RU2709422C1

RU2709422C1 - Device for measuring surface tension of melts by stalagmometric method

Info

Publication number: RU2709422C1
Application number: RU2019114267A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Колесников; Дмитрий Николаевич Борисенко
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2019-12-17

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: device relates to measurement equipment for physical research of fluid properties. Device allows measuring surface tension of chemically aggressive melts of refractory substances with high (above 0.1 MPa) pressure of own vapors above the liquid phase, which are in an inert atmosphere. Measurement error caused by the effect of convective vapor carryover from the surface of the formed melt drop is reduced. Proposed device comprises graphite stalagmometer with capillary and rod, drops receiver, heater, current leads, heat-insulating sheath of thermostat and high-pressure vessel wherein stalagmometer consists of case, partition with capillary channel and cover, and drops receiver is bottom of stalagmometer housing.

EFFECT: reduced effect of convective vapor carryover from the surface of formed drops on results of measurements of surface tension of melts.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике для физических исследований свойств жидкостей, а именно, агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 МПа) давлениями собственных паров над расплавами.The proposed device relates to measuring equipment for physical studies of the properties of liquids, namely, aggressive melts of refractory substances with high (more than 0.1 MPa) intrinsic vapor pressures over the melts.

К таким веществам относятся, например, некоторые соединения A^IIB^VI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe). Для предотвращения испарения исследуемого материала и возможного при этом изменения его химического состава с расплавами таких веществ работают под высокими давлениями инертных газов.Such substances include, for example, some compounds A ^II B ^VI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe). To prevent evaporation of the test material and possible changes in its chemical composition with melts of such substances, they work under high inert gas pressures.

Известно устройство для измерения поверхностного натяжения расплавов сталагмометрическим методом [Н.Н. Колесников. Устройство для определения поверхностного натяжения расплавов. Авторское свидетельство СССР 1357794, опубл. 07.12.87, Бюл. №45] - прототип, содержащее графитовый сталагмометр с капилляром и штоком, приемник капель, нагреватель, токоподводы, теплоизоляционную оболочку термостата, сосуд высокого давления и рефлекторы термостата со сквозным вертикальным отверстием. Это устройство позволяет определять поверхностное натяжение агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 МПа) давлениями собственных паров над расплавами, находящихся под давлением инертных газов. Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что при высоких давлениях инертного газа становится заметным влияние конвективного уноса паров с поверхности формирующейся капли расплава, приводящего к росту погрешности измерений, заметному по разбросу экспериментальных данных. Например, для расплава ZnSe под давлением аргона, эта проблема становится существенной уже при давлениях ≥6,5 МПа, и в диапазоне 6,5-10,0 МПа разброс экспериментально определенных значений поверхностного натяжения оказывается ≥4%.A device for measuring the surface tension of melts is a stalagmometric method [N.N. Kolesnikov. Device for determining the surface tension of melts. USSR copyright certificate 1357794, publ. 12/07/87, Bull. No. 45] - a prototype containing a graphite stalagmometer with a capillary and a rod, a droplet receiver, a heater, current leads, a heat-insulating shell of a thermostat, a pressure vessel and reflectors of a thermostat with a through vertical hole. This device allows you to determine the surface tension of aggressive melts of refractory substances with high (more than 0.1 MPa) intrinsic vapor pressures above melts under pressure of inert gases. The disadvantage of the prototype device is that at high pressures of an inert gas, the effect of convective vapor removal from the surface of the forming melt drop becomes noticeable, leading to an increase in measurement error, noticeable in the spread of experimental data. For example, for ZnSe melt under argon pressure, this problem becomes significant even at pressures ≥6.5 MPa, and in the range of 6.5–10.0 MPa, the spread of experimentally determined surface tension values is ≥4%.

Задачей настоящего изобретения является снижение влияния конвективного уноса паров с поверхности формирующихся капель на результаты измерений поверхностного натяжения расплавов.The objective of the present invention is to reduce the effect of convective ablation of vapors from the surface of forming droplets on the results of measurements of the surface tension of the melts.

Эта задача решается в предлагаемом устройстве за счет того, что в известном устройстве, содержащем графитовый сталагмометр с капилляром и штоком, приемник капель, нагреватель, токоподводы, теплоизоляционную оболочку термостата и сосуд высокого давления, сталагмометр состоит из корпуса, перегородки с капиллярным каналом и крышки, а приемником капель служит дно корпуса сталагмометра.This problem is solved in the proposed device due to the fact that in the known device containing a graphite stalagmometer with a capillary and a rod, a drop receiver, a heater, current leads, a heat-insulating shell of a thermostat and a pressure vessel, the stalagmometer consists of a body, a partition with a capillary channel and a lid, and the bottom receiver is the bottom of the stalagmometer case.

Такая конструкция позволяет экранировать формирующиеся и падающие капли от развивающихся в сосуде высокого давления конвективных потоков инертного газа. Экранирование капель осуществляется стенками корпуса сталагмометра, а защита собственно расплава - стенками корпуса и крышкой сталагмометра. В результате снижается погрешность измерений, что регистрируется по уменьшению разброса экспериментальных данных. Например, для расплава ZnSe под давлением аргона, в диапазоне 6,5-10,0 МПа, разброс экспериментально определенных значений поверхностного натяжения не превышает 2%.This design allows you to shield the forming and falling drops from the convective inert gas flows developing in the pressure vessel. Drops are shielded by the walls of the stalagmometer body, and the melt is protected by the walls of the body and the stalagmometer cover. As a result, the measurement error decreases, which is recorded by reducing the spread of experimental data. For example, for a ZnSe melt under argon pressure, in the range of 6.5–10.0 MPa, the spread of experimentally determined surface tension values does not exceed 2%.

Общий вид устройства изображен на чертеже Фиг. 1. Здесь 1 - графитовая крышка сталагмометра, 2 - перегородка сталагмометра с капиллярным каналом 3, 4 - корпус сталагмометра, 5 - цилиндрический графитовый нагреватель, 6 - графитовые токоподводы нагревателя, которые одновременно служат внутренней оболочкой термостата, 7 - медные токоподводы, 8 - внешняя, теплоизоляционная оболочка термостата, 9 - сосуд высокого давления, 10 - шток, 11 - фланец.A general view of the device is shown in FIG. 1. Here 1 is the graphite cover of the stalagmometer, 2 is the partition of the stalagmometer with a capillary channel 3, 4 is the body of the stalagmometer, 5 is a cylindrical graphite heater, 6 is the graphite heater current leads, which simultaneously serve as the internal shell of the thermostat, 7 are copper current leads, 8 is the external , insulating thermostat shell, 9 - pressure vessel, 10 - rod, 11 - flange.

Имевшиеся в конструкции-прототипе рефлекторы термостата и кольцевая ловушка капель в предлагаемом устройстве не требуются.Available in the prototype design, thermostat reflectors and an annular droplet trap in the proposed device are not required.

Устройство работает следующим образом. Объем между крышкой 1 и перегородкой сталагмометра 2 заполняется исследуемым веществом (в твердом состоянии). Сталагмометр закрепляется на штоке 10. Затем сосуд высокого давления 9 снизу закрывается фланцем 11 и в нем создается требуемое давление инертного газа, например, аргона. Исследуемое вещество расплавляется. Расплав каплями вытекает через капиллярный канал 3. Капли, падая через зону охлаждения, которой служит участок между нижним обрезом нагревателя 5 и дном корпуса сталагмометра 4, затвердевают и попадают на дно корпуса сталагмометра 4, которое служит приемником капель. При необходимости, например, при работе с интенсивно сублимирующими веществами, исходное положение сталагмометра - ниже нагревателя. А в нагреватель сталагмометр перемещается штоком 10 только после установления в нагревателе заданной рабочей температуры.The device operates as follows. The volume between the lid 1 and the partition of the stalagmometer 2 is filled with the test substance (in solid state). The stalagmometer is fixed on the rod 10. Then the pressure vessel 9 is closed from below by the flange 11 and the required pressure of an inert gas, for example, argon, is created in it. The test substance melts. The melt drops through the capillary channel 3. Drops falling through the cooling zone, which serves as the area between the bottom edge of the heater 5 and the bottom of the stalagmometer body 4, solidify and fall to the bottom of the body of the stalagmometer 4, which serves as the receiver of the drops. If necessary, for example, when working with intensely sublimating substances, the initial position of the stalagmometer is below the heater. And the stalagmometer moves to the heater with the rod 10 only after the set working temperature is established in the heater.

Для вычисления величины поверхностного натяжения расплава σ необходимо взвешиванием определить суммарную массу капель на дне корпуса сталагмометра Σm_к и вычислить средний вес одной капли

где n - число капель. Затем σ рассчитывается по формуле [М. Джейкок, Д. Парфит. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984, с. 56]:To calculate the surface tension of the melt σ, it is necessary by weighing to determine the total mass of droplets at the bottom of the body of the stalagmometer Σm _k and calculate the average weight of one drop

where n is the number of drops. Then σ is calculated by the formula [M. Jaycock, D. Parfit. Chemistry of interfaces. M .: Mir, 1984, p. 56]:

где σ - ускорение свободного падения, R - радиус капилляра, k - сталагмометрическая постоянная, которая определяется, например, экспериментально с использованием эталонных веществ с известными поверхностными натяжениями расплавов.where σ is the gravitational acceleration, R is the radius of the capillary, k is the stalagmometric constant, which is determined, for example, experimentally using reference substances with known surface tensions of the melts.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить влияние конвективного уноса паров с поверхности формирующихся капель на результаты измерений поверхностного натяжения расплавов.Thus, the proposed device allows to reduce the effect of convective ablation of vapors from the surface of forming droplets on the results of measurements of the surface tension of the melts.

Claims

A device for measuring the surface tension of melts using a stalagmometric method containing a graphite stalagmometer with a capillary and a rod, a droplet receiver, a heater, current leads, a heat-insulating shell of a thermostat and a pressure vessel, characterized in that the stalagmometer consists of a body, a partition with a capillary channel and a lid, and a receiver drops serves as the bottom of the stalagmometer case.