Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 117
Скачиваний: 0
г
Рис. 76. Полный цикл одного колебания капли жидкого металла
Рис. |
77. |
Форма |
нерасплавленьоіо |
мемлличм |
|||
шарика (а) и капель жидкого железа |
(б |
г; |
(боко . |
||||
Р |
>вал проекция) |
различной массы три П.ВС. |
|||||
|
а - |
0 48 г ; |
б - |
0,58 г; в - 0,72 г; |
г - |
0,99 |
г |
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
частей: камеры для нагрева и |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
плавки |
исследуемого |
образца |
|
|
|
|
|
|
|||||||
во |
взвешенном состоянии |
и |
|
|
|
|
|
|
|||||||
собственно калориметра с изо |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
термической |
оболочкой. |
Пла |
|
|
|
|
|
|
|||||||
вильный |
индуктор |
|
помещает |
|
|
|
|
|
|
||||||
ся в металлической |
|
или квар |
|
|
|
|
|
|
|||||||
цевой |
камере, |
а непосредствен |
|
|
|
|
|
|
|||||||
но под индуктором |
|
находится |
|
|
|
|
|
|
|||||||
подвижный |
водоохлаждаемый 6 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
стальной диск с медной из |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ложницей, которая предназ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
начена для непредусмотренно-^ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
го слива |
металла. |
В плавиль-у |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ной камере установлена систе- Г |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ма |
экранов |
для |
поглощения |
|
|
|
|
|
|
||||||
тепла, |
излучаемого |
образцом |
|
|
|
|
|
|
|||||||
жидкого металла. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Исследуемый образец с по- |
|
|
|
|
|
|
||||||||
мощью манипулятора помеща- |
Рн'С. 79. |
Схема |
установки |
-для |
|||||||||||
ют в индуктор |
н после вакуу |
использования іПВС © калори |
|||||||||||||
|
|
метрии:* |
|
|
|||||||||||
мирования |
и заполнения |
|
ка |
1— исследуемый |
металл; |
2 — |
|||||||||
меры газовой смесью проверя |
плавильный |
индуктор; |
3 —из |
||||||||||||
ложница для 'случайного слива; |
|||||||||||||||
ют изотермичность |
калоримет |
4 — поворотный |
диок; |
5 — пла |
|||||||||||
ра в течение 15—20 мин. |
Пос |
вильная |
камера; 6 — защит |
||||||||||||
ные экраны; |
7 — приемное |
уст |
|||||||||||||
ле определенной выдержки на |
ройство |
калориметра; |
в — изо |
||||||||||||
термический калориметр |
|||||||||||||||
гретого |
или |
расплавленного |
|
|
|
|
|
|
|||||||
образца |
при необходимой |
|
температуре его сбрасывают |
||||||||||||
в калориметр. При этом |
диск с изложницей |
отводят в |
|||||||||||||
сторону, |
в результате чего |
автоматически |
отключается |
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
меняется в калориметрии для измерения |
энтальпии и |
теплоемкости жидких и твердых металлов |
[153— 155]. |
Энтальпию молибдена определяли в диапазоне темпера
тур 2094—2869К |
«а образцах |
массой |
6— 10 г. Опыты |
проводили как в |
вакууме ІО-5 |
мм рт. |
ст., так и в среде |
инертных газов, причем результаты этих опытов, прове денных при одинаковых температурах, хорошо согласу ются между собой: максимальный разброс эксперимен
тальных |
точек не превышает |
1%. Определенная этим |
|
методом |
теплота плавления |
молибдена равна |
8320+ |
± 7 5 кал/г-атом. |
|
|
|
Сочетание методов ПВС |
и изотермической |
калори |
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
кристаллизаций металла непосредственно в электро магнитном поле или в специальной изложнице. Посколь ку жидкий металл, расплавленный во взвешенном состоя нии, интенсивно перемешивается за счет сил электро магнитного поля, способ приготовления исходных образ цов не имеет принципиального значения и отливку с го могенной структурой можно получить даже после не большой выдержки во взвешенном состоянии. В процес се плавки возможно рафинирование жидкой капли от многих примесей или контролируемое легирование. В экспериментальной технике достоинства метода ПВС нашли самое широкое использование особенно при про ведении разнообразных физико-химических исследова ний при повышенных температурах. Широкое применение этот метод нашел для получения образцов сверхчистых металлов и сплавов, предназначенных для исследования коррозионных процессов, фазовых превращений и т. д. [156— 159].
Установки для ПВС сравнительно просты и компакт ны, а материальные затраты на оборудование и обслу живание невысоки по сравнению с обычными методами плавки металлов. Для проведения полного плавильного цикла методом ПВС требуется всего несколько минут. В течение одного рабочего дня исследователь может при готовить до 80— 100 образцов, что позволяет изменять значительно большее число параметров, по сравнению с традиционными методами плавки.
Поскольку метод ПВС имеет некоторые ограничения, связанные с невозможностью получения температур, до статочных для расплавления особо тугоплавких метал лов в вакууме или больших объемов металла, в послед ние годы стали широко использовать для этой цели дру гие виды нагрева с удержанием расплавленного металла во взвешенном состоянии. Нагрев образца до 2000— 2500°С производится высокочастотным полем, а в даль нейшем плазмой, электронным лучом или светом. Однако использование дополнительных методов нагрева заметно усложняет как конструкцию установки, так и техноло гию плавки.
Производственные возможности метода ПВ'С до сих пор носят ограниченный характер: масса отливки почти для всех металлов не превышает 20 —25 г, хотя для алю миния и некоторых сталей удавалось доводить массу расплавленного металла до 100 г. Однако в некоторых
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
кислорода |
в образцах |
стали, отобранных из конвер |
тера [71]. |
несмотря на |
интенсивные исследования в об |
Однако, |
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
С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы |
|
|
||
1. |
Л и н ч е в е к ий Б. В. |
Вакуумная |
металлургия. М., «Металлур |
|
|
гия», |
1970. 256 с. с ил. |
|
|
2. |
Т и р |
Л. Л., Ч а й к и н |
П. М., Н и к о л ь с к и й Л. Е. — «Электро |
|
|
термия», 19Ѳ8, № 73—74, с. 68—7І1 с |
ил. |
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. —
|
«J. Appl. Phys.», (1952, V . |
23, № 5, р. 646—SSI2. |
|
|
|
|
||||||||||||
4. |
W i n k l e r |
О. — «Z. Metallkunde», 4953, |
Bd 44, S. 333—338. |
|||||||||||||||
5. |
Ф о г е л ь |
А. А. — «Изв. АН СССР, ОТН, Металлургия и топ |
||||||||||||||||
|
ливо», 1959, № |
2, с. 24—34 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
6. |
B e g l e y |
|
R. |
Т., |
C o m e n e t z |
G., |
F 1i n n |
P. A. a. o. — «Rev. |
||||||||||
|
Sei. Instr.», |
1959, V. 30, |
№ |
1, |
p. 38. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
7. |
Ф о г е л ь А. А., П а в л о в |
H. А., К о р к и н |
И. В. и |
др. — «Изв. |
||||||||||||||
|
АН СССР, |
ОТН. Металлургия и |
топливо», 4961, № |
5, с. 51—61 |
||||||||||||||
|
с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
Р е i f е г W. А. — «J. Metals», |
1965, № 5, ср. 487—493. |
|
|
|
|||||||||||||
9. |
М е т л и и В. Б. Магнитные |
и магнитогидродинамическне |
опоры. |
|||||||||||||||
|
М., «Энергия», 1968. 190 с. с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
10. |
С в я ж и н |
А. |
Г., |
В и ш к а р е в |
А. |
Ф., |
Я в о й с к и й |
В. |
И. — |
|||||||||
|
«Изв. вузов. |
Черная металлургия», 1966, № |
8, с. 76—81. |
|
||||||||||||||
11. |
С в я ж и н |
А. |
Г., |
' В и ш к а р е в |
А. |
Ф., |
Я в о й с к и й |
В. И. Тео |
||||||||||
|
рия и технология новых процессов |
в производстве |
стали. М., |
|||||||||||||||
|
•«Металлургия», '1966 |
(ММСиС. |Сб. № 46), с. 6—24 с ил. |
|
|
||||||||||||||
12. |
W а d а |
Н., |
G u п j і |
К., |
W а d а Т. — «J. Japan Inst. |
Metals», |
||||||||||||
|
4968, V. 32, № 9, р. 831—836. |
|
|
|
F. В. и. а. — «Elektrowär |
|||||||||||||
13. М a j d і с |
А., К г о rn b а с h |
W., В 1 о с k |
||||||||||||||||
14. |
me Intern», |
1969, Bd .27, № 5, S. 216—1221. |
F. R. u. a. — «Elektro |
|||||||||||||||
M a j d i c |
А., |
K r o m b a c h |
W., |
B l o c k |
||||||||||||||
15. |
wärme Intern.», 1969, Bd 27, № 7, S. 302—307. |
Б у р ц е в |
В. Т. — |
|||||||||||||||
К у ч е р е н к о |
Л . А., |
F л e б о в с к и Й |
В. |
Г., |
||||||||||||||
|
«Вестник МРУ. Химия», |
1970, № 6, с. 700—704 с ил. |
|
|
|
|||||||||||||
16. |
Ж е ж е р и н |
|
Р. П. Вопросы |
магнитной гидродинамики |
и |
дина- |
||||||||||||
|
мнки плазмы |
(Труды I совещания по теор. и прикл. магн. гид- |
||||||||||||||||
|
родин.) |
Рига, |
Изд-во АН ЛССР, 1959, |
вып. 1, с. 279—294 с ил. |
||||||||||||||
17. |
К и р ко |
И, М., М ' И к е л ь с о н А. Э. Вопросы .магнитной |
гидро |
|||||||||||||||
|
динамики и динамики плазмы. Сб. № 2. ((Труды II совещания по |
|||||||||||||||||
|
теор. и прикл. магн. гидродин.). Рига, |
Изд-во АН ЛССР, |
1962, |
|||||||||||||||
|
с. 597—604; 607—612 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
18. |
Z e i t s c h |
|
К- — «High |
Temperatures — High |
Pressures», |
1970, |
||||||||||||
|
V . 2, № 4, p. 419— 428. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
19. :B Ол к о н |
T. Ф. — ЖТФ |
1962, t . |
32, № |
1, c. 34—43 с ил. |
|
|
||||||||||||
20. |
S m i t h |
W. E. — «Brit. J. Appl. |
Phys.», 1965, v. 16, p. 377—383. |
|||||||||||||||
21. |
Н а й д е н о в |
А. Ф. «Вопросы 'магнитной |
гидродинамики |
и ди |
||||||||||||||
|
намики плазмы.» Сб. № 3. (Труды III |
|
совещания |
по |
теор. и |
|||||||||||||
|
прикл. магн. гидродин.). Рига, Изд-во АН ЛССР, 1968, с. 327— |
|||||||||||||||||
|
337 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22. |
Ф о г е л ь |
А. |
А., |
Н а й д е н о в |
А. |
Ф., |
С и д о р о в а |
Т. |
А. — В |
|||||||||
|
кн.: Промышленное применение |
токов |
высокой частоты. М .— |
|||||||||||||||
|
Л., «Машиностроение», 1964, с. 249—259 с ил. |
|
|
|
|
|||||||||||||
23. |
К и р к о |
И. М. Жидкий |
металл |
в электромагнитном |
поле. М .— |
|||||||||||||
|
Л ., «Энергия», 1964. 460 |
с. с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
24. |
В у ц е н с |
А. П. — «Магнитная |
гидродинамика», |
1971, |
№ 3, |
с. 19—122 с ид.
J71