УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ОДНОРОДНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Предлагаемая полезная модель относится к технической физике, а именно - к способам измерения физических параметров веществ и предназначено для экспресс-диагностики однородности высокотемпературных металлических расплавов на основе Fe, Co, Ni в условиях цеха, путем бесконтактного определения вязкости этих расплавов посредством измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с образцом сплава в измерительной установке. Кроме того, сферой применения является металлургическое производство, в частности, коррекция технологических схем формирования заданных параметров расплава, например, для использования в магнитопроводах, путем оптимизации особенностей строения расплава.
3
Измерение физико-химических параметров металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности, вискозиметрия - определение вязкости v высокотемпературных расплавов, в объеме нескольких см, позволяет давать на предприятиях корректирующие рекомендации для получения сплавов с заданными однородными или равновесными характеристиками. При этом у подготовленного расплава должны отсутствовать следы предыстории, он должен быть равновесным, т.е. в данных условиях максимально однородным - см. Б.А.Баум и др. «Равновесные и неравновесные состояния металлических расплавов» - В кн. «Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов». М., ИЦК «Академкнига», 2002, с.216. Отсюда следует необходимость получения однородности расплава в плавильном агрегате. Необходимо отметить, что кинематическая вязкость ν металлических расплавов является структурночувствительным свойством, с помощью которого можно обнаружить изменения структуры в виде гистерезиса или аномальных перегибов температурных зависимостей (политерм) вязкости ν=F(T°). Поэтому использование устройств для вискозиметрии при термовременных исследованиях вязкости ν - в зависимости от температуры T° и времени t, позволяет судить об однородности многокомпонентных расплавов на основе Fe, Co, Ni.
i
i
i+1
i
i
i
i
к
пл
г
к
i
г
Политермы вязкости ν=F(T°) содержат характерные критические температурные точки и гистерезисные характеристики цикла нагрева-охлаждения. Однако, для высокотемпературных - +1200°C и более, расплавов, немногие устройства для вискозиметрии могут быть использованы на практике. В частности, это фотометрические устройства для измерения при нагреве и охлаждении расплава амплитуд затухающих колебаний A, декремента затухания δ=ln(A/A), временных значений t, числа n крутильных колебаний тигля с расплавом. Многократно повторенная (десятки раз за один эксперимент) процедура - закручивание тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити и измерение отклонений отраженного светового луча, т.е. амплитудно-временных параметров затухающих крутильных колебаний, является типовой для вышеуказанных устройств измерения вязкости v расплавов. При этом определяют число n, амплитуд A затухающих колебаний для определения декремента затухания δ в точках i температурного диапазона от нескольких сот градусов до температур, превышающих критические T. Характерными точками температурного диапазона являются температуры плавления T, гистерезиса T и критическая T. Величина декремента затухания δ и вязкости ν, прежде всего в этих точках, определенная из термозависимостей - политерм, обеспечивает необходимые сведения о расплаве. Если известно поведение политерм вязкости ν=F(T°) для конкретного сплава, ранее изученного в лаборатории, обнаружен гистерезис и его температура T, то целесообразно контролировать - произошел или нет переход расплава в новое, более однородное состояние.
n
2
Известно фотометрическое устройство для определения вязкости ν 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 (и вычисления на их основе δ) тигля с расплавом, 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.
0
n
i
Недостатками этого устройства являются продолжительность эксперимента с его использованием - до 10 часов, субъективность выбора количества колебаний n между измеряемыми амплитудами A и A - например, 8…11 колебаний - см. вышеуказанное С.И.Филиппов…, с.249, а также измерение параметров в максимальном количестве температурных точек T для построения точной политермы. Это затрудняет осуществление экспресс-диагностики однородности высокотемпературного расплава в производственных условиях - в цехе вблизи от плавильного агрегата.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для изучения кинематической вязкости расплавов - см. пат РФ №2434222, содержащее лабораторную фотометрическую вискозиметрическую установку, компьютер с запоминающим устройством, блок визуальной и звуковой сигнализации. Устройство используют для определения вязкости v расплава при нагреве и охлаждении образца этого расплава путем освещения световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом. При этом регистрируют амплитудно-временные параметры траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, измеряют полученный сигнал, из которого определяют параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом и логарифмический декремент затухания δ крутильных колебаний тигля с расплавом для последующего вычисления кинематической вязкости ν. Недостатками прототипа являются отсутствие устройства сравнения полученных и предварительных данных, а также линии связи между лабораторным устройством для изучения кинематической вязкости расплавов и операторами плавильного агрегата. Отсюда, прототип не обеспечивает экспресс-диагностику однородности высокотемпературного расплава непосредственно в условиях цеха вблизи от плавильного агрегата.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение и ускорение определения однородности высокотемпературных металлических расплавов в цеховых условиях производства.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для экспресс-диагностики однородности высокотемпературных металлических расплавов.
Устройство для экспресс-диагностики однородности высокотемпературных металлических расплавов, содержащее лабораторную фотометрическую вискозиметрическую установку, компьютер с запоминающим устройством, блок сигнализации, отличающееся тем, что в него введены устройство сравнения и линия связи, один из входов устройства сравнения соединен с первым портом компьютера с запоминающим устройством, другой вход и выход устройства сравнения соединены со вторым и третьим портами компьютера соответственно, а линия связи включена между четвертым портом компьютера и блоком сигнализации.
Предложенное технического решение обеспечивает упрощение и кратное ускорение определения однородности расплавов и возможность корректировки режимов плавки в цеховых условиях производства.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:
Фиг.1. Блок-схема измерительного комплекса;
Фиг.2. Термовременные соотношения при стандартном полном варианте определения вязкости ν расплава (• - нагрев, о - охлаждение);
Фиг.3. Термовременные соотношения при ускоренном варианте определения вязкости ν расплава.
Устройство для экспресс-диагностики однородности высокотемпературных металлических расплавов содержит лабораторную фотометрическую вискозиметрическую установку 1, компьютер 2 с запоминающим устройством 3, блок сигнализации 4, устройство сравнения 5, линию связи 6.
Устройство выполнено на следующих элементах: лабораторная фотометрическая вискозиметрическая установка 1 в виде устройства для изучения кинематической вязкости расплавов, совместно с управляющим и вычисляющим персональным компьютером 2 с запоминающим устройством 3 и блоком акустической и визуальной сигнализации 4 представляют собой измерительный комплекс, выполненный по прототипу - см. пат. РФ№2434222. Устройство сравнения 5 оптимально представляет собой компьютерную программу, встроенную в компьютер 2 с запоминающим устройством 3, или выполнено как дискретное устройство - цифровой компаратор в виде КМОП микросхемы К561ИП2 - см. Ланцов А.Л. и др. «Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных схемах», М., Радио и связь, 1983, с.33, табл.2.1; либо ТТЛ - устройство двоичного сравнения чисел - см. Горошков Б.И. «Элементы радиоэлектронных устройств», М., Радио и связь, 1989, с.140, рис.11.16. В качестве линии связи 6 используют предпочтительно внутризаводскую телефонную линию, бесшнуровой радиотелефон или мобильный телефон.
Устройство работает следующим образом.
Устройство размещают например, в заводской лаборатории при сталеплавильном цехе. В случае выпуска одного и того же сплава например, постоянно или на протяжении нескольких месяцев подряд, сначала определяют полные подробные политермы данного расплава при нагреве и охлаждении по всей температурной шкале. Наличие гистерезиса на политерме при охлаждении отражает увеличение значений вязкости ν по отношению к политерме нагрева - см. Еланский Г.Н., Еланский Д.Г. «Строение и свойства металлических расплавов», М., МГВМИ, с.180-181. Эти результаты - полные подробные политермы, получают посредством вышеописанного измерительного комплекса, значения результатов сохраняют в виде электрических сигналов в запоминающем устройстве 3 компьютера 2, а в последующих экспериментах эти сигналы через один из портов компьютера 2 поступают на один из входов устройства сравнения 5 как опорные сигналы, значение которых служит стандартом для данного расплава.
i
т
пл
i
пл
к
пл
пл
По ходу проведения плавки в плавильном агрегате отбирают пробу высокотемпературного расплава для проверки химсостава в заводской лаборатории. Из этой же пробы готовят образец массой несколько десятков граммов, помещают его в тигель, который подвешивают в зоне нагрева электропечи (на схеме не показано) вышеуказанной вискозиметрической измерительной установки 1. Ускоренный эксперимент по определению вязкости ν осуществляют максимально быстро, для чего количество температурных точек T ограничивают одним замером: i=1, который производят после расплавления образца вблизи температуры плавления T. Затем рассчитывают посредством компьютера 2 с запоминающим устройством 3 величину вязкости ν для ускоренного эксперимента, электрический сигнал, отражающий величину этой вязкости ν с одного из портов компьютера 2 подают на другой вход устройства сравнения 5, которое сравнивает этот электрический сигнал с опорным, отражающим максимальное значение полной термозависимости вязкости ν. На фиг.2 приведена полная термовременная зависимость 7, 8 высокотемпературного расплава, измеренная на протяжении нескольких часов для вязкости ν, полученная ранее из образцов этой же марки сплава, выплавленного на этом же плавильном агрегате в предыдущих плавках. При этом на каждом замере производят i=10-15 измерений (полное время каждого измерения 10-15 минут) при каждой температуре T со стандартной точностью +/-5°C. Термовременную зависимость получают посредством определения вязкости ν с шагом - «ступенью» величиной +20…+50°C, начиная с T 9 от начала процедуры нагрева 7 до температуры Ti, превышающей величину T 10 на +20…+50°C. Охлаждение 8 продолжают до температуры T 9. При ускоренном эксперименте производят одно измерение 11 - см. фиг.3, при этом нагрев превышает T 9 на n°C=+10…+40°C для увеличения достоверности достижения полного расплавления образца. При этом сигнал с выхода устройства сравнения 5, например в виде одного или нескольких импульсов, поступает в компьютер 2, который, кроме управления измерительной установкой 1, on-line транслирует с одного из портов, посредством линии связи 6, сигнал на вход блока сигнализации 4, который визуально и акустически сигнализирует персоналу, управляющему плавильным агрегатом, о наличии (или отсутствии) нового равновесного однородного состояния расплава с возможным одновременным использованием блока 4 визуальной и звуковой сигнализации как на пульте управления плавильного агрегата, так и в непосредственной близости от него.
пл
к
к
к
Если результат ускоренного опыта, полученный посредством предлагаемой полезной модели, показал значения вязкости ν сплава, соответствующие значениям ветви охлаждения политермы (с повышенными значениями вязкости ν), то расплав в плавильном агрегате в момент отбора пробы перешел в новое равновесное однородное состояние. Если в ускоренном опыте значения вязкости ν сплава остались на уровне значений вязкости ν сплава на ветви нагрева полного подробного опыта вблизи температуры плавления T, то во время выплавки в плавильном агрегате расплав не приведен в состояние однородности, т.е. не была достигнута критическая температура T. На основе такого результата можно осуществить корректировку процедуры плавки посредством нагрева расплава до температуры T и привести расплав в однородное состояние непосредственно в плавильном агрегате по ходу плавки, не кристаллизуя сплав и не проводя повторное плавление с нагревом до выбранной критической температуры T. Сокращение времени ускоренного эксперимента кратное и при сопоставимой точности составляет примерно 4 раза.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает упрощение и кратное ускорение экспериментов по определению однородности расплавов с возможностью корректировки режимов плавки высокотемпературных металлических расплавов в цеховых условиях, при этом осуществляют контроль качества выплавки данного расплава по ходу плавки.