RU220210U1

RU220210U1 - Подложка установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи

Info

Publication number: RU220210U1
Application number: RU2023108004U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Моисеевич Поводатор; Владимир Викторович Вьюхин; Владимир Степанович Цепелев
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2023-09-01

Abstract

Полезная модель относится к определению параметров расплавов через смотровое окно в торце корпуса электропечи фотометрией лежащей на подложке капли расплава. Эта подложка предназначена для определения скорости растекания и/или смачивания образца, размещенного в горизонтальной электропечи. Предлагаемая подложка выполнена в виде горизонтальной пластины, с трех ее сторон выполнены борта, а вдоль четвертой стороны сливной желоб, уровень желоба не превышает уровня подложки.

Полезная модель направлена на увеличение ресурсов работы установки без срыва экспериментов и перекалибровок. 4 ил.

Description

Полезная модель вышеуказанной подложки относится к технической физике, а именно к определению в лабораторных условиях физико-химических параметров высокотемпературных металлических расплавов методом геометрии «большой лежащей капли», а именно, путем определения через смотровое окно в торце корпуса электропечи фотометрических параметров изображения лежащей на подложке капли образца расплава. Данная подложка предназначена для использования в лабораторных экспериментах по определению скорости растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, лежащего на этой подложке, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи. Полезная модель может быть использована в лабораторных исследованиях, на металлургических предприятиях, в лабораторных работах в вузах.

Скорость растекания расплава по подложке определяется интенсивностью перемещения периметра смачивания по твердой поверхности, а именно, изменением радиуса основания капли расплава r со временем t (dr/dt). Скорость растекания определяют посредством боковой съемки капли образца расплава, размещенной на подложке. Скорость смачивания характеризуют интенсивностью уменьшения угла контакта фаз V, т.е. (-dV/dt). Эти параметры используют, например, при изучении адгезии фаз в металлах, нанесении покрытий, пайки, сварки, для чего осуществляют фотометрию стадии растекания капли расплава по плоской поверхности - см. С. И. Попель «Поверхностные явления в расплавах», М., Металлургия, 1994, с. 273, 283. Для экспериментов используют установку для измерения плотности и/или поверхностного натяжения методом «большой лежащей капли», которая представляет собой электропечь горизонтального типа с торцовым окном для боковой съемки и внешнюю фотокамеру.

Известно устройство определения плотности и/или поверхностного натяжения металлических расплавов с использованием капельного образца расплава известной массы, помещенного на подложке в зоне нагрева электропечи горизонтального типа, при котором осуществляют получение фотоспособом, посредством расположенного у смотрового окна вне электропечи фотоприемника с объективом, силуэта поперечного сечения капли на компьютере, по которому определяют характеристики капли. При этом сначала на подложке размещают исследуемый твердый образец, затем перемещают подложку с этим образцом на шток в зону нагрева – см. пат. РФ ПМ № 163304 - аналог. Шток выполнен трубчатым. Подложка помещена на срезе штока. Внутри штока размещена термопара, выводы которой находятся в нижней части штока, а измерительная часть термопары расположена в области адекватной термической зоны, преимущественно под подложкой с образцом. Исследовательская установка неоднократно описана в литературе – см. вышеуказанный аналог, либо пат. РФ ПМ № 167 476, фиг. 1. Изображения исследуемого образца в виде профиля расплава и торца подложки отображают на дисплее компьютера. При изучении кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, лежащего на подложке, она выполнена в виде тонкой пластины, с толщиной на порядок меньше, чем горизонтальные размеры, и плоской твердой рабочей поверхностью, на которой помещают исследуемый образец. При этом металлический образец размещают непосредственно на плоскую подложку, по которой расплавленный металл может растекаться. Такая конструкция обусловлена ограниченными размерами нагревателя электропечи и размещенного в нем штока

Известно устройство определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов содержащее электропечь горизонтального типа с торцовым смотровым окном, цилиндрический электронагреватель, создающий зону нагрева образца, расположенного на подложке, фотоприемник с объективом, регулируемый шток, на который помещают исследуемые образцы на подложке в зону нагрева – см. пат. РФ № 2554287 –аналог. Подложка выполнена с эллиптическим симметричным углублением, формирующим эллипсоид расплава образца, и размещена в круглой чашке, расположенной на срезе штока – см. фиг. 3 данного аналога.

Прототипом полезной модели является подложка установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи, выполненная в виде плоской горизонтальной пластины – см. П. П. Арсентьев и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов» М., Металлургия, 1988, с. 102, рис. III.16,а.

Недостатком прототипа и аналогов является возможность пролива или выплескивания жидкого металла образца с такой подложки, при внешнем нештатном воздействии на установку в виде толчков, колебаний, изменении положения самой подложки. Попадание жидкого металла образца на шток и даже на нагреватель электропечи, может привести к разрушению штока, головной части и выводов термопары, и в конечном итоге, срыву эксперимента и последующему ремонту с заменой поврежденных элементов. Кроме того, после замены поврежденной термопары необходима калибровка установки для возобновления экспериментов.

Заявляемая полезная модель направлена на решение технической проблемы, а именно, увеличение ресурса работы установки, уменьшения возможности повреждения узлов установки, находящихся в высокотемпературной зоне горизонтальной электропечи, Обеспечивается возможность более длительной работы установки, как в промышленных условиях, так и при обычно ограниченных по времени лабораторных работах в учебных заведениях. Обеспечивается уменьшение возможности дополнительных калибровок и срыва экспериментов, увеличение безремонтного периода работы.

При осуществлении заявляемой полезной модели решается проблема отсутствия подложки данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации подложки. Указанная проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели – подложки установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи.

Заявляется подложка установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи, выполненная в виде плоской горизонтальной пластины.

От прототипа заявляемая подложка установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи, выполненная в виде плоской горизонтальной пластины, отличается тем, что на этой пластине с трех сторон выполнены борта, а вдоль четвертой стороны сливной желоб, замкнутый с торцов, при этом уровень наружного края желоба не превышает уровня плоской рабочей поверхности подложки.

Технические решения обеспечивают достижение технического результата, а именно, при осуществлении заявляемой полезной модели решается проблема отсутствия подложки данного назначения и, соответственно, достигается результат, который заключается в реализации предлагаемой подложки. При этом увеличивается ресурс работы ряда узлов установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, увеличивается наглядность и достоверность определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, лежащего на этой подложке, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи. Обеспечивается возможность осуществления своевременных наглядных объективных рекомендаций для производителей изучаемого сплава. Кроме того, обеспечивается возможность осуществления исследований персоналом невысокой квалификации, в частности студентами или лаборантами, что увеличивает наглядность, расширяет функциональные возможности способа и позволяет уменьшить влияние субъективного фактора на ход и результаты экспериментов.

В конечном итоге, предложенная полезная модель обеспечивает повышение ресурса работы установки, повышения наглядности и достоверности определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, лежащего на этой подложке, при этом обеспечивается возможность уменьшения возможности срыва экспериментов. Обеспечивается возможность осуществления исследований персоналом невысокой квалификации, в частности, студентами и осуществления исследований с получением своевременных рекомендаций для производителей изучаемого сплава.

Положительным эффектом является защита элементов установки, нагревателя, штока, термопары от пролива жидкого металла, и их разрушения, а также устранение срыва экспериментов и увеличение межремонтного периода установки.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:

фиг. 1. Прямоугольный вариант предлагаемой подложки;

фиг. 2. Блок – схема фотометрии капли на предлагаемой подложке;

фиг. 3. Фрагмент стекания капли расплава по подложке;

фиг. 4. Фотография трубчатого штока и термопары, поврежденных выплеснувшимся расплавом.

На фиг. 1 приведен чертеж прямоугольного варианта предлагаемой подложки 1. Она выполнена из высокотемпературной керамики, например, окиси бериллия. Подложка 1 имеет пластину с плоской рабочей поверхностью 2. На пластине 2 с трех сторон выполнены борта 4, а вдоль четвертой стороны 3 сливной желоб 5, замкнутый с торцов, выполненный в виде канавки, при этом уровень наружного края желоба 5 не превышает уровня плоской рабочей поверхности 2 предлагаемой подложки 1. При этом объем сливного желоба превышает объем образца. Борта 4 могут иметь в сечении любую форму, например, прямоугольную, треугольную, а сливной желоб 5 - прямоугольную, треугольную U – образную.

Предлагаемая подложка 1 с плоской рабочей поверхностью может быть другой формы. При виде сверху может иметь, форму n - угольника, где значение n больше или равно 3, 4, 5…, преимущественно прямоугольника, а также трапеции, треугольника, либо сегмента круга.

На фиг. 2 показана блок-схема фотометрии «капли» образца 6 на предлагаемой подложке 1. Над четвертой стороной 3 данной подложки 1 элементы ограждения отсутствуют, что является обязательным условием для фото фиксации полного профиля расплавленного образца 6 с плоской рабочей поверхностью 2 растекания, т.е. без перекрытия изображения нижней части капли бортами.

Используют предлагаемую подложку 1 в соответствии со стандартной методикой измерения скоростей растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава 6 в частности, посредством вышеуказанных установок – см. вышеуказанные пат. РФ ПМ № 163304, пат. РФ № 2554287 - аналоги. Такую установку (на схеме не показано) размещают в исследовательской или университетской лаборатории. Изучаемый твердый образец, который при нагреве расплавляется и превращается в капельный образец металлического расплава 6 массой несколько граммов, помещают на рабочую поверхность подложки 1. Его нагрев и расплавление осуществляют пошагово с величиной шага в 20–50°С, количеством 10–30 дискретных температурных точек T_i со стандартной точностью ± 5% в течение единиц минут для каждого значения температуры T_i, или в течение до нескольких часов. При этом постоянно осуществляют фотометрию капельного образца металлического расплава 6 и предлагаемой подложки 1 посредством фотокамеры 7, по результатам фотометрии определяют линейные и угловые данные капельного образца металлического расплава 6 на вышеуказанной подложке 1, после чего вычисляют скорости растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава 6 по заданным известным формулам.

Явления, вызванные отсутствием на предлагаемой подложке 1 предлагаемых бортов 4 и сливного желоба 5, продемонстрированы на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 приведена временная динамика стекания капельного образца металлического расплава 6, нагретого до 1550°С, по такой подложке перед переливом и выплескиванием жидкого металла капельного образца металлического расплава 6 с этой подложки на шток 8 и термопару 9 внутри него. Перелив и выплескивание привели в нерабочее состояние шток 8 – см. фиг. 4-а, а также головную часть и выводы термопары 9 – см. фиг. 4-б, что в конечном итоге привело к срыву эксперимента. Наличие бортов 4 и сливного желоба 5 обеспечивает уменьшение количества или полное улавливание выплеснувшегося за края подложки расплава в случае стекания капельного образца металлического расплава 6 по рабочей поверхности вышеуказанной подложки 1 к ее краям. Борта 4 и сливной желоб 5 обеспечивают уменьшение, вплоть до устранения, разлива капельного образца металлического расплава 6 на внутреннюю поверхность штока 8, снижают опасность повреждения штока 8 и даже его замены. Они обеспечивают сохранение имеющейся термопары 9, что устраняет необходимость проведения длительных и сложных калибровок с новой термопарой 9.

В конечном итоге, использование предлагаемой подложки установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи, уменьшает возможность повреждения установки и возможных срывов эксперимента, увеличивает межремонтный период работы, а также обеспечивает возможность получения своевременных рекомендаций для производителей изучаемых сплавов. Кроме того, обеспечивается возможность осуществления исследований персоналом невысокой квалификации, в частности, студентами, в том числе при выполнении лабораторных работ.

Claims

Подложка установки для определения скоростей и кинетики растекания и/или смачивания капельного образца металлического расплава, размещенного в зоне нагрева горизонтальной электропечи, выполненная в виде плоской горизонтальной пластины, отличающаяся тем, что на этой пластине с трех сторон выполнены борта, а вдоль четвертой стороны сливной желоб, замкнутый с торцов, при этом уровень наружного края желоба не превышает уровня плоской рабочей поверхности подложки.