RU2386948C2

RU2386948C2 - Method for detection of attenuation decrement in contactless measurement of viscosity of high-temperature metal melts

Info

Publication number: RU2386948C2
Application number: RU2008113518/28A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Моисеевич Поводатор (RU); Аркадий Моисеевич Поводатор; Виктор Васильевич Конашков (RU); Виктор Васильевич Конашков; Владимир Викторович Вьюхин (RU); Владимир Викторович Вьюхин; Владимир Степанович Цепелев (RU); Владимир Степанович Цепелев
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2010-04-20
Also published as: RU2008113518A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method for detection of attenuation decrement in contactless measurement of viscosity of high-temperature metal melts is based on illumination with light beam from source of mirror light located on twisted elastic thread. Crucible with melt is suspended on elastic thread. Further amplitude-time parametres are registered in trajectory of light beam reflected from this mirror. Then produced signal is measured, which reflects parametres of melt crucible twisting oscillations attenuation. At the same time values of several amplitudes of twisting oscillations A_j are detected: start one A_o, from which measurement of melt crucible twisting oscillations attenuation is started, and A_n, in one of which the measurement is ended. A_n is represented by measured amplitude A_n = A_e, which is less than start A_o e times, where e is basis of natural logarithms. Also a number of oscillations n is defined between amplitudes A_o and A_e. Then, taking these parametres in account, logarithmic decrement of attenuation δ is calculated according to the following formula: δ=l/n{ln(A_o/A_n)} for further detection of kinematic viscosity ν.

EFFECT: simplified and optimised procedure of viscosity measurement, with reduction of measurement time with simultaneous reduction of melt components waste with preservation of authenticity and accuracy of detection of amplitude-time parametres of melt crucible twisting oscillations attenuation.

2 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, а именно к устройствам для определения, контроля и измерения физических параметров веществ, и предназначено для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, например стальных, нестационарным методом на основе оценки процесса затухания - по крайней мере, до уровня не менее 30% от начальной амплитуды - свободных крутильных колебаний тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения являются металлургические процессы.The present invention relates to technical physics, namely, devices for determining, controlling and measuring the physical parameters of substances, and is intended for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, for example steel, by a non-stationary method based on an assessment of the attenuation process - at least to a level of at least 30% of the initial amplitude - free torsional vibrations of the crucible with the melt. An additional area of application is metallurgical processes.

Измерение физико-химических параметров металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности определение вязкости высокотемпературных расплавов, в объеме нескольких см³, позволяет проводить прогностический анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками на предприятиях. В частности, политермы вязкости позволяют выделять характерные критические температурные точки и гистерезисные характеристики цикла нагрева-охлаждения. Для высокотемпературных - 1400°С и более, исследований расплавов, лишь немногие способы измерения вязкости могут быть использованы на практике. Один из них - нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости на основе измерения амплитуд затухающих колебаний А_i, логарифмического декремента затухания δ=ln(A_i/A_i+1), периодов Т_i, временных значений t_i, числа n_i крутильных колебаний тигля с расплавом. При этом используют произвольное, пригодное для конкретной установки, число n_i амплитуд А_i затухающих колебаний для определения декремента затухания δ (см. Г.В.Тягунов и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов. Журн. «Заводская лаборатория», 1980, №10, с.919, 920).Measurement of the physicochemical parameters of metallic liquids, melts and slags, in particular the determination of the viscosity of high-temperature melts, in the amount of several cm ³ , allows us to carry out prognostic analysis of materials and give recommendations for producing alloys with desired characteristics in enterprises. In particular, viscosity polytherms make it possible to distinguish characteristic critical temperature points and hysteretic characteristics of the heating-cooling cycle. For high-temperature - 1400 ° С and more, studies of melts, only a few methods for measuring viscosity can be used in practice. One of them is a non-stationary non-contact photometric method for determining the kinematic viscosity based on measuring the amplitudes of damped oscillations A _i , the logarithmic damping decrement δ = ln (A _i / A _{i + 1} ), periods T _i , time values t _i , number n _{i of} torsional vibrations crucible with a melt. In this case, use an arbitrary, suitable for a particular installation, number n _{i of} amplitudes A _{i of} damped oscillations to determine the damping decrement δ (see G.V. Tyagunov et al. Installation for measuring the kinematic viscosity of metal melts. Zhurn. Zavodskaya Lab, 1980 No. 10, p. 919, 920).

Известен нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости ν путем регистрации амплитудно-временных параметров траектории светового луча, отраженного от зеркала, закрепленного на закручиваемой упругой нити, на которой также подвешен тигель с расплавом, а в конечном итоге - измерения амплитудных параметров затухания крутильных колебаний (и вычисления на их основе δ) тигля с расплавом, происходящего после выключения процесса принудительного закручивания упругой нити на определенный угол. Такая многократно повторенная (десятки раз за один эксперимент) процедура - закручивание посредством электромагнитного узла (устройства авторазгона) тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити - отключение узла разгона - свободное затухание и визуальное, по оптической линейке, измерение максимальных отклонений отраженного светового луча, т.е. амплитуд, затухающих крутильных колебаний, является типовым способом измерений вязкости расплавов. При этом используется вычисленное значение логарифмического декремента затухания δ, для чего измеряются визуально начальная амплитуда затухающего колебания А_о, какая-либо произвольная амплитуда, условно принимаемая за конечную - А_n, и число колебаний n между ними (см. С.И.Филиппов и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1968, с.242, 243, 246-251, аналог). Основой вычисления кинематической вязкости ν является ее связь с логарифмическим декрементом затухания δ:A non-stationary contactless photometric method for determining the kinematic viscosity ν is known by recording the amplitude-time parameters of the trajectory of a light beam reflected from a mirror mounted on a twisted elastic filament, on which a crucible with a melt is also suspended, and ultimately measuring the amplitude parameters of the damping of torsional vibrations (and calculations based on them δ) a crucible with a melt that occurs after the process of forced twisting of an elastic thread by a certain angle is turned off. Such a procedure repeated many times (dozens of times in one experiment) - twisting a crucible with a melt suspended on an elastic thread by means of an electromagnetic assembly (auto-acceleration device) - disabling the acceleration assembly - free attenuation and visual measurement of the maximum deviations of the reflected light beam, t .e. amplitudes, damped torsional vibrations, is a typical way of measuring the viscosity of melts. In this case, the calculated value of the logarithmic attenuation decrement δ is used, for which the initial amplitude of the damped oscillation A _о , any arbitrary amplitude conventionally taken as the final one - А _n , and the number of oscillations n between them are measured visually (see S.I. Filippov and other physical and chemical methods for the study of metallurgical processes.M .: Metallurgy, 1968, s.242, 243, 246-251, analogue). The basis for calculating the kinematic viscosity ν is its relationship with the logarithmic damping decrement δ:

(см. формулу XVI-37, вышеуказанное С.И.Филиппов…, с.248).(see formula XVI-37, the above S.I. Filippov ..., p.248).

Существует ряд теоретических допусков при вискозиметрии расплавов, в частности скольжение между расплавом и тиглем отсутствует, амплитуды колебаний малы, а несколько первых колебаний в расчет не берут (см. вышеуказанное С.И.Филиппов…, с.246, 247).There are a number of theoretical tolerances in viscometric measurements of melts, in particular, there is no slip between the melt and the crucible, the vibration amplitudes are small, and the first few vibrations are not taken into account (see the above S.I. Filippov ..., p. 246, 247).

С физической точки зрения, с одной стороны, при больших амплитудах крутильных колебаний - несколько первых затухающих колебаний - в расплаве возможна неконтролируемая турбулентность, а не только необходимая ламинарность, с учетом трения внутри слоев расплава, трения со стенками тигля, инерционности расплава. Это снижает достоверность определения вязкости расплава и, в конечно итоге, точность определения вязкости. С другой стороны, при малых амплитудах крутильных колебаний возникает проблема отсутствия течения и перемещения расплава (в пределе до нуля - аналогично твердому образцу) и, фактически, увеличения вычисленного значения вязкости (в пределе до бесконечности). Поскольку количественные физические критерии для участков измерений не вычислены, оптимизация измеряемого участка затухающих крутильных колебаний затруднена.From the physical point of view, on the one hand, at large amplitudes of torsional vibrations - the first few damped vibrations - uncontrolled turbulence is possible in the melt, and not only the necessary laminarity, taking into account friction inside the melt layers, friction with the crucible walls, and inertia of the melt. This reduces the reliability of determining the viscosity of the melt and, of course, the accuracy of determining the viscosity. On the other hand, at low torsional vibration amplitudes, the problem arises of the absence of flow and melt displacement (in the limit to zero - similar to a solid sample) and, in fact, an increase in the calculated viscosity value (in the limit to infinity). Since quantitative physical criteria for measurement sites have not been calculated, optimization of the measured area of damped torsional vibrations is difficult.

Недостатком вышеуказанного способа измерения вязкости является продолжительность, уникальность и сложность каждого эксперимента вследствие отсутствия строгого обоснования параметров и хода эксперимента, по существу - неизбежная привязка процедуры и результатов эксперимента к конкретной установке, при произвольности и субъективности выбора экспериментатором количества колебаний n между измеряемыми амплитудами A_o и A_n, например, 8…11 колебаний (см. вышеуказанное С.И.Филиппов…, с.249). Это затрудняет сравнительную оценку достоверности и точности полученных данных.The disadvantage of the above method of measuring viscosity is the duration, uniqueness and complexity of each experiment due to the lack of rigorous justification of the parameters and the course of the experiment, essentially the inevitable linking of the procedure and results of the experiment to a specific installation, with the experimenter choosing and arbitrarily choosing the number of oscillations n between the measured amplitudes A _o and A _n , for example, 8 ... 11 oscillations (see the above S.I. Filippov ..., p. 249). This makes it difficult to compare the reliability and accuracy of the data.

Известен способ бесконтактного фотометрического измерения вязкости металлических расплавов, используемый в компьютеризованной установке для измерения вязкости расплавов, при котором определяют угол поворота исследуемого образца в тигле, подвешенном на закручиваемой упругой нити в зоне нагрева исследуемого образца, перед регистрацией параметров затухания осуществляют закручивание упругой нити посредством временного включения закручивающего электромагнитного узла, регистрируют близкорасположенными фотосенсорами траекторию светового луча, отраженного от зеркала, измеряют сигнал, отражающий амплитудно-временные параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, после чего вычисляют δ и ν (см. Л.Д.Сон и др. Установка для измерения вязкости, поверхностного натяжения и плотности высокотемпературных расплавов. - Труды Х Российской конференции: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов, т.2, с.47-50, Екатеринбург-Челябинск, 2001 г., аналог).There is a method of non-contact photometric measurement of the viscosity of metal melts, used in a computerized device for measuring the viscosity of melts, in which the angle of rotation of the test sample in the crucible suspended on a twisted elastic thread in the heating zone of the test sample is determined, before recording the attenuation parameters, the elastic thread is twisted by temporarily turning on of a twisting electromagnetic unit, the path of the light is recorded by nearby photosensors In the case of a mercury beam reflected from a mirror, a signal is measured that reflects the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt, and then δ and ν are calculated (see L.D. Son and others. Installation for measuring viscosity, surface tension and density of high-temperature melts . - Proceedings of the X Russian Conference: Structure and Properties of Metal and Slag Melts, vol. 2, p. 47-50, Yekaterinburg-Chelyabinsk, 2001, analogue).

В данном случае авторы измеряли моменты t₁, t₂ засветки фотосенсоров и разность между ними Δt при прохождении отраженным световым лучом линейного отрезка ΔА вблизи точки смены полярности колебания амплитуды. Результаты усредняли, обрабатывали компьютером, вычисляли амплитуды А_i и рассчитывали δ с использованием метода наименьших квадратов. В области начальных («больших»), примерно, десяти - тридцати затухающих колебаний существует вышеуказанный линейный участок траектории, что позволяет считать линейной зависимость Δt=φ(ΔА). При дальнейшем уменьшении амплитуды А_i («хвостовая» часть затухающих колебаний) появляется нелинейность в этом соотношении: Δt≠φ (ΔА), вследствие вырождения наклонной прямой из короткого отрезка посреди колебательной косинусоиды в собственно косинусоиду. Существуют и аппаратурные ограничения, обусловленные конечными размерами (несколько мм) фотосенсоров, даже сдвинутых вплотную, и светового пятна, засвечивающего фотосенсоры, при этом Δt и, соответственно, ΔА не могут быть меньше каких-то конкретных для данной установки величин даже с регистрацией только переднего или заднего фронтов светового пятна. Это ограничивает применение малых амплитуд и ведет к уменьшению точности расчетов δ. С другой стороны, при затягивании эксперимента возрастает угар компонентов расплава. Отметим, что существуют летучие расплавы, например исследованная авторами лигатура ЖНМГ для чугуна, содержащая, примерно, 40% Ni, 5% Mg, 1% редкоземельных металлов, 2% С, 0,005% (Bi+Те), которая почти полностью испаряется за 10 мин при 1550°С. В этом случае эксперимент скоротечен и измерить необходимые для расчетов колебания весьма проблематично.In this case, the authors measured the moments t ₁ , t _{2 of the} exposure of the photosensors and the difference between them Δt when the linear segment ΔA passes near the point of change in the polarity of the amplitude oscillation by the reflected light beam. The results were averaged, processed by a computer, the amplitudes A _{i were} calculated, and δ was calculated using the least squares method. In the region of initial (“large”), approximately ten to thirty damped oscillations, the aforementioned linear section of the trajectory exists, which allows us to consider the dependence Δt = φ (ΔА) as linear. With a further decrease in the amplitude A _i (the “tail” part of the damped oscillations), a nonlinearity appears in this relation: Δt ≠ φ (ΔA), due to the degeneration of the oblique straight line from a short segment in the middle of the vibrational cosine wave into the cosine proper. There are also hardware limitations due to the finite dimensions (several mm) of the photosensors, even closely shifted, and the light spot illuminating the photosensors, while Δt and, accordingly, ΔA cannot be less than some values specific to this installation, even if only the front or trailing edges of a light spot. This limits the use of small amplitudes and leads to a decrease in the accuracy of calculations of δ. On the other hand, when the experiment is delayed, the burnup of the melt components increases. It should be noted that volatile melts exist, for example, the LNGM master alloy for cast iron investigated by the authors, containing approximately 40% Ni, 5% Mg, 1% rare earth metals, 2% C, 0.005% (Bi + Te), which almost completely evaporates in 10 min at 1550 ° C. In this case, the experiment is fleeting and measuring the vibrations necessary for the calculations is very problematic.

Недостатком описанного способа является уникальность и сложность каждого эксперимента вследствие непредсказуемости выбора измеряемого участка затухающих крутильных колебаний, количества колебаний n между стартовой A_o и A_n амплитудой затухающих колебаний, использованных для определения δ, а также невозможность сравнения процедуры эксперимента с ходом других экспериментов.The disadvantage of the described method is the uniqueness and complexity of each experiment due to the unpredictability of the measured portion of the damped torsional vibrations, the number of oscillations n between the starting A _o and A _{n the} amplitude of the damped vibrations used to determine δ, and the inability to compare the experimental procedure with the course of other experiments.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является используемый в установке для измерения кинематической вязкости металлических расплавов способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, основанный на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации амплитудно-временных параметров траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, и последующем измерении полученного сигнала, отражающего параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом (см. Г.В.Тягунов и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов. Журн. «Заводская лаборатория», 1980, №10, с.919, 920 - прототип). В данном способе для измерения δ также используется ln отношения амплитуд либо скоростей прохождения линейного отрезка ΔА за время Δt посредством измерения временных интервалов Δt, число колебаний n между амплитудами, период крутильных колебаний Т. Недостатком способа является уникальность и сложность каждого эксперимента вследствие зависимости процедуры от параметров конкретного оборудования, произвольности и субъективности выбора параметров затухающих колебаний для определения δ: например, n предлагается принять равным 4-5 для данной конструкции экспериментальной установки. При этом произвольно и субъективно выбранная последняя измеренная амплитуда A_n может быть любой величины и изменяться как от опыта к опыту с одним расплавом, так и для разных расплавов. Описанный способ требует уникальных длительных многократных измерений, дополнительной статистической (усредняющей) обработки результатов, не обеспечена стандартизация процедуры измерения параметров затухания а, в результате - вязкости расплавов, что затрудняет сравнение результатов различных экспериментов. К тому же, при длительных экспериментах неизбежно возрастание угара компонентов расплава.The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result is a non-contact method for measuring the viscosity of high-temperature metal melts, which is used in an apparatus for measuring the kinematic viscosity of metal melts, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread on which a crucible with melt, recording the amplitude-time parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the received signal reflecting the attenuation parameters of the torsional vibrations of the crucible with the melt (see G.V. Tyagunov et al. Installation for measuring the kinematic viscosity of metal melts. Zhurn. Zavodskaya Lab, 1980, No. 10, p. 919, 920 - prototype). This method also uses ln the ratio of the amplitudes or the passage speeds of the linear segment ΔА for the time Δt by measuring the time intervals Δt, the number of oscillations n between the amplitudes, the period of torsional vibrations T. The disadvantage of this method is the uniqueness and complexity of each experiment due to the dependence of the procedure on the parameters specific equipment, randomness and subjectivity of the choice of parameters of damped oscillations for determining δ: for example, n is proposed to be taken equal to 4-5 for a given design of the experimental setup. In this case, the arbitrarily and subjectively selected last measured amplitude A _n can be of any value and vary from experience to experience with one melt, and for different melts. The described method requires unique long-term multiple measurements, additional statistical (averaging) processing of the results, the standardization of the procedure for measuring the attenuation parameters and, as a result, the viscosity of the melts is not ensured, which makes it difficult to compare the results of various experiments. In addition, during long-term experiments, an increase in the fumes of the melt components is inevitable.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение и оптимизация процедуры определения вязкости высокотемпературных металлических расплавов при сокращении времени измерений и уменьшении угара компонентов расплавов в большинстве экспериментов, а также обеспечение сравнимости разных экспериментов, что обеспечит стандартизацию процедуры измерений.The objective of the invention is to simplify and optimize the procedure for determining the viscosity of high-temperature metal melts while reducing the measurement time and reducing the fumes of the components of the melts in most experiments, as well as ensuring the comparability of different experiments, which will ensure standardization of the measurement procedure.

Для решения поставленной задачи предлагается способ определения декремента затухания при бесконтактном измерении кинематической вязкости высокотемпературных металлических расплавов.To solve this problem, a method is proposed for determining the attenuation decrement for non-contact measurement of the kinematic viscosity of high-temperature metal melts.

В способе бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, основанном на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации амплитудно-временных параметров траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, и последующем измерении полученного сигнала, отражающего параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, определении величины амплитуд крутильных колебаний А_i - стартовой A_o, с которой начинают измерение затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, и A_n, в которой заканчивают измерение, числа колебаний n_i между ними, вычислении на их основе логарифмического декремента затухания крутильных колебаний δ, по формулеIn the method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended, recording the amplitude-time parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the obtained a signal reflecting the attenuation parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt, determining the magnitude of the amplitudes of torsional vibrations A _i - starting A _o , the swarm start measuring the attenuation of torsional vibrations of the crucible with the melt, and A _n , in which the measurement is completed, the number of oscillations n _i between them, calculating on their basis the logarithmic damping decrement of torsional vibrations δ, by the formula

для последующего определения кинематической вязкости ν, предлагается измерение амплитуд A_i осуществлять до тех пор, пока значение амплитуды A_n станет в е раз меньше значения амплитуды А_o.for the subsequent determination of the kinematic viscosity ν, it is proposed to measure the amplitudes A _{i to} carry out until the value of the amplitude A _n becomes e times less than the amplitude A _o .

Кроме того, в качестве стартовой амплитуды А_о выбирают любую (от первой до i-й), например 5-ю.In addition, as the starting amplitude A _about choose any (from the first to the i-th), for example the 5th.

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечивают возможность упрощения и оптимизации процедуры определения амплитудно-временных параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом и вычисления логарифмического декремента затухания δ, а в конечном итоге, при сохранении достоверности и точности его определения, вязкость расплава, в ряде случаев ускорение экспериментов и уменьшение угара компонентов расплава, а также сравнимость результатов разных экспериментов.Distinctive features of the proposed technical solution provide the possibility of simplifying and optimizing the procedure for determining the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt and for calculating the logarithmic damping decrement δ, and ultimately, while maintaining the reliability and accuracy of its determination, the melt viscosity, in some cases, acceleration of experiments and a decrease in the fumes of the melt components, as well as the comparability of the results of different experiments.

Необходимо отметить, что при использовании в расчетах по формуле [2] амплитуды А_е в качестве А_i=А_n и с учетом того, что А_о=еA_n, формула [2] после преобразований упрощается и приводится к следующему виду:It should be noted that when using the amplitudes A _e in the calculations according to the formula [2] as A _i = A _n and taking into account the fact that A _o = eA _n , the formula [2] after the transformations is simplified and reduced to the following form:

В этом случае логарифмический декремент затухания δ равен величине, обратной числу колебаний n между колебаниями с амплитудами А_о и А_i=A_n. Это и позволяет при сохранении достоверности и точности ускорить, упростить и оптимизировать процедуру измерений.In this case, the logarithmic damping decrement δ is equal to the reciprocal of the number of oscillations n between the oscillations with amplitudes A _about and A _i = A _n . This allows, while maintaining reliability and accuracy, to accelerate, simplify and optimize the measurement procedure.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг.1 - блок-схема измерительного комплекса;figure 1 is a block diagram of a measuring complex;

фиг.2 - осциллограмма траектории отраженного светового луча, соответствующей крутильным колебаниям тигля с расплавом;figure 2 is an oscillogram of the trajectory of the reflected light beam corresponding to torsional vibrations of the crucible with the melt;

фиг.3 - экспериментальные данные затухающих крутильных колебаний и погрешности измерений в виде стандартных отклонений σ²: а - чистая электротехническая медь, t°=1150°С; б - нирезистовый чугун, t°=1350°С;figure 3 - experimental data of damped torsional vibrations and measurement errors in the form of standard deviations σ ² : a - pure electrical copper, t ° = 1150 ° C; b - cast iron, t ° = 1350 ° C;

фиг.4 - экспериментальные данные затухающих крутильных колебаний и погрешности измерений в виде коэффициентов вариации С_v; а - чистая электротехническая медь, t°=1150°С; б - нирезистовый чугун, t°=1350°С;figure 4 - experimental data of damped torsional vibrations and measurement errors in the form of coefficients of variation With _v ; a - pure electrical copper, t ° = 1150 ° C; b - cast iron, t ° = 1350 ° C;

фиг.5 - расчетные величины декремента затухания δ для 4 вариантов расчета по формуле: δ=1/n{ln(A_o/A_i)}: a - чистая электротехническая медь, t°=1150°С; б - нирезистовый чугун, t°=1350°С.figure 5 - calculated values of the attenuation decrement δ for 4 calculation options according to the formula: δ = 1 / n {ln (A _o / A _i )}: a - pure electrical copper, t ° = 1150 ° C; b - cast iron, t ° = 1350 ° C.

Устройство для реализации способа определения декремента затухания при бесконтактном измерении вязкости металлических расплавов содержит вакуумную печь 1, в зоне нагрева которой на упругой нити 2 коаксиально подвешен тигель 3 с расплавом, соединенный с упругой нитью 2 с помощью стержня 4. Вне области высокотемпературной зоны нагрева печи 1 расположен электромагнитный узел 5, предназначенный для закручивания упругой нити 2. Высокотемпературную зону создает коаксиальный цилиндрический нагреватель 6, питающийся от трехфазной сети. На верхнем конце стержня 4 зафиксирован магнитный элемент 7, выполненный в виде диска. Источник 8 электромагнитного поля (катушки) совместно с магнитным элементом 7 являются составными частями электромагнитного узла 5. Оптическое измерительное устройство состоит из зеркала 9, закрепленного на верхнем конце стержня 4, источника света 10 и контрольной измерительной шкалы - линейки 11, а также фотоприемного устройства 12, содержащего оптически изолированные друг от друга оптосенсоры 13. Блок электропитания 14 с выключателем 15 соединен с электромагнитным узлом 5. Переключатель полярности 16 блока питания 14 содержит реле 17 (на фиг.1 не показано), имеет входные 18 и выходные 19 пары силовых клемм, а также управляющий вход 20. Управляющий блок 21, соединенный с измерительным комплексом, и производящий, в частности, обработку результатов экспериментов, соединен с фотоприемным устройством 12, выключателем 15 блока питания 14 и переключателем полярности 16.A device for implementing the method for determining the attenuation decrement for non-contact measurement of the viscosity of metal melts comprises a vacuum furnace 1, in the heating zone of which a crucible 3 with a melt is coaxially suspended on an elastic filament 2, connected to an elastic filament 2 using a rod 4. Outside the high-temperature heating zone of the furnace 1 An electromagnetic assembly 5 is located, designed to twist elastic strand 2. A high-temperature zone is created by a coaxial cylindrical heater 6, powered by a three-phase network. At the upper end of the rod 4 is fixed to the magnetic element 7, made in the form of a disk. The source 8 of the electromagnetic field (coil) together with the magnetic element 7 are components of the electromagnetic unit 5. The optical measuring device consists of a mirror 9 mounted on the upper end of the rod 4, a light source 10 and a control measuring scale - a line 11, as well as a photodetector 12 containing optical sensors optically isolated from each other 13. The power supply unit 14 with the switch 15 is connected to the electromagnetic assembly 5. The polarity switch 16 of the power supply unit 14 contains a relay 17 (in FIG. rendered), has input 18 and output 19 pairs of power terminals, as well as control input 20. The control unit 21, connected to the measuring complex, and performing, in particular, the processing of experimental results, is connected to a photodetector 12, a switch 15 of the power supply 14 and polarity switch 16.

В качестве упругой части подвески 2 используется нихромовая нить длиной около 650 и диаметром 0,15 мм. Объем исследуемого металлического расплава в тигле 3 составляет около 3 см. куб. Масса магнитного элемента 7, выполненного из стали в виде диска, меньше или равна массе тигля 3 с размещенным в нем образцом расплава. Магнитная система электромагнитного узла 5 - источника 8 магнитного поля, выполнена в виде статора электродвигателя постоянного тока с потребляемой мощностью примерно 70 мВт, соединенного через переключатель полярности 16, содержащий два перекидных контакта, выполненный на двухступенчатом реле 17 (на фиг.1 не показано), содержащем управляемое реле типа РМУГ, и управляющее им твердотельное оптореле МОП - типа PVG612 фирмы IR с низковольтным блоком питания 14. Коаксиальный нагреватель 6, выполненный из молибдена и обеспечивающий изотермическую зону, включен постоянно в течение всего эксперимента. Зеркало 9 имеет площадь 1 см кв., свет попадает на него от постоянно включенного источника света 10-12 В лампы через окно-иллюминатор (на схеме не показано) и отражается на полупрозрачную контрольную оптическую шкалу-линейку 11 с ценой деления 1 мм и размером 600 мм (с нулем шкалы посередине). В области нуля шкалы линейки 11 зафиксировано фотоприемное устройство 12, содержащее расположенные вплотную друг к другу оптически изолированные фотодиодные интегральные схемы (оптосенсоры) 13 TSL250 фирмы TAOS. В качестве управляющего блока 21 используется персональный компьютер не ниже уровня Pentium 1.As the elastic part of the suspension 2, a nichrome thread with a length of about 650 and a diameter of 0.15 mm is used. The volume of the investigated metal melt in crucible 3 is about 3 cm3. The mass of the magnetic element 7, made of steel in the form of a disk, is less than or equal to the mass of the crucible 3 with a melt sample. The magnetic system of the electromagnetic unit 5 - the source 8 of the magnetic field, is made in the form of a stator of a DC motor with a power consumption of about 70 mW, connected through a polarity switch 16 containing two changeover contacts made on a two-stage relay 17 (not shown in Fig. 1), containing a controlled relay of type RMUG, and a solid-state MOS opto-relay controlling it, type PVG612 of IR company with a low-voltage power supply unit 14. A coaxial heater 6 made of molybdenum and providing an isothermal zone , included continuously throughout the experiment. Mirror 9 has an area of 1 cm sq., Light enters it from a constantly switched on light source of 10-12 V lamps through a window-porthole (not shown in the diagram) and is reflected on a translucent control optical scale-ruler 11 with a division price of 1 mm and size 600 mm (with zero scale in the middle). In the zero region of the scale of the line 11, a photodetector 12 is fixed containing optically isolated photodiode integrated circuits (optosensors) 13 TSL250 of TAOS firmly adjacent to each other. As the control unit 21, a personal computer of at least Pentium 1 level is used.

Фотометрическое определение декремента затухания при бесконтактном измерении вязкости металлических расплавов осуществляется следующим образом. Подготавливается изучаемый образец определенной массы, затем он в тигле 3 подвешивается в вакуумную печь 1 в район изотермической зоны, включается источник света 10, отраженный от зеркала 9 световой луч устанавливается котировочным механизмом на середину оптической шкалы 11. Затем создается вакуум до 0,01 Па, включают нагреватель 6 для длительного нагрева изотермической зоны до температуры, при которой начинают процесс измерений. Например, при исследовании авторами чугуна, легированного никелем, редкоземельными металлами, марганцем и др. (С - 3%, Si - 2%, Mn - 2%, Ni - 15%, Cu - 6%) проходит около 2,5 часов для достижения одной из требуемых по целям эксперимента температуры 1270°С. После нагрева до нужной температуры исследователь включает выключатель 15 блока электропитания 14, электропитание +15 В через переключатель полярности 16 подается на электромагнитный узел 5, который начинает закручивать упругую нить 2. После этого, примерно через 50 мс - 2 с, движущийся отраженный световой луч попадает на один из оптосенсоров 13 фотоприемного устройства 12, на выходе фотоприемного устройства 12 появляется соответствующий сигнал U₁, который через выходную шину фотоприемного устройства 12 вводится в блок 21. Этот сигнал является стартовым для блока 21, который начинает процесс управления измерительным комплексом. Сигналы U₁, U₂ оптосенсоров 13 появляются последовательно, в момент засветки каждого из них отраженным световым лучом. Динамика прохождения отраженным световым лучом оптосенсоров 13 (t₁, t₂) и появление на блоке 21 сигналов оптосенсоров 13 U₁, U₂ обеспечивают появление на выходе блока 21 сигнала 20 для коммутации переключателя полярности 16, который управляет динамикой закручивания упругой нити 2 и тигля 3 с расплавом.The photometric determination of the attenuation decrement for non-contact measurement of the viscosity of metal melts is as follows. A studied sample of a certain mass is prepared, then it is suspended in a crucible 3 in a vacuum furnace 1 in the isothermal zone, a light source 10 is turned on, the light beam reflected from the mirror 9 is set by the quotation mechanism to the middle of the optical scale 11. Then a vacuum is created up to 0.01 Pa, include a heater 6 for long-term heating of the isothermal zone to the temperature at which the measurement process begins. For example, when a study by the authors of cast iron alloyed with nickel, rare earth metals, manganese, etc. (C - 3%, Si - 2%, Mn - 2%, Ni - 15%, Cu - 6%) takes about 2.5 hours for the achievement of one of the temperatures required for the purposes of the experiment is 1270 ° C. After heating to the desired temperature, the researcher turns on the switch 15 of the power supply unit 14, the +15 V power supply through the polarity switch 16 is supplied to the electromagnetic unit 5, which begins to twist the elastic thread 2. After that, after about 50 ms - 2 s, the moving reflected light beam enters on one of the optosensors 13 of the photodetector 12, the corresponding signal U ₁ appears at the output of the photodetector 12, which is input to the block 21 through the output bus of the photodetector 12. This signal is old for block 21, which begins the process of controlling the measuring complex. The signals U ₁ , U _{2 of the} optosensors 13 appear sequentially, at the time of illumination of each of them with a reflected light beam. The dynamics of the passage of the reflected light beam of the optosensors 13 (t ₁ , t ₂ ) and the appearance on the block 21 of the signals of the optosensors 13 U ₁ , U ₂ provide the appearance at the output of the block 21 of the signal 20 for switching the polarity switch 16, which controls the dynamics of twisting of the elastic thread 2 and the crucible 3 with a melt.

На фиг.2 приведена осциллограмма траектории 22 отраженного светового луча при затухающих колебаниях упругой нити 2 с тиглем 3, содержащим исследуемый расплав. После окончания разгона и достижения необходимой амплитуды А_о (порядка 250-300 мм по шкале-линейки 11) колебательной траектории 22 отраженного светового луча управляющий блок 21 отключает блок электропитания 14, а в конечном итоге электромагнитный узел 5, после чего наступает режим свободно затухающих крутильных колебаний 23 упругой нити 2 с тиглем 3, содержащим расплав. С этого момента (t_o=0, A_i=А_о) начинают собственно процедуру измерения амплитудно-временных параметров затухающих крутильных колебаний 23 для вычисления декремента затухания δ и в конечном итоге вязкости ν. Отметим, что период колебаний Т=4,2 с однозначно связан с числом колебаний n для каждого конкретного эксперимента на данной установке при времени полного затухания колебаний 22 до нескольких десятков мин. На колебательной траектории 22 отмечены амплитудные экстремумы, начиная с А_о до А_i, моменты времени t₁, t₂ прохождения линейного участка ΔА колебательной траектории 22 отраженным световым лучом через оптосенсоры 13 фотоприемного устройства 12.Figure 2 shows the oscillogram of the trajectory 22 of the reflected light beam during damping vibrations of the elastic filament 2 with the crucible 3 containing the studied melt. After the acceleration is completed and the necessary amplitude A _о (about 250-300 mm on a ruler scale 11) is reached, the oscillating path 22 of the reflected light beam, the control unit 21 turns off the power supply 14, and ultimately the electromagnetic unit 5, after which the free-damping torsion vibrations 23 of the elastic thread 2 with the crucible 3 containing the melt. From this moment (t _o = 0, A _i = A _o ), the actual procedure of measuring the amplitude-time parameters of damped torsional vibrations 23 begins to calculate the damping decrement δ and, ultimately, the viscosity ν. Note that the oscillation period T = 4.2 s is unambiguously related to the number of oscillations n for each particular experiment in this setup with a total oscillation decay time of 22 to several tens of minutes On the oscillatory trajectory 22, amplitude extrema are noted, starting from A _about to A _i , the times t ₁ , t _{2 of the} passage of the linear portion ΔA of the oscillatory trajectory 22 by the reflected light beam through the optical sensors 13 of the photodetector 12.

Авторами получены экспериментальные данные затухающих крутильных колебаний тигля 3 с расплавом, приведенные на фиг.3: а - чистая электротехническая медь, t°=1150°C; б - чугун, t°=1350°С.The authors obtained experimental data of the damped torsional vibrations of the crucible 3 with the melt, shown in figure 3: a - pure electrical copper, t ° = 1150 ° C; b - cast iron, t ° = 1350 ° С.

Также приведены соответствующие уравнения экспонент затухающих крутильных колебаний 23 для времени t и числа n колебаний, стандартные отклонения σ² 24, отмечена точка амплитуды А_i=А_о/е=А_е 25 и σ² 26 для нее. Условная амплитуда Y_i, определяемая по времени прохождения светового луча на линейном участке ΔА колебательной траектории 22 через оптосенсоры 13: Y_i~1/Δt=1/(t₁-t₂), однозначно связана с амплитудами А_i. Время Δt измеряется в тактах центрального процессора управляющего блока 21, например, тактовая частота - 166 МГц для Pentium I. Аналогичные данные приведены на фиг.4 и отличаются тем, что вместо стандартного отклонения δ² 24 приведен коэффициент вариации С_v=(√σ/А_средн)100% 27, т.е. относительная ошибка в %, учитывающая стандартное отклонение σ² 24, в том числе и для А_е 28. Данные фиг.3, 4 демонстрируют, что, с одной стороны, использование первых 5…10 амплитуд А_i в качестве А_n вызывает значительные ошибки (разброс как σ² 24, так и С_v 27), что соответствует данным некоторых исследователей (см. вышеуказанное С.И.Филиппов…, с.246), с другой стороны, использование «хвоста» экспоненты требует неоправданно больших временных затрат, при которых неизбежен угар компонентов расплава, а точность растет незначительно, к тому же есть опасность захода в нелинейную область амплитуд, где линейный отрезок ΔА косинусоиды 22 (см. фиг.2) вырождается в собственно косинусоиду, после чего невозможно оценить ни достоверность, ни точность результатов, и, в-третьих, использование А_е 25 в качестве второй точки для определения необходимого и достаточного числа колебаний n является оптимальным решением, позволяющим получить быстро и просто стандартизованный, достоверный и точный результат (С_v 28 равно 0,5…0,7%) вместо субъективного, длительного, сложного и не всегда возможного измерения всех амплитуд А_i 23.The corresponding equations of the exponentials of damped torsional vibrations 23 for time t and the number n of vibrations, standard deviations σ ² 24 are also given, the amplitude point A _i = A _o / e = A _e 25 and σ ² 26 for it are marked. The conditional amplitude Y _i , determined by the time of passage of the light beam on the linear portion ΔA of the oscillating path 22 through the optosensors 13: Y _i ~ 1 / Δt = 1 / (t ₁ -t ₂ ), is uniquely associated with the amplitudes A _i . The time Δt is measured in clock cycles of the central processor of the control unit 21, for example, the clock frequency is 166 MHz for Pentium I. Similar data are shown in Fig. 4 and differ in that instead of the standard deviation δ ² 24, the coefficient of variation C _v = (√σ / And _average ) 100% 27, i.e. relative error in%, taking into account the standard deviation σ ² 24, including for A _e 28. The data of Figures 3, 4 demonstrate that, on the one hand, the use of the first 5 ... 10 amplitudes A _i as A _n causes significant errors (scatter of both σ ² 24 and С _v 27), which corresponds to the data of some researchers (see the above S. I. Filippov ..., p. 246), on the other hand, the use of the “tail” of the exponent requires unreasonably large time costs, in which burnout of the melt components is inevitable, and the accuracy grows slightly, moreover, there is a danger approach to nonlinear amplitude region where the line segment ΔA cosine 22 (see FIG. 2) degenerates into proper cosine, then it is impossible to evaluate the accuracy of audio, audio accuracy of results, and, thirdly, the use of A _e 25 as the second point for determining the necessary and sufficient number of oscillations n is the optimal solution, allowing you to quickly and simply standardized, reliable and accurate result (C _v 28 is 0.5 ... 0.7%) instead of subjective, long, complex and not always possible measurement of all amplitudes beats A _i 23.

На фиг.5 приведены расчетные величины декремента затухания δ для 4 вариантов расчета по формуле: δ=1/n{ln(А_о/А_i)}, где i=1,…, n; A_o - стартовая амплитуда, с которой начинается отсчет затухающих колебаний 22: 1-й ряд значений 29 - A_o в момент начала затухающих колебаний 22 (нулевая точка) - все точки в соотношении с нулевой: нулевая и первая, нулевая и вторая, …, нулевая и n-я; 2-й ряд 30 построен только по 2-м соседним точкам, т.е. n=1; 3-й ряд 31 построен по 2-м несоседним точкам: нулевая и четвертая, первая и пятая, вторая и шестая и т.д., n=3; 4-й ряд 32 (горизонтальная прямая) построен по всем точкам, с применением метода наименьших квадратов для экспоненты А_i=A_oexp(-Bt) (например, в уравнении для меди В=1,8468Е-02, фиг.3 а). Необходимо учесть, что варианты с несколькими (или со всеми точками), например 1-й и 3-й, требуют усреднения результатов на основе их статистической обработки, что существенно усложняет процедуру эксперимента. Все варианты δ получены для чистой электротехнической меди, t°=1150°С - а; и для - нирезистового чугуна, t°=1350°C - б. Отметим, что в качестве стартовой A_o может быть использована не нулевая амплитуда (при t=0), а любая А_i. Соответственно, изменится и А_е. Это может понадобиться, если из-за сбоя в ходе экспериментов возникают проблемы в начальной области затухающих колебаний 22. Данные фиг.5 показывают, что по сравнению с эталонным многоточечным вычисленным вариантом 32 наихудшие параметры обеспечивает построение 30 по 2-м соседним точкам при n=1, лучше - по 2-м несоседним точкам 31 при n=3, еще лучше - по всем точкам по отношению к нулевой А_о 29. Использование А_е в качестве второй точки 33 для определения n обеспечивает вполне приемлемые точностные параметры, близкие к эталонному многоточечному варианту 32, что подтверждает выводы, полученные при анализе фиг.3, 4. Например, для меди значение декремента затухания δ составило 0,077764 по 4-му варианту 32 (эталон) и 0,077666 с использованием А_е 33. Аналогично, близкие результаты и у чугуна: 0,059546 и 0,059613.Figure 5 shows the calculated values of the attenuation decrement δ for 4 calculation options according to the formula: δ = 1 / n {ln (A _o / A _i )}, where i = 1, ..., n; A _o is the starting amplitude, from which the countdown of damped oscillations starts: 22: 1st series of values 29 - A _o at the beginning of the damped oscillations 22 (zero point) - all points in relation to zero: zero and first, zero and second, ... , zero and nth; 2nd row 30 is built only on 2 neighboring points, i.e. n is 1; 3rd row 31 is built on 2 non-adjacent points: zero and fourth, first and fifth, second and sixth, etc., n = 3; 4th row 32 (horizontal line) is built at all points using the least squares method for the exponent A _i = A _o exp (-Bt) (for example, in the equation for copper B = 1.8468E-02, Fig. 3 a ) It should be noted that options with several (or with all points), for example, the 1st and 3rd, require averaging the results based on their statistical processing, which significantly complicates the experimental procedure. All δ variants were obtained for pure electrical copper, t ° = 1150 ° С - а; and for - niresist cast iron, t ° = 1350 ° C - b. Note that as the starting A _o can be used not the zero amplitude (at t = 0), but any A _i . Accordingly, A _e will also change. This may be necessary if, due to a malfunction during the experiments, problems arise in the initial region of the damped oscillations 22. The data of Fig. 5 show that, in comparison with the reference multipoint calculated variant 32, the worst parameters are provided by constructing 30 from 2 neighboring points with n = 1, it is better - at 2 non-adjacent points 31 for n = 3, even better - at all points with respect to zero A _about 29. Using A _e as the second point 33 to determine n provides quite acceptable accuracy parameters close to the reference multipoint option in 32, which confirms the conclusions drawn from the analysis of Figure 3, 4. For example, for copper attenuation decrement δ value was 0.077764 for the 4th embodiment 32 (reference) and using 0.077666 A _e 33. Similarly, close cast iron results: 0.059546 and 0.059613.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и в большинстве случаев ускорение экспериментов с одновременным уменьшением угара расплава, при сохранении достоверности и точности определения амплитудно-временных параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом в способе определения декремента затухания при бесконтактном измерении вязкости высокотемпературных металлических расплавов. Одновременно обеспечивается сравнение экспериментов.The technical result of the invention is the simplification and, in most cases, acceleration of experiments with a simultaneous decrease in the melt burn, while maintaining the reliability and accuracy of determining the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of the crucible with the melt in the method of determining the damping decrement during non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts. At the same time, a comparison of experiments is provided.

Claims

1. The method of determining the attenuation decrement for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread on which a crucible with a melt is suspended, recording the amplitude-time parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror , and then measuring the received signal reflecting the attenuation parameters of the torsional vibrations of the crucible with the melt, determining the magnitude of several amplitudes d torsional oscillations A _i: Homepage A _o, which start measurement damping torsional vibrations of the crucible melt and A _n, at one of which ends the measurement and determining the number of oscillations n _i between A _a and A _n, the calculation based on them logarithmic decrement torsional vibration damping δ by the formula:
δ = 1 / n {ln (A _o / A _n )}
for subsequent determination of kinematic viscosity ν, characterized in that as the A _n using the measured amplitude A _n = A _e at Homepage A _on a factor of e, where e - the base of natural logarithms, determine the number of vibrations n between the amplitudes A _o and A _e, these parameters calculate the logarithmic damping decrement δ according to the above formula for the subsequent determination of the kinematic viscosity ν of the melt.

2. The method according to claim 1, characterized in that as the starting amplitude A _about choose any (from the first to the i-th), for example the 5th.