделия, например, лампы накаливания или полупроводниковых светодиодов, размещенных внутри установки практически нереально из-за их разрушения, обусловленного высоким значением температуры внутри вакуумной камеры электропечи для разных сплавов, вплоть до 2300К, которые также изучают посредством данного устройства.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение продолжительности непрерывных измерений силуэта капли металлического расплава и расширение температурного диапазона экспериментов. В конечном итоге это обеспечит увеличение точности, достоверности и надежности результатов измерения плотности исследуемого расплава и обеспечит расширение функциональных возможностей устройства для определения плотности металлических расплавов.
Поставленная задача решается с помощью полезной модели устройства для определения плотности металлических расплавов.
Устройство для определения плотности металлических расплавов, содержащее образец расплава, расположенный на подложке внутри горизонтальной цилиндрической вакуумной камеры электропечи, снабженной осевым смотровым окном, фотоприемник, блок питания и источник света, отличающееся тем, что источник света размещен внутри вакуумной камеры электропечи со стороны, противоположной осевому смотровому окну, а между блоком питания и источником света включен регулятор тока.
Кроме того, источник света выполнен в виде нити накала из тугоплавкого материала, например, вольфрама.
Кроме того, источник света выполнен перемещаемым вдоль оси вакуумной камеры электропечи.
Кроме того, источник света выполнен в виде кластера, состоящего из нескольких источников света.
Кроме того, один из выводов блока питания и источника света электрически соединены с электропечью.
Кроме того, регулятор тока выполнен, в частности, в виде реостата.
Техническое решение, содержащее вышеуказанные совокупности ограничительных и отличительных признаков, позволяет считать предложенное техническое решение имеющими уровень полезной модели и обеспечивает увеличение продолжительности непрерывных измерений силуэта капли металлического расплава, а также расширение температурного диапазона экспериментов.
Увеличение продолжительности непрерывных измерений силуэта капли металлического расплава, а также расширение температурного диапазона экспериментов, обеспечивается за счет того, что источник света размещен внутри вакуумной камеры электропечи со стороны, противоположной осевому смотровому окну, а между блоком питания и источником света включен регулятор тока, и таким образом обеспечивается требуемый уровень освещенности силуэта капли со стороны, противоположной фотоприемнику, независимо от температуры внутри вакуумной камеры электропечи и временной стадии эксперимента.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом на фиг.1.
Устройство для определения плотности металлических расплавов содержит источник света 1, регулятор тока 2, фотоприемник 3, соосный с размещенной в электропечи вакуумной камерой горизонтального типа 4, коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5, капельный образец расплава фиксированной массы 6, расположенный на срезе цилиндрической подложки 7, закрепленной на одном из концов регулируемого штока 8. Другой конец его через вакуумный уплотнительный узел 9 соединен с узлом изменения положения подложки (на схеме не показан). Вакуумная камера 4 содержит осевое смотровое окно 10. На компьютерном дисплее (на схеме не показано) выводят фотоизображение капельного образца расплава фиксированной массы 6 и подложки 7. Блок питания 11 соединен с источником света 1 посредством регулятора тока
2. который регулирует яркость свечения источника света 1. Управление регулятором тока 2 осуществляют преимущественно вручную либо, в случае необходимости, сигналом от компьютера, управляющего, например, регулятором тока 2 в виде цифрового потенциометра, соединенного с усилителем мощности на выходе (на схеме не показано). Источник света 1 может быть одиночным или выполненным в виде кластера (на схеме не показан) содержащего несколько отдельных излучателей в виде нитей накала, соединенных последовательно или паракллельно.
2
3
Источник света 1 размещен, например, зафиксирован на регулируемом штоке 8 таким образом, чтобы осветить с торца внутренний объем коаксиального цилиндрического электронагревателя 5. Источник света 1 выполнен в виде тугоплавкой нити накаливания, например, вольфрамовой или молибденовой спирали, в частности, покрытой окисью АlO. извлеченной вместе с токоподводами из стеклянного вакуумированного баллона типовой, например, низковольтной маломощной 3…6 В электролампы подсветки шкалы ламповых радиоприемников. Важно, что один из критериев выбора напряжения, мощности, электроизоляции электропитания подобного источника света 1 - его электробезопасность. Оптимальный вариант подключения источника света 1: один из выводов источника света 1 и блока питания 11 соединен с металлической частью корпуса вышеуказанной электропечи, например, посредством кольцевого перемещаемого по регулируемому штоку 8 молибденового хомута (на схеме не показан). Другой вывод источника света 1 выполнен в виде вольфрамовой проволоки диаметром около 0,4 мм, например, от вольфрам-рениевых термопар, и через вакуумный уплотнительный узел 9 соединен с одним из выводов регулятора тока 2. Регулятор тока 2 выполнен в виде реостата, в качестве которого при ручной регулировке используют, например, проволочный низкоомный потенциометр типа ППЗ. Второй вывод регулятора тока 2 соединен с другим выводом блока питания 11. Фотоприемник выполнен в виде телекамеры, например, типа 3372Р Sanyo и соединен с компьютером посредством стандартного USB - кабеля. Коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5 выполнен из тугоплавкого немагнитного металла, например, молибдена, и обеспечивает изотермическую зону. Подложка 7 выполнена в виде цилиндрического тела из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой. Регулируемый шток 8 выполнен из молибдена. Вакуумный уплотнительный узел 9 сделан из вакуумной резины. Блок питания 11 представляет собой типовой маломощный трансформаторный низковольтный (2-9 В) источник питания, например адаптер от мобильного телефона Nokia 6610.
Устройство для определения плотности металлических расплавов работает следующим образом. На регулируемом штоке 8, в его части, близкой к вакуумному уплотнительному узлу 9, размещают, например, посредством вышеотмеченного молибденового хомута, одетого на регулируемый шток 8, закрепленный на этом хомуте источник света 1. Один из его выводов соединяют, например точечной сваркой, с вышеотмеченным молибденовым хомутом. Это обеспечивает электрическое соединение с регулируемым штоком 8 и, следовательно, корпусом электропечи. Второй вывод источника света 1 соединяют через вакуумный уплотнительный узел 9 с одним из выводов регулятора тока 2, который подключен к блоку питания 11. Подготавливают изучаемый образец 6, у которого определяют массу, его помещают на подложку 7 в центр высокотемпературной зоны вакуумной камеры электропечи горизонтального типа 4, после чего вакуумную камеру 4 закрывают и начинают эксперимент. После достижения вакуума в электропечи включают блок питания 11, регулируют, например, вручную посредством регулятора тока 2 яркость свечения источника света 1, при этом наблюдают на компьютерном дисплее фотоизображение, полученное фотоприемником 3, силуэта образца расплава фиксированной массы 6 и подложки 7. После установления оптимальной яркости продолжают все необходимые процедуры эксперимента. Наличие вакуума или инертных газов, например, гелия внутри вакуумной камеры 4, обеспечивает типовой длительный режим использования источника света 1 в виде нити накаливания. При окончании эксперимента сначала выключают блок питания 11 или устанавливают посредством регулятора тока 2 минимальную либо нулевую яркость источника света 1. Только после этого выполняют все остальные процедуры выключения устройства для определения плотности металлических расплавов.
Предложенная полезная модель позволяет реализовать увеличение продолжительности экспериментов, надежности и расширение функциональных возможностей устройства для определения плотности металлических расплавов, и в конечном итоге, повышение достоверности и точности полученных результатов по определению плотности исследуемого расплава.