Устройство оценки равновесности металлических расплавов

Полезная модель относится к технической физике, а именно, к устройствам измерения термовременных зависимостей физических свойств веществ, и предназначено для определения параметров физических свойств расплавов металлических сплавов, преимущественно сталей, при определении этих зависимостей у образцов сплавов бесконтактным фотометрическим методом, основанным, в частности, на изучении крутильных колебаний размещенного в электропечи цилиндрического тигля с образцом расплавляемого и охлаждаемого вышеуказанного образца. Дополнительной сферой применения являются металлургия, в том числе разработка и корректировка технологических схем производства сплавов с заданными свойствами.
3
г
ан
кр
Изучение термовременных зависимостей свойств образцов металлических сплавов объемом в единицы см позволяет определить их структурно - чувствительные характеристики, проводить прогностический анализ и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками, например, выделять гистерезисные характеристики цикла нагрева и охлаждения, характерные температуры гистерезиса t°, аномальные t° и критические t температурные точки. Для исследований металлических расплавов, в частности на основе железа, кобальта, никеля в основном используют устройства бесконтактного фотометрического - на базе измерения траектории отраженного от зеркала светового луча - «зайчика», определения параметров расплава, например, вязкости ν(t°) или удельного электросопротивления ρ(t°) изучаемого образца посредством определения параметров крутильных колебаний упругой нити с подвешенным на ней в электропечи тиглем с этим образцом - см. пат. РФ №169451 - полезная модель - аналог.
Анализ вида и характеристик термовременных зависимостей - политерм необходим, поскольку они отражают различные физико-химические и структурные параметры данного сплава, в том числе аномалии, скачкообразные структурные изменения или перестройки, происходящие в расплаве, причем такой анализ требует высокой квалификации и опыта экспериментатора. Как правило, расплав является неравновесным, а характер структурных изменений при нагреве жидкого металла не монотонен.
ан
L
ан
ан
г
кр
ан
г
ип
г
ан
ип
Для подобных сплавов монотонная зависимость сохраняется лишь до определенных аномальных температур t°, при этом интервал температур от температуры ликвидуса t до аномальных температур t° отражает термическую устойчивость первичной неравновесной структуры расплава, образующейся после плавления шихты. Например, интенсивное увеличение удельного электросопротивления ρ(t°) начинается от t° и продолжается по сложной кривой до температуры гистерезиса t°, но устойчивое состояние формирующейся равновесной структуры расплава достигается лишь при нагреве до критических температур t. Температурный интервал между t° и температурой гистерезиса t° характеризует интенсивность перестройки структуры расплава в равновесное состояние, т.е. Δt°=t°-t°. Поскольку температурный интервал Δt° зависит от качественного и количественного состава сплавов, он может существенно отличаться у различных сплавов, как и физические свойства этих сплавов, например вязкость ν(t°) или удельное электросопротивление ρ(t°). При этом вид температурных зависимостей - политерм ν(t°) или ρ(t°) при охлаждении свидетельствует о сохранении равновесного структурного состояния вплоть до температур кристаллизации. Под равновесным структурным состоянием следует понимать - см. Еланский Г.Н. Еланский Д.Г. «Строение и свойства металлических расплавов», М., МГВИ, 2006, с. 180-181, такой режим существования атомарной системы, при котором ее интегральные показатели, такие как взаимное расположение атомов и свойства, характеризуются неизменностью и незначительными колебаниями основных параметров относительно среднего значения, а обобщенная структура системы неизменна во времени и пространстве. Равновесность металлического расплава позволяет, в частности, при прочих равных условиях, расширить на порядок стабильный температурный участок Δt° значений физических свойств этого сплава, например, ν(t°) и ρ(t°). Это позволяет снизить требования в металлургическом производстве, в частности к температурным режимам, как при выплавке, так и обработке, например, при ковке нагретого изделия.
n
2
Известно фотометрическое устройство для определения вязкости ν(t°) путем регистрации амплитудно-временных параметров траектории светового луча, отраженного от зеркала, закрепленного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, а в конечном итоге - измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом и вычисления на их основе δ, происходящего после выключения процесса принудительного закручивания упругой нити на определенный угол. При этом используют вычисленное значение декремента затухания δ, для чего измеряют амплитуды затухающего колебания A и число колебаний n между ними - см. С.И. Филиппов и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1968, с. 242, 243, 246-251, - аналог. Основой вычисления вязкости ν является ее связь с декрементом затухания δ: ν ~ δ см. формулу XVI-37, вышеуказанное С.И. Филиппов …, с. 248.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство, содержащее лабораторную фотометрическую установку, выполненную с возможностью наблюдения, запоминания и сигнализации - пат. РФ №121587 - полезная модель.
Недостатками оценки равновесности металлических расплавов изучаемых сплавов посредством вышеуказанных аналогов и прототипа являются недостаточность, неоднозначность и субъективность качественной оценки равновесности при отсутствии ее количественной оценки. Вследствие этого затруднены возможности анализа значений физических свойств образцов изучаемого сплава, в частности при различных термовременных режимах нагрева и охлаждения расплавов. Кроме того, не обеспечена возможность осуществления данной оценки персоналом невысокой квалификации, например студентами. В конечном итоге, не обеспечена наглядность, достоверность и точность оценки равновесности металлических расплавов при изучении термовременных зависимостей свойств образцов изучаемых сплавов.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности получения количественной оценки равновесности металлических расплавов, а также обеспечение возможности корректировки на ее основе режимов плавки и обработки изделий из изучаемого сплава, уменьшение субъективности оценки равновесности металлических расплавов, повышение точности этой оценки, и кроме того, обеспечение возможности ее осуществления персоналом невысокой квалификации, например студентами. В конечном итоге, это обеспечит возможность повышения наглядности, достоверности и точности оценки равновесности металлических расплавов образцов изучаемых сплавов.
При осуществлении заявляемой полезной модели устройства решается проблема отсутствия устройств данного назначения и, соответственно достигается технический результат, который заключается в реализации назначении устройства.
Указанная проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели -устройства для оценки равновесности металлических расплавов.
Заявляемая полезная модель устройства для оценки равновесности металлических расплавов содержит запоминающее устройство, лабораторную фотометрическую установку, соединенную посредством линии связи с блоком сигнализации.
От прототипа полезная модель устройства отличается тем, что в него введены шина синхронизации, блок деления, имеющий, по меньшей мере, один сигнальный и один синхронизационный входы, коммутатор, имеющий, по меньшей мере, один сигнальный и один синхронизационный входы, выход шины синхронизации соединен с синхронизационными входами блока деления и коммутатора, вход блока деления соединен с выходом коммутатора, входы шины синхронизации и коммутатора, а также выход блока деления соединены с вышеуказанной установкой.
н
н
Таким образом, при реализации заявляемой полезной модели достигается получение количественной оценки равновесности металлических расплавов в виде коэффициента равновесности К образца изучаемого расплава, обеспечение возможности анализа значений коэффициента К, в частности при различных термовременных режимах обработки изучаемого расплава и корректировки режимов плавки, уменьшение субъективности оценки равновесности расплава, повышение наглядности, достоверности и точности ее оценки, а также обеспечение возможности получения данной оценки персоналом невысокой квалификации, в том числе студентами.
Предлагаемая полезная модель устройства оценки равновесности металлических расплавов поясняется блок - схемой, приведенной на фиг. 1.
Устройство оценки равновесности металлических расплавов содержит лабораторную фотометрическую установку 1, выполненную с возможностью сигнализации, наблюдения и запоминания посредством компьютера с дисплеем 2 и запоминающим устройством 3, шины данных и управляющих электрических сигналов 4, блока сигнализации 5, в состав которой входят электропечь (на схеме не показано), шина синхронизации 6, блок деления 7, коммутатор 8.
1
2
1
2
н
1
2
i
i
н
1
2
1
2
i
i
Устройство выполнено на следующих элементах: лабораторная фотометрическая установка 1 представляет собой устройство с электропечью для изучения термовременных зависимостей физических свойств веществ, преимущественно кинематической вязкости расплавов ν(t°), соединенное шиной данных и управляющих электрических сигналов 4 с компьютером с дисплеем 2 и запоминающим устройством 3, а также блоком сигнализации 5, и выполнено по прототипу - см. пат. РФ №121587 - полезная модель. Шина данных и управляющих электрических сигналов 4 - многопроводный шлейф, в том числе с USB-кабелем. Шина синхронизации 6 - витая пара или USB кабель в случае реализации в дискретном виде блока деления 7 и коммутатора 8, либо компьютерная подпрограмма при их виртуальном исполнении. Блок деления 7 может быть выполнен с возможностью установки регулируемого порога. Блок деления 7 выполнен, предпочтительно, в виде виртуального блока, но может быть выполнен как дискретное устройство. Например, для получения отношения двух электрических сигналов 9 и 10 в аналоговом виде, каждый из которых отображен на дисплее компьютера 2 в виде значения экспериментально определенного физического свойства, в частности вязкости ν(t°) и ν(t°), они поступают одновременно на соответствующие два входа блока деления 7. В этом варианте блок деления 7 выполнен в виде схемы вычислителя отношения на микросхеме фирмы Analog Devices AD534 - см. P. Граф, В. Шиитс «Энциклопедия электронных схем», т. 6, кн. 5, М., 2003, с. 117-118. Блок деления 7 может быть выполнен в виде калькулятора, включенного в режиме арифметического деления, например в режиме процентных вычислений. При этом в него вручную вводят вышеуказанные числовые значения вязкости ν(t°) и ν(t°). На дисплее калькулятора фиксируется величина вычисленного коэффициента равновесности К. В случае цифровых сигналов 9 и 10, которые отражают значения ν(t°) и ν(t°), блок деления 7 выполнен в виде стандартного электронно-счетного частотомера, например, Ч3-63, Ф5137, Protec U 3000А, включенного предпочтительно в типовом режиме измерения отношения частот f=ϕ[(ν(t°)]. На его дисплее зафиксирована цифровая величина коэффициента равновесности К, равная отношению, например, частот импульсов f и f, однозначно связанных с значениями вязкости ν(t°) и ν(t°) образца изучаемого расплава f=ϕ[(ν(t°)]. Вариантом реализации блока деления 7 является портативный частотомер на дискретных элементах и одной микросхеме фирмы Intersil ICM7216A - см. сайт http://www.intersil.com. Также вариантом реализации блока деления 7 является микроконтроллер с программой расчета отношения подаваемых на его входы цифровых сигналов 9 и 10, например STM32 фирмы STMicroelectronics. Коммутатор 8 выполнен, предпочтительно, в виртуальном виде, либо представляет собой дискретный элемент в виде микросхемы 4-канального коммутатора К561КТ3 - см. В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы», Справочник, М., Радио и связь, 1987, с. 225-226. Он может использовать один открытый канал в случае последовательной передачи данных из вышеуказанной установки 1, посредством запоминающего устройства 3 компьютера с дисплеем 2, на один вход блока деления 7. Однако предпочтительно четное число открытых каналов, например два, в случае параллельной передачи этих же сигналов 9 и 10 раздельно на два входа блока деления 7.
Полезная модель устройства работает следующим образом.
пл
к
i
1
2
1
2
пл
пл
1
2
1
2
1
2
i
11
н
1
2
1
2
Приготовленный образец сплава массой несколько десятков граммов размещен в тигле, который подвешен в зоне нагрева электропечи (на схеме не показано) вышеуказанной установки 1. В течение нескольких часов осуществляют эксперимент по определению физического свойства, например, вязкости ν расплава образца в диапазоне температур от расплавления t° до критической температуры t° в режиме нагрева и последующего охлаждения до кристаллизации. Затем рассчитывают, например, посредством компьютера 2 с запоминающим устройством 3, величины вязкости ν. Значения результатов в виде политерм, декремента затухания δ крутильных колебаний тигля с расплавом и рассчитанной на этой основе вязкости ν(t°), представляют собой кластер электрических сигналов, сохраненный в запоминающем устройстве 3 компьютера 2. Выбирают два значения вязкости ν(t°) и ν(t°) при одной и той же температуре t° на ветвях нагрева ν(t°) и охлаждения ν(t°), например t°=t°+(10…100)°С, превышающей температуру плавления t° расплава на +(10-100)°С. При данной температуре t° образец находится в жидком состоянии. Сигналы, отражающие величины вязкости ν(t°) и ν(t°) из вышеуказанной установки 1 посредством компьютера 2 поступают на коммутатор 8. В зависимости от синхронизационных сигналов 6, также поступающих из вышеуказанной установки 1 посредством компьютера 2 на синхронизационный вход коммутатора 8, сигналы, отражающие величину вязкости ν(t°) и ν(t°) имеются на одном из входов при последовательной передаче данных, либо, преимущественно, раздельно на двух входах блока деления 7 в виде электрических сигналов А 9 и А 10. Электрический сигнал 11 на выходе блока деления 7 представляет собой значения безразмерного коэффициента равновесности K=К=К, равного отношению A 9 и А 10, эквивалентному ν(t°) и ν(t°) образца изучаемого расплава:
н
i
н
i
н
i
При этом К=K≤1. Однако, чем ближе получают значение коэффициента К=K к предельному теоретическому значению К=K=1, тем полагают более равновесным состояние структуры изучаемого образца.
н
,
н
пор
н
пор
н
н
пор
Кроме того, после накопления массива данных по значениям коэффициента равновесности К, полученным, например за 10-20 экспериментов, возможно осуществление выбора, например, посредством блока деления 7, заданного порогового значения К. коэффициента К для данного сплава, сохранение его в виде электрического сигнала U. в запоминающим устройстве 3 и блоке сигнализации 5 для оповещения экспериментатора об изменении коэффициента равновесности К, полученного в текущем эксперименте, например, до уровня ниже порогового К.
1
2
1
2
1
9
1
2
10
2
11
н
9
10
н
н
-7
2
-7
2
Пример. При изучении термовременных зависимостей вязкости образца расплава одной из сталей, определены величины ν(t°)=6,5⋅10 м/с; ν(t°)=7,5⋅10 м/с. При сигналах A 9 и А 10, представленных, например, в виде однополярных аналоговых уровней напряжения А=U=ψ{ν(t°)}=+6,5В; А=U=ψ{ν(t°)}=+7,5В, получаем электрический сигнал U 11 на выходе блока деления 7 в виде отношения К=U/U в соответствии с формулой (1), К=6,5В/7,5В=0,87. Это отношение и является величиной коэффициента равновесности К=0,87.
н
i
ст
ст
Если в результате термовременной обработки расплава этого сплава коэффициент равновесности К возрастет до значений, более близких к единице, это будет свидетельствовать об уменьшении степени неравновесности расплава, и в конечном итоге, повышении качества сплава. Например, в этом случае для одного из жаропрочных сплавов вблизи температуры t = +950°С было определено расширение температурного диапазона Δt° с 20°С до 200°С стабильных значений физических свойств (показатели технологической пластичности, относительное удлинение, относительное сужение). Увеличение этого диапазона Δt° у образца изучаемой стали ведет к снижению технологических, энергетических и экономических затрат, например при ковке.
н
Отличительные признаки предлагаемой полезной модели обеспечивают возможность получения количественной оценки равновесности металлических расплавов в виде коэффициента равновесности К. Это обеспечивает дополнительную информацию о расплавах и корректировки на ее основе режимов плавки и обработки сплава. Кроме того, уменьшается субъективность оценки равновесности металлических расплавов, возрастает точность этой оценки, а также обеспечивается возможность осуществления данной оценки персоналом невысокой квалификации, например студентами. В конечном итоге, возрастает наглядность, достоверность и точность оценки равновесности металлических расплавов.