Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf

методе поправка на тепловое расширение пикнометра при нагреве его до температуры опыта может достигать 48%. При определении плотности металлов методом максимального давления в газовом пузыре вводят по­ правки на тепловое расширение капилляров, доходящие иногда до 1—2%, а поправки на изменение объема жид­ кого металла вследствие погружения капилляра состав­ ляют ~ 3,5%. Наиболее отработанным является метод измерения плотности жидких металлов по конфигурации лежащей на огнеупорной подложке капли металла. Од­ нако всем используемым в настоящее время методам из­ мерения плотности расплавленных металлов присущ один серьезный недостаток, который ограничивает их возможности: между расплавленным металлом и мате­ риалом подложки или тигля наблюдаются неконтроли­ руемые реакции.

Для измерения плотности жидких меди, никеля и.железа в широком интервале температур использовали ме­ тод ПВС [148, 149]. Эти металлы выбраны для оценки возможностей нового метода, так как плотность этих ме­ таллов уже с большой точностью измерена надежными низкотемпературными методами. Схема эксперименталь­

дом ПВС осуществляют в камерах с внешним и внутрен­ ним расположением плавильного индуктора.

Образцы жидкого металла в многовитковых индукто­ рах имеют, как правило, яйцеобразную форму, удобную для последующего расчета. Для фиксации горизонталь­ ного и вертикального контуров этой капли, которые сни­ маются на один кадр скоростной кинокамерой, исполь­ зована специальная оптическая система. Форма капли по ходу плавки непрерывно изменяется и капля колеблется, поэтому в расчетах используют только фотоснимки жид­ кого металла в те моменты, когда ось его вращения со­ впадает с осью индуктора. Варьирование температуры жидкой капли в широком интервале осуществляется из­

ности состояниями покоя. Поэтому возникновение в кап­

159

Полученные методом ПВС результаты хорошо согла­ суются с экспериментальными зависимостями, опреде­ ленными методом максимального давления газового пу­ зыря [150]. Это подтверждает возможность использова­ ния метода ПВС для корректного измерения плотности жидких металлов при высоких температурах, что особен­ но важно для металлов с высокой реакционной способ­ ностью.

Поверхностное натяоісение

Большая роль поверхностных явлений во всех метал­ лургических процессах при производстве металла хоро­ шо известна. Характерной чертой поверхностного натя­ жения металлических расплавов является повышенная избирательная чувствительность к присутствию малых примесей. Методы измерения поверхностного натяжения делятся на две группы: статические и динамические. Значительная часть экспериментальных сведений по по­ верхностному натяжению определена с помощью стати­ ческих методов, к которым относятся методы лежащей капли, максимального давления в газовом пузырьке и т. д. Однако температурный диапазон измерения по­ верхностного натяжения этими методами относительно узок вследствие экспериментальных ограничений. Дина­ мические методы измерения поверхностного натяжения основаны на том, что измерение производится по пара­ метрам, характеризующим некоторый процесс, например, частоту колебаний в жидкой среде или длину распрост­ раняющихся на поверхности расплава капиллярных волн и т. д. Динамическим методом является и метод измере­ ния поверхностного натяжения парящей в электромаг­ нитном поле колеблющейся капли жидкого металла.

При использовании этого метода выявляются сле­ дующие особенности: отсутствие подложки, наличие сфе-

161

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