книги из ГПНТБ / Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии

рической капли п, наконец, возможность изменения тем­ пературы .в довольно широких пределах. По всей веро­ ятности, можно определять поверхностное натяжение с помощью ПВС по соотношению между поверхностным натяжением и тангенциальным напряжением, необходи­ мым для отрыва струи от основной массы расплавлен­ ного металла в процессе регулируемого слива в излож­ ницу, однако из-за экспериментальных трудностей этот способ до сих пор не осуществлен.

Метод измерения поверхностного натяжения при ис­ пользовании ПВС описан в работе [161]. Метод основан на взаимосвязи между частотой колебания капли и по­ верхностным натяжением. Небольшие колебания жидкой массы относительно равновесной сферы фотографиру­ ются высокоскоростной кинокамерой при различных температурах исследуемого металла.

Для определения поверхностного натяжения у по колебательной частоте со жидкой ка-пли массой М было использовано уравнение

8

Это уравнение требует соблюдения ряда условий. Ис­ следуемая сфера должна быть заполнена несжимаемой жидкостью с чрезвычайно малой вязкостью, причем вяз­ кость окружающей среды должна быть также мала. Дви­ жение внутри жидкости не должно носить вращательно­ го характера, а колебания сферы относительно верти­ кальной оси симметричны. Происхождение сил, придаю­ щих капле сферическую форму (поверхностное натяже­ ние, гравитационные силы), не имеет значения. Были подробно проанализированы указанные факторы и ока­ залось, что даже если роль отдельных параметров воз­ растает больше, чем диктуемая условиями применения уравнения (62), их влияние на измерение поверхност­ ного натяжения оказывается незначительным. Например, форма капли заметно изменялась в зависимости от ее массы, т. е. на каплю наряду с поверхностным натяже­ нием действовали гравитационные силы. Чтобы не вво­ дить в уравнение (52) поправок на искажение сфериче­ ской формы, измерение поверхностного натяжения про­ водили на образцах небольшой массы. Было также уста­ новлено, что амплитуда колебаний расплавленной капли изменялась в зависимости от размеров или объема кап-

162

ли. Измеренные величины поверхностного натяжения образцов массой 0,5— 1,0 г не зависели от объема жид­ кой капли. Вязкость жидкой капли также имела боль­ шое значение и изменялась с температурой, что могло привести к затуханию колебаний в капле.

Вместе с тем при расчете поверхностного натяжения по указанному уравнению отпадает необходимость в дан­ ных по плотности жидкого металла, а ранее этот факт был одним из серьезных источников погрешностей при определении поверхностного натяжения.

Экспериментальная установка для измерения поверх­ ностного натяжения принципиально не отличается от ус­ тановок, использованных при исследовании физико-хи­ мических процессов в гетерогенных системах методом ПВС. Измерение температуры и высокоскоростная ки­ носъемка производятся через боковые стекла. В иссле­ дованном диапазоне температур точностьизмерения тем­ пературы составляла ±10°С. Перед проведением опыта камеру вакуумировали и заполняли очищенным гелием с добавкой 6% водорода. Затем эту операцию повторяли. Окислительный потенциал газовой смеси (по расчету) составлял около ІО-15 ат. Напуск очищенной газовой смеси осуществляли со скоростью 1 л/ч. Исследуемый об­ разец с помощью манипулятора вводили в плавильный индуктор, расплавляли и выдерживали некоторое время при необходимой температуре. Съемку вертикальной и горизонтальной проекций жидкой капли производили на один кадр кинопленки. Обработанную кинопленку прое­ цировали на специальный экран и определяли число кад­ ров, приходящихся на одно колебание капли. Частоту колебаний рассчитывали по скорости съемки и числу кадров на одно колебание, а затем на основании этих данных по уравнению . (52) рассчитывали поверхностное

Опыты проводили на жидких железе и никеле. Масса исследованных образцов составляла 0,6—'1,0 г, поскольку образцы массой > 1 ,0 г обладали искаженной формой (рис. 77). При проведении опытов серьезное внимание уделялось возможности вращения капель около верти­ кальной оси. Причина вращения состояла в неравномер­ ности электромагнитного поля индуктора, которая воз­ никала из-за несимметрии этой конструкции токоподводов. Стабильность капли увеличивалась при наклоне об-

163

г

Рис. 76. Полный цикл одного колебания капли жидкого металла

164

ратных Витков индукторов в сторону, противоположную токоподводам.

Усредненное значение поверхностного натяжения жидкого железа, полученное методом ПВС, для 1550°С оказалось равным 1781 дин/см [15]. Ранее методом лежа­ щей капли для 1550°С зафиксировали значение поверх­ ностного натяжения для жидкого железа в интервале 1230— 1865 дин/см, причем последнее значение считается наиболее точным. Оказалось, что уравнение линейной регрессии наиболее полно описывает данные, получен­ ные методом ПВО для железа и никеля в исследованном диапазоне температур (рис. 78). Как видно из рис. 78, с

ч. 1350

I" 1850

^ 1 7 5 0 ________________

1450 1500 1550 IcÖÖ І650 1700 1750 t,°C

Рис. 78. Зависимость лов&рхностного натяжения никеля

(/) « железа (2) от температуры

ростом температуры поверхностное натяжение чистого железа и никеля возрастает. Следует заметить, что та­ кую сильную зависимость поверхностного натяжения от температуры правильнее было бы связать с наличием различных примесей в жидком металле [152]. Для более точного измерения поверхностного натяжения описанным методом необходимо вводить поправки на изменение амплитуды колебаний в зависимости от размера капли и на отклонение действительной формы капли от сфери­ ческой. Тем не менее этот метод представляется очень перспективным для проведения высокотемпературных измерений, для которых невозможно применение сущест­ вующих способов.

Энтальпия и теплоемкость металлов

Ограниченное количество экспериментальных термо­ динамических данных для металлов с относительно вы­ сокой температурой плавления в диапазоне температур 1350— 1750°С и более объясняется трудностями высоко­ температурного калориметрического эксперимента.

В некоторых случаях для определения гермодина­ мических свойств жидких металлов оказывается возмож-

165

Ным использование фазовых диаграмм и электрохими­ ческих методов, однако значительно чаще для этих це­ лей используют различные калориметрические методы (например, калориметры со сбрасыванием образцов). Широкое применение высокотемпературной калоримет­ рии для исследования термодинамических свойств жид­ ких металлов задерживается из-за трудностей получения стабильных температур 1500—2000 К. и более и отсутст­ вия соответствующих жаропрочных материалов, способ­ ных работать при повышенных температурах без хими­ ческого взаимодействия с исследуемым образцом. Боль­ шинство контейнерных материалов при повышенных тем­ пературах активно взаимодействует с исследуемыми ме­ таллами.

Контейнеры, выполненные из платины, вольфрама и тугоплавких сплавов, вносят ошибки в количество из­ меряемого тепла. Эти факторы вынуждают производить учет этих погрешностей с помощью специально разра­ ботанных методик.

Благодаря сочетанию уникальных возможностей ПВС и традиционного метода изотермической калориметрии создан новый способ для калориметрического изучения термодинамических свойств перегретых и расплавленных металлов и соединений. Применение ПВС в калоримет­ рии открыло пути для измерения энтальпии, теплоемкос­ ти и других характеристик при температурах >2700°С. Проведены исследования расплавов меди, кобальта, железа, палладия, титана, платины, ванадия, ниобия и молибдена. При этом данные, полученные этим новым методом, очень хорошо совпадают с результатами тра­ диционных калориметрических методов.

Применение ПВС в калориметрии выявило ряд труд­ ностей, основные из которых состояли в необходимости точного измерения температуры исследуемого образца и внесения поправок на потери тепла, происходящие при падении образца [71]. Последующими опытами было установлено, что температуру металла при использова­ нии ПВС в калориметрии можно измерять с достаточной точностью. Определение тепловых потерь в процессе па­ дения образца в таких калориметрах оказалось более трудным, чем в обычных калориметрах. Однако и эта проблема была решена за счет разработки соответствую­ щей конструкции плавильной камеры и калориметра.

Благодаря парению чистых металлов с большой реак-

166

цйонной способностью, совершенно отпала необходимость в контейнерах, и опыт показал, что значительно снижа­ ется время не только достижения высоких температур, но и установления термического равновесия в калори­ метрической системе.

Установка для ПВС, использованная в калориметрии, показана на рис. 79 [84]. Она состоит из двух основных

генератор и открывается вход в калориметр. Падение об­ разца происходит в течение 0,19 с. Заслонка калоримет­ ра автоматически закрывается через 0,30 с после начала падения образца. Затем производят необходимые темпе­ ратурные измерения. Для контроля потерь массы за счет разбрызгивания и испарения образец в конце экспери­ мента взвешивают.

167

Температуру металла измеряют оптическим пиромет­ ром через боковые стекла, вмонтированные во фланцы камеры. Стекла защищены от металлических брызг и напыления специальными экранами. В случае измерения температуры жидких образцов провели [116] специаль­ ные микропирометрические исследования, которые пока­ зали, что температурные колебания поверхности капли не превышают 0,5% от номинальной температуры, и кап­ ля жидкого металла находится в изотермических усло­ виях благодаря интенсивному электромагнитному пере­ мешиванию расплава. С этой точки зрения условия для измерения термодинамических свойств жидких металлов наиболее благоприятны и уже теперь ПВС широко при­

Энтальпию молибдена определяли в диапазоне темпера­

инертных газов, причем результаты этих опытов, прове­ денных при одинаковых температурах, хорошо согласу­ ются между собой: максимальный разброс эксперимен­

метрии при проведении термодинамических исследова­ ний жидких металлов позволит получить сведения для большого числа металлов. В настоящее время активно продолжаются работы по измерению термодинамических характеристик железа, кобальта, титана, молибдена, тан­ тала и других металлов, а также тугоплавких карбидов, нитридов и других соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние десятилетия метод ПВС был подкреп­ лен разработкой теоретических основ и демонстрацией его технических возможностей. В настоящее время он является единственным экспериментальным методом,, имеющим уникальнейшие особенности, которые выгод­ но отличают его от других методов. Образец жидкого ме­ талла не соприкасается с материалом тигля или твер­ дым металлом ни на каком этапе плавки, выдержка это­ го расплава происходит в контролируемой атмосфере, а

168

отраслях современной промышленности уже сейчас на­ ходят 'применение отливки небольшой массы. Например, большое число миниатюрных отливок требуется для электронной и ракетной техники. При использовании ПВС для такого производства можно не только с боль­ шой точностью и в значительном объеме отливать дета­ ли из тугоплавких сплавов, но и одновременно легиро­ вать жидкий металл с помощью газовой или шлаковой фаз. Хотелось бы дополнительно подчеркнуть, что от­ ливки, полученные методом ПВС, практически не требу­ ют никакой дополнительной механической обработки. Широко используется метод ПВС для получения тончай­ шей проволоки с изоляционным покрытием из плавленою материала.

Метод ПВС уже с успехом применен для анализа га­ зообразующих с помощью расплавления в реакционной камере, заполненной газом или под вакуумом. При этом производится анализ одного или нескольких образцов металла, сбрасываемых в подвешенную в электромаг­ нитном поле ванну жидкого металла. Такая аналитичес­ кая система наиболее удобна в сочетании с методом изо­ топного разбавления для определения примесей внедре­ ния в различных металлах. Описанный аналитический метод уже использован для быстрого и точного анализа

ласти плавки металлов и сплавов во взвешенном состоя­ нии, которые за последние годы были проведены в раз­ личных лабораториях мира, до сих пор остаются нере­ шенными некоторые вопросы, потребующие, по всей ве­ роятности, дополнительных серьезных усилий исследова­ телей:

1.Увеличение массы жидкого металла, находящегося

вэлектромагнитном поле.

2.Плавное регулирование температуры жидкой капли

вшироких пределах с помощью простых технических средств.

3.‘Контролируемый слив жидкого металла по «маг­ нитному каналу» и вытягивание монокристаллическнх стержней различной геометрии и размеров.

4.Надежный и простой метод расчета конструкции плавильных индукторов для плавки металлических об­ разцов различной массы и физическими -свойствами.

170

3 О к г е s s Е. С., W r o u g h t o n D. М., Со m е n е t z G. а. о. —

с. 19—122 с ид.

J71