Способ определения поверхностных свойств расплавов и устройство для его осуществления

 

Использование: определение комплекса физико-химических свойств расплавов как отдельных веществ, так и пограничных свойств при их взаимодействии. Сущность изобретения: каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель в твердом состоянии, сближают их на расстояние, необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ , Формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывоза их из зоны нагрева. Устройство содержит две камеры для размещения хранения и подачи в зону нагрева подложек. Подложки выполнены из графита, по форме и геометрическим размерам соответствуют плоской части механизмов их подачи в зону нагрева. На поверхности подложе. на равном расстоянии друг от друга выполнены ячейки для размещения навесок исследуемых вэществ. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 ил. С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)з G 01 N 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4857334/25 (22) 13.08,90 (46) 30.10.92, Бюл. ¹ 40 (71) Мариупольский металлургический институт (72) П.С,Харлашин (56) Авторское свидетельство СССР

N409115,,кл. G 01 N13/02,,1974.

Авторское свидетельство СССР

¹ 928199, кл. G 01 N 13/02, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: определение комплекса физико-химических свойств расплавов как отдельных веществ, так и пограничных свойств при их взаимодействии. Сущность изобретения; каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель в твердом состоянии, сближают их на расстояние, неИзобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения в лабораторных условиях комплекса физико-химических свойств расплавов, включающего определение плотности, поверхностного натяжения металлических и оксидных расплавов, их температурной и концентрационной зависимости, углов смачивания расплавами твердой поверхности и межфазной энергии на границе раздела двух расплавов различной физико-химической природы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения ме>кфазной энергии на границе раздела двух жидкостей, принятый за прототип способа, заключающийся в том, что раздельно формируют капли двух исследуемых жидкостей с экваториальными диаметБЫ 17ЛЬЩ А1 обходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, Формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывоза их из зоны нагрева. Устройство содержит две камеры для размещения хранения и подачи в зону нагрева подложек, Подложки выполнены из графита, по форме и геометрическим размерам соответствуют плоской части механизмов их подачи в зону нагрева.

На поверхности подложе . на равном расстояниидруготдруга выполнены ячейки для размещения навесок исследуемых веществ.

2 с. и 4 з, п.ф-л ы, 3 ил. рами и сближая их, приводят в контакт. По достижении равновесия между жидкостями фиксируют фотографированием контактный угол (P ) между ними, после чего капли отделяют одну от другой, определяют поверхностную энергию на границе с газом каждой жидкости, насыщенной до равновесной концентрации другой жидкостью (Cr1 и О2 ) и на основании полученных данных расчитывают межфазную энергию на границе и. раздела.

Этот способ позволяет получить все параметры, необходимые для вычисления межфазной энергии (значение угла а1 и m ), в условиях одного эксперимента.

Однако, и в процессе реализации этого способа невозмо>кно добиться получения точных, достоверных и стабильных резуль1772691

10 стью и часто вынуждает к прерыванию эксперимента вследствие невозможности разделения капель. из-эа возникающего эф- 15 доохлаждаемой перегородке, установлен . 35 вращающийся столик с ячейками для ка- . пельниц, через центральное отверстие в во40 тремя штоками, проходящими через отвер- 45 стие в кассете и штоком для подачи подло- . жек на предметный столик. водимые результаты измерений, поскольку 50 элементов на вращающихся механизмах, 55 что делает практически недостижимым создание необходимого для точных измерений вакуума 1 10 — 1 10 Па. Во-вторых, .татов измерений, несмотря на большие затраты времени на подготовку и проведение эксперимента и тем более, серии экспериментов, что объясняется сложностью операции сближения,и разведения двух жидких капель в условиях высокой температуры .и глубокого вакуума; поскольку способом не предусмотрено управление процессом формирования площади контакта капель, Стихийное формирование площади контакта капель исключает воспроизводимасть результатов измерений с достаточной точнафекта прилипания одной жидкой фазы к другой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для исследования поверхностных свойств расплавов, принятое за прототип устройства.

Устройства содержит вакуумную печь вертикальнога типа с рабочей камерой, образованной одоохлаждаемым корпусом, нагреватель, теплоизолирующие экраны, смотровые окна, оптическую систему и установленные с двух сторон рабочей камеры с возможностью перемещения две дополнительные камеры, одна из которых предназначена для размещения подложек, другая— для размещения капельниц.

8 камере для размещения капельниц, установленной над рабочей камерой на водаохлаждаемой перегородке проходит шток для перемещения капельниц; Камера для размещения подложек установленная под рабочей камерой, снабжена кассетой с подложками, предметным столиком, механизмом перемещения и юстйровки горизонтального положения предметного столика с

Однако и в этом устройстве невозможно получить точные, достоверные и воспроизво-первых, большое количество различных механизмов поворота и выходящих за пределы вакуумной печи штоков предусматривает наличие большого числа уплотнительных для снятия подложки с измеренной каплей и установки подложки для следующего из20

30 мерения, необходимо каждый раз опускать предметный столик в камеру для хранения подложек и после поднятия производить его выверку по вертикали и горизонтали, что не позволяет стабилизировать условия проведения всей серии эксперимента.

Не способствует точности измерений и способ нанесения исследуемого вещества на подложку в виде падающей капли, так как капля подвижна и ее положение на подложке не предсказуемо, Кроме того, размещение смотрового окна для съемки капли в вертикальной проекции в боковой стенке рабочей камеры и съемка через систему призм затрудняет получение четкого контура капли, поскольку через геометрический центр устройств, где размещена капля, проходит шток с капельницей и призма смещена от оси капли, К недостаткам устройства относится также невозможность проведения с его использованием комплексного исследования поверхностных свойств расплавов, в частности невозможно исследовать взаимодействие исследуемых веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерений, повышение достоверности и стабильности их результатов, достижение возможности комплексного определения. поверхностных свойств расплавов и исследование их взаимодействия в процессе одного эксперимента.

Способ осуществляют следующим образом.

Каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель, в твердом состоянии, сближают их на расстояние необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в.зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывода из зоны нагрева геометрические параметры каждой капли фиксируют в твердом состоянии для контроля расстояния между каждой парой исследуемых веществ при их сближении и в жидком состоянии — для последующего определения поверхностных свойств каждого. вещества, Сближение на заданное расстояние пары исследуемых веществ, предварительно сформированных в форме капель, близких к телам вращения, в твердом состоянии и их расплавление в геометрическом центре устройства, соответствующем центральной ча1772691

10

55 сти зоны нагрева печи, создает условия для постепенного формирования жидких капель, которое происходит поочередно в зависимости от температуры плавления исследуемых веществ.

Процесс образования заданной, не стихийной поверхности контакта капель двух веществ, обусловленный увеличением их объема при расплавлении, происходит плавно при стабильном положении капель на подложке. При .этом нет необходимости . перемещать жидкие капли, нарушая стабильность их положения, поскольку их формирование выполняют непосредственно на месте их фотосъемки.

Заданное расстояние между твердыми каплями исключает формирование непредсказуемой площади контакта, позволяет управлять процессом ее образования, что в совокупности с признаками, стабилизирующими процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, обуславливает получение более точных и стабильных, воспроизводимых с высокой степенью точности, результатов, повышая их достоверность.

Определение геометрических параметров капли в твердом состоянии позволяет получить исходные данные (расстояние между центрами твердых фаз) для расчета заданного расстояния при сближении пары исследуемых веществ, необходимого для обеспечения заданной площади контакта, при их расплавлении с учетом степени увеличения их объемов (для расплавов =5—

6%). Эти данные учитывают при тарировке устройства, Экспериментально установлено, что для системы, "металл-шлак" оптимальная площадь контакта капель составляет 0,5 — 0,7 мм, При плошади контакта, приближающейся в 1,0 мм, отделение капель друг от друга практически невозможно.

Комплексное исследование поверхностных свойств индивидуально каждого вещества в жидкой фазе и свойств при их взаимодействии, проведение при одной температуре, стабильном вакууме, в одном и том же положении и без перенастройки оптических приборов позволяет сопоставлять (без учета погрешностей разных опытов) полученные результаты и повышает их достоверность и стабильность.

На фиг.1 изображен общий вид устройства (продольный разрез по вертикальной оси). На фиг,2 изображен вид устройства сверху (поперечный разрез по геометрическому центру). На фиг.3 показано размещение подложек на предметном столике.

Устройство для определения поверхностных свойств, в том числе межфазной энергии на границе раздела двух расплавов, содержит вертикальную вакуумную печь 1, установленную на опорной раме 2. Рабочую камеру вакуумной печи 1 образуют водоохлаждаемый корпус 3 с крышкой 4. Внутри рабочей камеры печи 1 размещен электрический нагреватель 5, питающийся от сети с помощью токоподводов 6. и теплоизолирующие экраны 7. В противоположных стенках корпуса 3 по горизонтальной оси устройства на уровне его геометрического центра выполнены два выносных смотровых окна 8, соответственно которым в нагревателе 5 выполнены отверстия 9.

В центре крышки 4 выполнено одно смотровое окно 10. Соосно смотровым окнам 8 и 10 на направляющих каретках с фиксаторами, обеспечивающими ограниченное продольное смещение, установлены две фотокамеры (на чертеже условно не показаны), С противоположных сторон в горизонтальной плоскости к корпусу 3 перпендикулярно смотровым окнам 8 приварены симметричные камеры 11 коробчатого типа с выкуумноплотно закрывающейся крышкой 12 для размещения, хранения и подачи подложки 13, которая размещена на механизме ее подачи 14, установленной внутри камеры 11 на направляющей 15, установленной на основании камеры 11, Механизм подачи 14 выполнен из тугоплавкого материала; например, молибдена, в виде плоского кольца с наружнымбуртом, соединенного из двух секций — большей 16 и меньшей 17.

Механим подачи 14 снабжен ограничительным ребром 18 и втулкой 19, соединенной с осью вращения 20, оканчивающейся винтовой регулировочной головкой 21, Ось вращения 20 выведена за пределы камеры 11 через вильсоновское уплс тнение

22.

На основании камеры 11 установлен ограничитель 23 вращения механизма подачи

l4, взаимодействующий с ограничительным ребром 18.

Внутри нагревателя 5 по его вертикальной оси установлено приспособление 24 для перемещения и юстировки подложки 13, состоящее из штока 25, на одной конце которого закреплен в горизонтальном поло>кении предметный столик 26, а другой конец, оканчивающий регулировочным винтом 27 через отверстия в токоподводах 6, опорной плите рамы 2 и вильсоновское уплотнение 28 выведен из рабочей камеры вакуумной печи 1.

1772691

10 достоверности

25

35

55 После изотермической выдержки фиксируют контактный угол между двумя исследуемыми расплавами фотосъемками в

Рабочая поверхность предметного столика 26 выполнена на уровне нижних поверхностей механизмов подачи 14 подложек

13, со сторон их размещения выполнены .направляющие выступы 29 в виде сегмен- 5 тов. Подложки 13.выполнены из графита и на ее поверхности на равном расстоянии друг от друга выполнены ячейки 30, отстоящие от внутреннего края подложки 13 на равное расстояние I, предназначенные для размещения исследуемых веществ 31, помещенных в тигли 32 (на чертеже показано положение холодных капель, сближенных на расстояние а,). Форма и размеры подложки 13 соответствуют форме и размерам плоской кольцевой части механизма подачи

14.

Наружные концы механизма подачи 14 и подложки 13 отстоят друг от друга. в геометрическом центре устройства на заданное минимальное расстояние $, исключающее их касание (практически 1-2 мм).

Предметный способ комплексного исследования поверхностных свойств расплавов в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.

В процессе тарировки устройства, предшествующей его. использованию, производят градуировку, винтовых регулировочных головок 21 в зависимости от размещения ячеек 30, выполненных на поверхности подложек 13 и калибруют подложки на заданное расстояние "а" в зависимости от расстояния t ячейки 30 от наружного края подложки 13 по группам изделий, объединенных одним интервалом коэффициентов теплового расширения, юстировку подложки 13 с помощью винта 27 и градуировку фотосистем в крайних левом и правом положениях и по геометрическому центру устройства.

В процессе подготовки к выполнению серии экспериментов подготавливают серию навесок исследуемых веществ согласно расчитанному по известной методике количеству, необходимому для формйровэния капель с экваториальным диаметром, помещают их в тугоплавкие тигли 32 из материала, инертного по отношению к исследуемым веществам; например, из молибдена или тантала для шлака и из оксидов алюминия, бериллия или циркония для металла при исследовании свойств и взаимодействия расплавов шлаков и черных металлов и размещают их в ячейки 30 подложек 13, которые устанавливают на механизмы 14 подачи подложек 13, располагая таким образом, чтобы вещества. межфазйую энергию или другие виды взаимного влияния которых планируют определить в ходе исследований. были помещены в разные камеры 11 симметрично друг друг относительно ограничительных ребер 13, При этом выбирают подложки 13. откалиброванные нэ заданное расстояние сближения исследуемых пар веществ — а, Количество навесок каждого исследуемого вещества берут не менее трех для получения результатов как минимум трех независимых опытов в одинаковых условиях эксперимента. контроля их воспроизводимости, а, следовательно, точности и

Камеры 11 вакуумплотно закрывают крышками 12, вакуумируют всю систему устройства и нагревают рабочую зону камеры

1 до заданной температуры эксперимента.

Затем, поочередно, вводя каждую навеску в геометрический центр устройства посредствам вращения соответствующими отградуированными винтовыми регулировочными головками 21, производят предварительное формирование каждой капли и выдержку в изотермической зоне, определяют ее геометрические параметры, фиксируя фотосъемкой в двух проекциях, выводят и из зоны нагрева, охлаждают и снова определяют параметры. Полученные данные используют для расчета поверхностных свойств вещества по параметрам жидких фаз и контроля заданного расстояния а по расстоянию между центрами исследуемых твердых фаз.. Проведя поочередно индивидуальные исследования веществ, расположенных справа и слева от оси устройства, вводят одновременно с двух сторон поочередно каждую пару сформированных в форме капли твердых исследуемых веществ 31 в центральную часть нагрева вакуумной печи, соответствующую ее геометрическому центру. При этом между ними образуется заданное расстояние а, обеспеченное расстоянием $ между торцами подложки 13 и выбранным согласно калибровки расстоянием между краем ячейки 30 и торцом подложки 13.

В .зоне нагрева происходит постепенное поочередное распределение веществ в порядке возрастания температуры их плавления, приведение их в контакт и плавное формирование равновесной границы раздела эа счет увеличения их объема. горизонтальной и вертикальной проекциях, отделяют капли путем вывода их из зоны нагрева вращением винта 21 и поочередно

1772691

10 фотографируют каждую жидкую каплю одного вещества, насыщенного до равновесной концентрации другого.

Полученныеданные используютдля расчета межфазной энергии на границе раздела расплавов каждой пары исследуемых веществ.

При этом выверку данных, полученных при тарировке устройства производят либо на первом опыте серии экспериментов— юстировку подложки 13 с помощью винта

27, либо при изменении позиции фотосъемки в фиксированное положение в ходе исс. ледований при первом определении параметров веществ, расположенных в одной, затем другой камере 11 и при первом определении взаимодействия исследуемых веществ.

Все остальное время экспериментатор оперирует только двумя винтовыми головками 2.1, пиеремещая навески исследуемых веществ согласно плану своих исследований и используя градуировку тех же винтовых головок 21.

Формула изобретения

1. Способ определения поверхностных свойств расплавов, в том числе межфазной энергии на границе раздела двух расплавов путем изучения границы раздела трех сосуществующих фаз, включающий формирование капель с экваториальными диаметрами, сближение исследуемых веществ, приведение капель в контакт, фиксацию контактного угла между ними после образования равновесной границы раздела, отделение капель, определение поверхностной энергии каждой жидкости, насыщенной до равновесной концентрации другой, и определение межфазной энергии расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, повышения достоверности и стабильности их результатов, достижения возможности комплексного определения поверхностных свойств расплавов и исследования их взаимодействия в процессе одного эксперимента, каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель в твердом состоянии, сближают их на расстояние, необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, геометрические параметры каждой пары капель фиксируют в твердом состоянии для контроля расстояния между парой исследуемых веществ при их сближении и в жидком состоянии — для последующего определения поверхностных свойств каждого вещества.

20 . метным столиком, и оптическую систему для

40

50

5

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывода их из зоны нагрева, 3. Устройство для определения поверхностных свойств расплавов, содержащее установленную на опорной раме оснащенную смонтированными окнами вертикальную вакуумную печь с рабочей камерой, образованной водоохлаждаемым корпусом, нагреватель и теплоизолирующие экраны, размещенные внутри рабочей камеры, камеру для размещения, хранения и подачи подложки, приспособление для перемещения и юстировки подложки. выполненное в виде штока с закрепленным на нем предизмерения параметров капель расплава в горизонтальной и вертикальной проекциях, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей устройства, оно снабжено дополнительной камерой для размещения, хранения и подачи подложки, причем обе камеры выполнены симметричными одна другой, вакуумноплотно соединены с водоохлаждаемым корпусом на его противоположных сторонах в горизонтальной плоскости перпендикулярно смотровым окнам, выполненным в стенках нагревателя и корпуса, а каждая камера снабжена подложкой для исследуемых веществ и механизмом ее подачи в рабочую камеру печи, размещенным с возможностью ограниченного перемещения по окружности на одном уровне с предметным столиком, на котором со сторон размещения механизмов подачи подложек выполнены направляющие в виде сегментных выступов.

4. Устройство поп.3, отл ич а ю щеес я тем, что каждый механизм подачи подложки выполнен из тугоплавкого материала в виде разъемного плоского кольца с буртом по его внутренней части, соединенного иэ двух секций, и снабжен ограничительным ребром и втулкой, соединенной с осью вращения, оканчивающейся отградуированной винтовой регулировочной головкой, выведенной через вильсоновское уплотнение за пределы камеры, причем на основании камеры установлены ограничитель вращения механизма и направляющие для его размещения.

5. Устройство по пп,3 и 4, о т л и ч а ющ е е с я тем, что подложка для исследуемых веществ выполнена из графита соответствующей по форме и геометрическим

1772691 размерам плоской части механизма ее подачи, причем на ее поверхности на равном расстоянии одна отдругой выполнены ячейки для размещения навесок исследуемых веществ.

6. Устройство по пп,З вЂ” 5, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что оптическая система снабжена двумя фотокамерами, размещенными с возможностью фиксированного смещения соосно со смотровыми окнами, причем смотровое окно для съемки капель в верти5 кальной проекции выполнено в крышке корпуса вакуумной печи по ее геометрической оси, f 772691

1772691

Составитель Г.Старостина

Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор А,Ворович

Редактор Т.Орлова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3841 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5