Установка для определения плотности поверхностного натяжения и краевого угла смачивания расплавленного материала Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к металлургии, а именно к установкам для исследования физико-химических свойств жидких металлов и шлаков.

Для определения плотности и поверхностного натяжения расплавленных материалов используют метод лежащей капли-, заключающийся в вычислении этих параметров по результатам измерений геометрических параметров жидкой капли исследуемого вещества, размещенного на подложке или чашке из материала, не реагирующего с этим веществом.

Для выполнения этих измерений используют установки, состоящие из вакуумной печи со смотровым окном, подставки для установки подложки с каплей и оптической системой. Однако эти установки не обеспечивают высокой точности измерений, так как в них отсутствует возможность контроля горизонтальной выверки поверхности подложки, что не исключает искажения результатов определения свойсУв за счет образования несимметричных капель. В указанных установках не обеспечивается постоянный коэффициент увеличения, труден доступ к подставке для установки подложки, что значительно снижает производительность и затрудняет проведение эксперимента.

XI

ь.

СП

о -N

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является установка для измерения плотности и поверхностного натяжения расплавов железа. Установка содержит ва- куумную печь, состоящую из двух частей - неподвижной и подвижной с нагревателем, выполненным в виде трубы из графита с утолщениями на концах, размещенную горизонтально и смонтированную на одной оптической скамье с фотокамерой, и приспособление для крепления и юстировки подложки, представляющее собой толстостенную корундовую трубку, укрепленную винтами в стальной трубе, конец которой выведен через сильфон и закреплен на массивной металлической тумбе нажимными болтами.

Юстировка подложки осуществляется с помощью винтов (при отодвинутой в сторону по рельсам подвижной части печи) нажимных болтов.

Такая установка не позволяет достаточно точно и быстро осуществить измерения, а односторонний доступ для съемки капли не дает достаточного набора данных для точного расчета физико-химических характеристик исследуемых веществ.

Цель изобретения - повышение точности и снижение трудоемкости измерений, а также расширение номенклатуры контролируемых параметров путем обеспечения возможности контроля симметричности капли. На фиг. 1 представлена установка, общий вид; на фиг. 2 - узел крепления стержня с шаровой опорой приспособления для крепления и юстировки подложки; на фиг. 3 - бифилярный нагреватель со смотровыми отверстиями.

Установка для определения плотности поверхностного натяжения и краевого угла смачивания расплавленного материала методом лежащей капли содержит вертикально расположенную вакуумную печь 1 с бифилярным нагревателем 2 перемещенного сечения с тремя смотровыми отверстиями а, б, и в (фиг. 3). Печь 1 состоит из подвижной части 3 и неподвижной части 4, смонтированной на массивном основании 5.

В центральной части печи 1 установлено приспособление для крепления и юстировки подложки 6, представляющее собой самоустанавливающийся механизм, состоящий из стержня 7, верхний конец которого заканчивается расположенной перпендикулярно его оси площадкой для поддержки подложки 6, а нижний - буртом, который с помощью резьбового соединения связан с цилиндрическим выступом шаровой опоры 8.

Стержень 7 с опорой 8 уравновешен грузом 9, Опора 8 посажена в расположенное в центре основания 5 гнездо 10, имеющее форму обратной полусферы, ответную сферической форме посадочной поверхности опоры 8, и образующее с опорой 8 шарнирное соединение. Сферические поверхности опоры 8 и гнезда 10 выполнены с высокой точностью обработки и покрыты смазкой,

0 снижающей коэффициент трения.

Место ввоДа стержня 7 в неподвижную часть 4 печи 1 герметизировано сильфоном 11.

Механизм подъема и герметизации по5 движной части 3 печи 1 содержит гайку с фланцем 12, винт 13, направляющие 14 и траверс 15.

Установка снабжена двумя оптическими системами 16, закрепленными на пово0 ротных консольных направляющих 14 с возможностью перемещения в горизонтальной и вертикальных плоскостях. Нижняя из оптических систем 16 установлена соосно отверстиям а и б. а верхняя - соосно

5 линзе, установленной в полости гайки над отверстием в нагревателя 2 (фиг. 3).

Стенки нагревателя 2 сужены в зоне размещения стержня 7 с подложкой 6, для изменения высоты подъема которого в цен0 тре сферической части опоры 8 стержня 7

выполнен штырь с винтовой головкой 17.

выведенный через отверстие в основании 5.

В основание 5 по периметру боковой

поверхности, на которой нанесены кольце5 вые горизонтальные риски, вмонтирован уровнемер 18, а в нижней части основание 5 снабжено регулировочными опорными болтами 19.

При большой массе установки для опо0 ры траверсы 15 можно установить дополнительную направляющую колонну 14, симметричную описанной.

Степень сужения стенок нагревателя 2, размеры опоры 8, вес груза 9, количество

5 отростков дифманометрического уровня 18. количество и размеры опорных болтов 19 и другие конкретные параметры определяют в каждом отдельном случае в зависимости от размеров установки,свойств материалов,

0 из которых изготовлены ее элементы и т.д. с условием обеспечения ее прочности и надежности в эксплуатации.

Установка работает следующим образом.

5 С помощью регулировочных болтов 19 устанавливают основание 5 неподвижной части 4 вакуумной печи 1 в горизонтальном положении, которое контролируют по совпадению положения мениска жидкости в от- ростках дифманометрического уровнемера

18с кольцевыми горизонтальными рисками на боковой поверхности основания 5.

Затем при поднятой с помощью траверсы 15 подвижной части 3 печи 1 в гнездо 10 основания 5 устанавливают приспособление для крепления и юстировки-подложки б и уравновешивают его грузом 9, масса которого определена в процессе предварительной тарировки установки. При этом шарнир занимает вертикальное положение, а полость стержня 7 для поддержания подложки 6 - горизонтальное положение, параллельное плоскости основания 5. На плоскость стержня 7 устанавливают подложку б с заранее рассчитанным количеством исследуемого материала.

При помощи механизма поднятия и герметизации проводят -плавное сочленение подвижной 3 и неподвижной 4 частей вакуумной печи 1 и их зажатие винтом 13.

Включают вакуумную систему и производят предварительное разрежение устройства. При этом сила зажатия в месте уплотнений подвижной 3 и неподвижной 4 части печи 1 увеличивается пропорционально создаваемому разряжению, а стержень 7 под влиянием действующей на него силы становится подвижным, поднимается в верхнее крайнее положение, сжимая сильфом 11. Получается плавающая система, которую уравновешивают грузом 9, и шаровая опора 8 прижимается к поверхности гнезда 10 основания 5, образуя шарнир.

При достижении необходимого для проведения измерений разряжения, включает осветитель 20. проверяют предварительное совпадение оси оптических систем 16 с центром будущей капли, регулируя длину стержня 7 при помощи винтовой головки 17 опоры 8.

Производят настройку оптических систем 16 на заданное увеличение при съеме, после чего оптические системы остаются неприкосновенными в течение всей серии опытов, что гарантирует постоянство увеличения и повышает точность исследований.

Включают нагреватель 2 и производят нагрев до температуры плавления исследуемого материала в зоне его размещения, при этом формируется капля.

С помощью винтовой головки 17 производят окончательную корректировку соосности геометрического центра капли и оптических систем, гарантирующей получение четкого контура капли и выполняют ее фотографирование в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По геометрическим параметрам сфотографированной капли производят расчет плотности, поверхностного натяжения и

краевого угла смачивания расплавленного материала.

Причем использование предлагаемой установки позволяет расширить ее техниче- 5 ские возможности по сравнению с прототипом за счет получения дополнительного контролируемого параметра - симметричности капли.

. Кроме того, конструкция установки по10 зволяет расширить температурный диапазон исследований за счет локализации высокотемпературной зоны печи, а конструкция приспособления для крепления подложки позволяет при необходимости

15 произвести исследования по изучению характера растекания капли, изменяя угол наклона плоскости стержня 7 от 0,5° до 6° путем изменения положения шарнира, не уравновешенного грузом 9.

0 Таким образом, предлагаемая установка является достаточно гибкорй конструкцией, позволяющей расширить номенклатуру измерений, повысить при этом их точность при минимальных затратах труда и времени.

5 Лабораторный образец описанной установки изготовлен и испытан в процессв про- ведения исследований по определению физико-химических свойств сталей и металлургических шлаков.

0 Возможность установки основания устройства в горизонтальном положении и настройки оптических приборов в подготовительном периоде без перенастройки их в процессе проведения серии экспери5 ментов, а также практически автоматическая самоустановка по вертикали стержня приспособления, обеспечивающая горизонтальность подложки и требующее минимальных затрат регулирование

0 положения подложки по вертикали всего лишь одним винтом, позволили максимально снизить трудоемкость проведения измерений при значительном повышении их точности, которая еще более повысилась за

5 счет учета при расчете дополнительно полученных съемкой капли в вертикальной плоскости данных о симметричности капли. Формула изобретения 1. Установка для определения плотно0 сти, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания расплавленного материала, содержащая вакуумную печь, включающую неподвижную часть и подвижную часть с нагревателем,-подложку, приспособление

5 для крепления и юстировки подложки, установленное внутри печи с выводом из ее неподвижной части через си льфон, оптические системы, опорные элементы и уровнемер, отличающаяся тем, что, с

целью повышения точности и снижения трудоемкости измерений, нагреватель выполнен бифилярным с переменным сечением и смотровыми отверстиями, приспособление для крепления и юстировки подложки выполнено в виде уравновешенного грузом стержня, расположенного вертикально, заканчивающегося с одной стороны закрепленной с помощью подвижного соединения опорой, а с другой - расположенной перпендикулярно его оси плоскостью для под- ложки, а опорные элементы установки выполнены в виде не связанных между собой направляющей колонны с установленными на ней с возможностью вертикального перемещения поворотными консольными направляющими, на которых размещены с возможностью горизонтального перемещения оптические системы и траверсы, и снабженного опорными регулировочными болтами основания, на которое установлена неподвижная часть печи, причем в центре его выполнено гнездо с отверстием для опоры стержня приспособления для крепления подложки, а уровнемер размещен в основании по периметру его боковой поверхности, на которой нанесены кольцевые горизонтальные риски.

2.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что опора приспособления для крепления и юстировки подложки выполнена в виде полушара, снабженного в центре нижней сферической части штырем с винтовой головкой и цилиндрическим выступом в центре верхней плоской поверхности, причем в нижней части стержня приспособления выполнен ответный кольцевой бурт, связанный с выступом опоры резьбовым соединением.

3,Установка по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью обеспечения возможности контроля симметричности капли, одно из смотровых отверстий выполнено в центре нагревателя по его вертикальной оси, нижняя часть стенок нагревателя сужена и на их диаметрально расположенных сторонах в плоскости, перпендикулярной плоскости бифиляров с центром на уровне их окончания, выполнены два других отверстия, причем одна из оптических систем размещена на консольной направляющей соосно с двумя нижними смотровыми отверстиями и в нагревателе, а другая - соосно со смотровым отверстием нагревателя по его вертикальной оси.

Использование: изобретение относится к области металлургии, а именно к установкам для исследования физико-химических свойств жидких металлов и шлаков. Сущность: в установке для определения плотности, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания методом лежащей капли расплавленного материала приспособление для крепления подложки выполнено в виде уравновешенного грузом стержня механически соединенного с опорой, помещенной в гнезде основания печи. Опора шарнирно взаимосвязана со стержнем Нагреватель выполнен бифилярным с переменной толщиной по сечению с тремя взаимно перпендикулярными отверстиями, два в верхней части нагревателя с центром на уровне окончания бифиляра и одно по геометрической оси нагревателя в центре его основания. С целью возможности контроля симметричности капли оптическая система выполнена в виде двух систем, одна из которых расположена соосно относительно вертикального отверстия в нагревателе, а другая относительно горизонтальных отверстий. 2 з.п.ф- лы, 3 ил. сл

16

16

®иг1

Фиг 2

В

бифиляр

0,5,8- отверстия Фиг.З