SU958913A1 - Способ определени кинетических параметров растворени твердых веществ в расплавах металлов и сплавов при температурах выше 1000 @ с - Google Patents

Description

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

РАСТВОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ В РАСПЛАВАХ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ВЫШЕ 1000°С

1

Изобретение относитс  к физической химии применительно к металлургии и литейному производству.

Известен способ определени  кинетических параметров растворени , например, коэффициента диффузии в расплавах металлов при анодном растворении электроотрицательного компонента из жидкометаллического сплава, заключающийс  в том, что потенциостатический анализ ведут с подачей на вход потенциостата напр жени , соответствующего началу ионизации компонента сплава, конкурирующего с раствор емым , снимают зависимость тока от времени , по которой суд т об искомой величине 1.

Однако этот способ имеет ограниченное применение

Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  способ определени  кинетических параметров растворени , например коэффициента диффузии углерода в расплаве железа, путем сбрасывани  в расплав добавки мелкодисперсного графита, отбора проб при различных выдержках с последующим химанализом 2.

Однако известный способ характеризуетс  недостаточной точностью метода, сложностью проведени  опыта, требующего проведени  нескольких плавок дл  отбора проб, . и существенными затратами времени на про ведение химанализа. Кроме того, измерение кинетических параметров указанным способом не учитывает угар элементов, так как опыт ведетс  в окислительной атмосфере, что также снижает достоверность получае10 мых результатов.

Целью изобретени   вл етс  повыщение точности измерений и определени  в одном опыте термодинамических и кинетических параметров растворени  твердых веществ

в высокотемпературном расплаве.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  кинетических параметров растворени  твердых веществ в расплавах металлов и сплавов при температурах выще 1000°С путем растворени  твердой добавки в исследуемом расплаве исследуемый расплав и твердую добавку помещают в калориметр с изотермической оболочкой и регистрируют изменение температуры калориметрической ванны в процессе растворени  твердой добавки, по которому наход т искомые параметры.

Скорость растворени  и коэффициент диффузии определ ют из уравнений:

Се -dX4TJ i-v.

dl S- ДТ

-f

du

PS Vf

D2 + Jr5.X.s 0;

3271 -АХ-г

Л4Ч, -rlO-rrZAV.-r

8-AXT

где D - коэффициент диффузии;

ДТ - изменение температуры калориметрической ванны; S - площадь контакта расплава со

стенкой ванны;

jl - коэффициент теплообмена металла ванны со стенкой; Се - теплоемкость расплава; 1 - удельный тепловой эффект растворени ;

Vs - массова  скорость растворени ; PS - плотность раствор емого твердого вещества;

АХ- движуща  сила процесса растворени ; врем .

Сущность изобретени  состоит в следующем . В высокотемпературный калориметр с изотермической оболочкой устанавливают тигель с навеской исследуемого металла, а в щлюзовую камеру помещают твердую добавку . После герметизации калориметрической ванны из рабочего объема печи откачивают воздух до получени  заданной опытом степени разрежени  и напускают инертный газ. Затем включают нагреватель печи, расплавл ют навеску исследуемого металла и выдерживают расплав при его температуре выще ликвидуса, строго поддержива  заданную температуру выдержки в рабочем объеме ванны с помощью высокоточного регул тора температуры. После выдержки сбрасывают в тигель с расплавом твердую добавку через щлюзовое устройство и регистрируют изменение температуры кйлориметрической ванны до полного растворени  добавки, и по площади фигуры теплообмена на термограмме растворени  добавки определ ют скорость растворени  и коэффициенты диффузии.

Способ реализован на примере растворени  графита в расплаве чугуна.

Изменение температуры расплава в калориметре происходит в результате нагрева добавки, теплового эффекта растворени  и теплообмена расплава со стенкой тигл . Эти три процесса идут с различными скорост ми , что в конечном итоге и определ ет форму экспериментальной кривой изменени  температуры во времени.

Теплообмен между стенкой тигл  и расплавом при небольших относительных перепадах температур между стенкой и распла-вом (ДТ/Тз) и малых числах Био (В,$ 0,25) подчин етс  закону Ньютона-Рихмана:

q(T) ot-AT (Т),

(i:

где 4 - тепловой поток;

ДТ - разность температур стенки Т

и расплава ТЕ ; /-,коэффициент теплоотдачи; t - врем .

10 Тепловой эффект процесса, включающий нагрев.добавки от начальной температуры до температуры расплава и ее растворение, равен:

Q ci-s-/дт(т) dt.

(2)

где S - площадь контакта расплава со

стенкой.

Величину ot-S определ ют калибровкой, примен   известные данные по теплотам плавлени  и значени  стандартных энтальпий эталонных веществ.

Интеграл в правой части уравнени  (2) получают экспериментально, как площадь под кривой ДТ(т-). Использу  ее форму, можно вычислить скорость растворени  добавки , если скорость выделени  тепла при растворении сравнима со скоростью теплообмена со стенкой.

На чертеже показана экспериментальна  крива  зависимости ДТ(т:) дл  процесса растворени  графита в железоуглеродистом расплаве.

Врем  д определ ет сброс добавки в расплав. It - начало растворени , его конец. При этом температур.а расплава измен етс  от to до IK .

Окончание процесса определ етс  с помощью кривой теплообмена, получаемой следующим образом.

В отсутствие растворени  процесс выравнивани  температур расплава и стенки в калориметре, в определенном приближении описываетс  уравнением:

ci-SAT-dt

(3)

где Се - теплоемкость расплава.

Лева  часть уравнени  выражает количество тепла, отданного стенкой в расплав за врем  dt. Правый член равен количеству тепла, полученному расплавом при изменении его температуры на dT за врем  d ъ. Скорость выравнивани  температуры в расплаве гораздо выще скорости теплоотдачи от стенки. Это вытекает из следующих соображений: скорость теплообмена сравнима со скоростью выделени  тепла при растворении, котора  пропорциональна. скорости растворени . Соотношение между скорост ми диффузионного растворени  и теплообмена определ етс  критерием Льюиса LU а представл ющего собой отношение коэффициента диффузии к коэффициенту температуропроводности, и дл  жидких металлов составл ет Ю - 10 . Таким образом, количество тепла в уравнении (3), поступающего на нагрев расплава, с достаточной точностью определ етс  по форму 1е дл  квазиравновесных процессов dQe Се dT. Рещение уравнени  (3) имеет вид ДТ АТоёхр - . где ДТ, - разность между температурой стенки Tj и температурой Т С: которой начинаетс  процесс теплообмена в отсутствие растворени . Отсюда видно, что зависимость lnAT(i;) дл  чистого теплообмена расплава со стенкой представл ет собой пр мую линию. Участок экспериментальной кривой, соответствующий растворению, с учетом знака теплового эффекта приближенно описываетс  уравнением. ctS-4T-dt +Ce.dT -dQ , (5) где Лйт изменение количества тепла за счет растворени , или S Д Т + Се - - - I-Vc , где I - удельный тепловой эффект растворени ; Vs массова  скорость растворени . В дальнейшем расплав в калориметре малоподвижен, а раствор юща с  частица сферической формы. В этом случае диффузионный критерий Нуссельта Nu «2 и уравнение массопереноса записываетс  следующим образом: f-Ах. d I. где X - диаметр раствор ющейс  частицы; D коэффициент диффузии; Д- плотность частицы; движуща  сила процесса раст ворени ; Co,C,Cs - массовые концентрации раство р ющегос  вещества :- насыще ни , в расплаве и в твёрдой часце; ft,p -плотность расплава в насыЩенном и исследуемом состо ни х. Так как добавки малы по сравнению с массой расплава, то АХ можно считать посто нной. Уравнение (7) имеет решение в виде ЛХ-т-f , X (Х| где Хв - начальный диаметр частицы. С другой стороны, уравнение (7) можно записать через массовую скорость растворени : V, 27iD-X-AX. л Учитыва  уравнени  (8) и (9), получаем дл  определени  коэффициента диффузии по экспериментально найденным Vs,X: Р Y р Л2 ПЗ )2 4- ПО ) 8Дх-г Во многих практических случа х растворению в калориметре подвергают добавки, плотность которых меньше плотности расплава , т. е. в процессе растворени  частицы плавают на поверхности. В таком варианте между диаметром частицы и глубиной погружени  существует св зь: |- Ьз1- x-h2 + -1- хз о,(11) где h - глубина погружени  частицы. Полученное уравнение (11) по своей структуре аналогично уравнению (10), поэтому исследуетс  таким же образом, т. е. в области h 0 имеетс  только один корень. Предположив, что дл  пограничного сло  6 плавающей сферической частицы справедливо соотношение 6 -, и учитыва  предыдущие допущени , уравнение дл  определени  коэффициента диффузии имеет тот же вид (10). В исследовани х кинетики растворени  используютс  значени  коэффициентов массопереноса у -Е- и эффективный коэффициент массопереноса /S F (F - площадь контакта фаз), который легко получить из приведенных выше соотношений. Дл  погруженной сферической частицы ; э 2i D -Х, Дл  сферической частицы, плавающей на поверхности расплава. Л . ., 21 D-X, Предложенным способом измер ют кинетические параметры растворени  графита в железоуглеродистом расплавае FE + 3%С при 1450°С. При этом получают коэффициенты диффузии D 8-10 , что совпадает по величине с известными литературными данными.

Способ может быть применен в ЦЗЛ металлургических заводов, НИИ, а также на машиностроительных заводах при исследовани х кинетики растворени  твердых материалов в расплавах металлов при высоких температурах (Т 1000°С).

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР № 658462, кл. G 01 N 37/48, 1976.

2.Mihajlotfic А., Marineek В. «Arch. Eisenhuttenwes, 1973, 7, 507-512 (прототип ) .

..