Способ определения поверхностных свойств расплавов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения в лабораторных условиях комплекса физико-химических свойств расплавов, включающего определение плотности, поверхностного натяжения металлических и оксидных расплавов, их температурной и концентрационной зависимости, углов смачивания расплавами твердой поверхности и межфазной энергии на границе раздела двух расплавов различной физико-химической природы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения межфазной энергии на границе раздела двух жидкостей, принятый за прототип способа, заключающийся в том, что раздельно формируют капли двух исследуемых жидкостей с экваториальными диаметрами и сближая их, приводят в контакт. По достижении равновесия между жидкостями фиксируют фотографированием контактный угол (ft ) между ними, после чего капли отделяют одну от другой, определяют поверхностную энергию на границе с газом каждой жидкости, насыщенной до равновесной концентрации другой жидкостью ( at и ог ) и на основании полученных данных расчитывают межфазную энергию на границе и раздела.

Этот способ позволяет получить все параметры, необходимые для вычисления межфазной энергии (значение угла /3 . 71 и 02 ), в условиях одного эксперимента.

Однако, и в процессе реализации этого способа невозможно добиться получения точных, достоверных и стабильных резульvi

татов измерений, несмотря на большие затраты времени на подготовку и проведение эксперимента и тем более, серии экспериментов, что объясняется сложностью операции сближения и разведения двух жидких капель в условиях высокой температуры и глубокого вакуума,- поскольку способом не предусмотрено управление процессом формирования площади контакта капель, Стихийное формирование площади контакта капель исключает воспроизводимость результатов измерений с достаточной точностью и часто вынуждает к прерыванию эксперимента вследствие невозможности разделения капель из-за возникающего эффекта прилипания одной жидкой фазы к другой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для исследования поверхностных свойств расплавов, принятое за прототип устройства.

Устройство содержит вакуумную печь вертикального типа с рабочей камерой, образованной иодоохлаждаемым корпусом, нагреватель, теплоизолирующие экраны, смотровые окна, оптическую систему и установленные с двух сторон рабочей камеры с возможностью перемещения две дополнительные камеры, одна из которых предназначена для размещения подложек, другая - для размещения капельниц.

В камере для размещения капельниц, установленной над рабочей камерой на во- доохлаждаемой перегородке, установлен вращающийся столик с ячейками для капельниц, через центральное отверстие в во- доохлаждаемой перегородке проходит шток для перемещения капельниц. Камера для размещения подложек установленная под рабочей камерой, снабжена кассетой с подложками, предметным столиком, механизмом перемещения и юстировки горизонтального положения предметного столика с тремя штоками, проходящими через отверстие в кассете и штоком для подачи подложек на предметный столик.

Однако и в этом устройстве невозможно получить точные, достоверные и воспроизводимые результаты измерений, поскольку во-первых, большое количество различных механизмов поворота и выходящих за пределы вакуумной печи штоков предусматривает наличие большого числа уплотнительных элементов на вращающихся механизмах, что делает практически недостижимым создание необходимого для точных измерений вакуума 1 1 . Во-вторых, для снятия подложки с измеренной каплей и установки подложки для следующего измерения, необходимо каждый раз опускать предметный столик в камеру для хранения подложек и после поднятия производить его выверку по вертикали и горизонтали, что не

позволяет стабилизировать условия проведения всей серии эксперимента.

Не способствует точности измерений и способ нанесения исследуемого вещества на подложку в виде падающей капли, так как

капля подвижна и ее положение на подложке не предсказуемо.

Кроме того, размещение смотрового окна для съемки капли в вертикальной проекции в боковой стенке рабочей камеры и

съемка через систему призм затрудняет получение четко го контура капли, поскольку через геометрический центр устройств, где размещена капля, проходит шток с капельницей и призма смещена от оси капли.

К недостаткам устройства относится также невозможность проведения с его использованием комплексного исследования поверхностных свойств расплавов, в частности невозможно исследовать взаимодействие исследуемых веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерений, повышение достоверности и стабильности их результатов, достижение возможности комплексного определения поверхностных свойств расплавов и исследование их взаимодействия в процессе одного эксперимента.

Способ осуществляют следующим образом.

Каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель, в твердом состоянии, сближают их на расстояние необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения

их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного

введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывода из зоны нагрева геометрические параметры каждой капли фиксируют в твердом состоянии для контроля расстояния между каждой парой исследуемых веществ при их сближении и в жидком состоянии - для последующего определения поверхностных свойств каждого вещества.

Сближение на заданное расстояние пары исследуемых веществ, предварительно сформированных в форме капель, близких к телам вращения, в твердом состоянии и их расплавление в геометрическом центре устррйства, соответствующем центральной части зоны нагрева печи, создает условия для постепенного формирования жидких капель, которое происходит поочередно в зависимости от температуры плавления исследуемых веществ.

Процесс образования заданной, не стихийной поверхности контакта капель двух веществ, обусловленный увеличением их объема при расплавлении, происходит плавно при стабильном положении капель на подложке. При этом нет необходимости перемещать жидкие капли, нарушая стабильность их положения, поскольку их формирование выполняют непосредственно на месте их фотосъемки.

Заданное расстояние между твердыми каплями исключает формирование непредсказуемой площади контакта, позволяет управлять процессом ее образования, что в совокупности с признаками,стабилизирую- щими процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, обуславливает получение более точных и стабильных, воспроизводимых с высокой степенью точности, результатов, повышая их достовер- ность.

Определение геометрических параметров капли в твердом состоянии позволяет получить исходные данные (расстояние между центрами твердых фаз) для расчета заданного расстояния при сближении пары исследуемых веществ, необходимого для обеспечения заданной площади контакта, при их расплавлении с учетом степени увеличения их объемов (для расплавов 5- 6%). Эти данные учитывают при тарировке устройства.

Экспериментально установлено, что для системы, металл-шлак оптимальная площадь контакта капель составляет 0,5-0,7

приближа га- капель друг от друга практически невозможно.

Комплексное исследование поверхностных свойств индивидуально каждого ее- щества в жидкой фазе и свойств при их взаимодействии , проведение при одной температуре, стабильном вакууме, в одном и том же положении и без перенастройки оптических приборов позволяет сопостав- лять (без учета погрешностей разных опытов) полученные результаты и повышает их достоверность и стабильность.

На фиг.1 изображен общий вид устройства (продольный разрез по вертикальной оси). На фиг.2 изображен вид устройства сверху (поперечный разрез по геометрическому центру). На фиг.З показано размещение подложек на предметном столике.

мм2. При площади контакта, щейся в 1,0 мм , отделение ка

Устройство для определения поверхностных свойств, в том числе межфазной энергии на границе раздела двух расплавов, содержит вертикальную вакуумную печь 1, установленную на опорной раме 2. Рабочую камеру вакуумной печи 1 образуют водоох- лаждаемый корпус 3 с крышкой 4. Внутри рабочей камеры печи 1 размещен электрический нагреватель 5, питающийся от сети с помощью токоподводов б. и теплоизолирующие экраны 7. В противоположных стенках корпуса 3 по горизонтальной оси устройства на уровне его геометрического центра выполнены два выносных смотровых окна 8, соответственно которым в нагревателе 5 выполнены отверстия 9.

В центре крышки 4 выполнено одно смотровое окно 10. Соосно смотровым окнам 8 и 10 на направляющих каретках с фиксаторами, обеспечивающими ограниченное продольное смещение, установлены две фотокамеры (на чертеже условно не показаны),

С противоположных сторон в горизонтальной плоскости к корпусу 3 перпендикулярно смотровым окнам 8 приварены симметричные камеры 11 коробчатого типа с выкуумноплотно закрывающейся крышкой 12 для размещения, хранения и подачи подложки 13, которая размещена на механизме ее подачи 14, установленной внутри камеры 11 на направляющей 15, установленной на основании камеры 11.

Механизм подачи 14 выполнен из тугоплавкого материала, например, молибдена, в виде плоского кольца с наружнымбуртом, соединенного из двух секций - большей 16 и меньшей 17.

Механим подачи 14 снабжен ограничительным ребром 18 и втулкой 19, соединенной с осью вращения 20, оканчивающейся винтовой регулировочной головкой 21.

Ось вращения 20 выведена за пределы камеры 11 через вильсоновское уплотнение 22.

На основании камеры 11 установлен ограничитель 23 вращения механизма подачи 14, взаимодействующий с ограничительным ребром 18.

Внутри нагревателя 5 по его вертикальной оси установлено приспособление 24 для перемещения и юстировки подложки 13, состоящее из штока 25, на одной конце которого закреплен в горизонтальном положении предметный столик 26, а другой конец, оканчивающий регулировочным винтом 27 через отверстия в токоподводах б, опорной плите рамы 2 и вильсоновское уплотнение 28 выведен из рабочей камеры вакуумной печи 1.

Рабочая поверхность предметного столика 26 выполнена на уровне нижних поверхностей механизмов подачи 14 подложек 13, со сторон их размещения выполнены направляющие выступы 29 в виде сегментов. Подложки 13 выполнены из графита и на ее поверхности на равном расстоянии друг от друга выполнены ячейки 30, отстоящие от внутреннего края подложки 13 на равное расстояние I. предназначенные для размещения исследуемых веществ 31, помещенных в тигли 32 (на чертеже показано положение холодных капель, сближенных на расстояние а.). Форма и размеры подложки 13 соответствуют форме и размерам плоской кольцевой части механизма подачи 14.

Наружные концы механизма подачи 14 и подложки 13 отстоят друг от друга в геометрическом центре устройства на заданное минимальное расстояние S, исключающее их касание (практически 1-2 мм).

Предметный способ комплексного исследования поверхностных свойств расплавов в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.

В процессе тарировки устройства, предшествующей его использованию, производят градуировку, винтовых регулировочных головок 21 в зависимости от размещения ячеек 30, выполненных на поверхности подложек 13 и калибруют подложки на заданное расстояние а в зависимости от расстояния I ячейки 30 от наружного края подложки 13 по группам изделий, объединенных одним интервалом коэффициентов теплового расширения, юстировку подложки 13 с помощью винта 27 и градуировку фотосистем в крайних левом и правом положениях и по геометрическому центру устройства.

В процессе подготовки к выполнению серии экспериментов подготавливают серию навесок исследуемых веществ согласно расчитанному по известной методике количеству, необходимому для формирования капель с экваториальным диаметром, помещают их в тугоплавкие тигли 32 из материала, инертного по отношению к исследуемым веществам, например, из молибдена или тантала для шлака и из оксидов алюминия, бериллия или циркония для металла при исследовании свойств и взаимодействия расплавов шлаков и черных металлов и размещают их в ячейки 30 подложек 13, которые устанавливают на механизмы 14 подачи подложек 13, располагая таким образом, чтобы вещества, межфазную энергию или другие виды взаимного влияния

которых планируют определить в ходе исследований, были помещены в разные камеры 11 симметрично друг друг относительно ограничительных ребер 13. При этом выбирают подложки 13, откалиброванные на заданное расстояние сближения исследуемых пар веществ - а.

Количество навесок каждого исследуемого вещества берут не менее трех для получения результатов как минимум трех независимых опытов в одинаковых условиях эксперимента, контроля их воспроизводимости, а, следовательно, точности и достоверности.

Камеры 11 вакуумплотно закрывают крышками 12, вакуумируют всю систему устройства и нагревают рабочую зону камеры 1 до заданной температуры эксперимента. Затем, поочередно, вводя каждую навеску в геометрический центр устройства посредством вращения соответствующими отградуированными винтовыми регулировочными головками 21, производят предварительное формирование каждой капли

и выдержку в изотермической зоне, определяют ее геометрические параметры, фиксируя фотосъемкой в двух проекциях, выводят и из зоны нагрева, охлаждают и снова определяют параметры. Полученные данные используют для расчета поверхностных свойств вещества по параметрам жидких фаз и контроля заданного расстояния а по расстоянию между центрами исследуемых твердых фаз.

Проведя поочередно индивидуальные исследования веществ, расположенных справа и слева от оси устройства, вводят одновременно с двух сторон поочередно каждую пару сформированных в форме капли твердых исследуемых веществ 31 в центральную часть нагрева вакуумной печи, соответствующую ее геометрическому центру. При этом между ними образуется заданное расстояние а, обеспеченное

расстоянием S между торцами подложки 13 и выбранным согласно калибровки расстоянием I между краем ячейки 30 и торцом подложки 13.

В зоне нагрева происходит постепенное поочередное распределение веществ в порядке возрастания температуры их плавления, приведение их в контакт и плавное формирование равновесной границы раздела за счет увеличения их объема,

После изотермической выдержки фиксируют контактный у гол между двумя исследуемыми расплавами фотосъемками в горизонтальной и вертикальной проекциях, отделяют капли путем вывода их из зоны

нагрева вращением винта 21 и поочередно

фотографируют каждую жидкую каплю одного вещества, насыщенного до равновесной концентрации другого.

Полученные данные используют для расчета межфазной энергии на границе раздела расплавов каждой пары исследуемых веществ.

При этом выверку данных, полученных при тарировке устройства производят либо на первом опыте серии экспериментов - юстировку подложки 13 с помощью винта 27, либо при изменении позиции фотосъемки в фиксированное положение в ходе исследований при первом определении параметров веществ, расположенных в одной, затем другой камере 11 и при первом определении взаимодействия исследуемых веществ.

Все остальное время экспериментатор оперирует только двумя винтовыми головками 21, пиеремещая навески исследуемых веществ согласно плану своих исследований и используя градуировку тех же винтовых головок 21.

Формула изобретения

1. Способ определения поверхностных свойств расплавов, в том числе межфазной энергии на границе раздела двух расплавов путем изучения границы раздела трех сосуществующих фаз, включающий формирование капель с экваториальными диаметрами, сближение исследуемых веществ, приведение капель в контакт, фиксацию контактного угла между ними после образования равновесной границы раздела, отделение капель, определение поверхностной энергии каждой жидкости, насыщенной до равновесной концентрации другой, и определение межфазной энергии расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, повышения достоверности и стабильности их результатов, достижения возможности комплексного определения поверхностных свойств расплавов и исследования их взаимодействия в процессе одного эксперимента, каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель в твердом состоянии, сближают их на расстояние, необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, геометрические параметры каждой пары капель фиксируют в твердом состоянии для контроля расстояния между парой исследуемых веществ при их сближении и в жидком состоянии - для последующего определения поверхностных свойств каждого вещества.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней

навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывода их из зоны нагрева.

3.Устройство для определения поверхностных свойств расплавов, содержащее ус0 тановленную на опорной раме оснащенную смонтированными окнами вертикальную вакуумную печь с рабочей камерой, образованной водоохлаждаемым корпусом, нагреватель и теплоизолирующие экраны,

5 размещенные внутри рабочей камеры, камеру для размещения, хранения и подачи подложки, приспособление для перемещения и юстировки подложки, выполненное в виде штока с закрепленным на нем пред0 метным столиком, и оптическую систему для измерения параметров капель расплава в горизонтальной и вертикальной проекциях, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможно5 стей устройства, оно снабжено дополнительной камерой для размещения, хранения и подачи подложки, причем обе камеры выполнены симметричными одна другой, ваку- умноплотно соединены с водоохлаждаемым

0 корпусом на его противоположных сторонах в горизонтальной плоскости перпендикулярно смотровым окнам, выполненным в стенках нагревателя и корпуса, а каждая камера снабжена подложкой для исследуе5 мых веществ и механизмом ее подачи в рабочую камеру печи, размещенным с возможностью ограниченного перемещения по окружности на одном уровне с предметным столиком, на котором со сторон

0 размещения механизмов подачи подложек выполнены направляющие в виде сегментных выступов.

4.Устройство по п.З, отличающее- с я тем, что каждый механизм подачи под5 ложки выполнен из тугоплавкого материала в виде разъемного плоского кольца с буртом по его внутренней части, соединенного из двух секций, и снабжен ограничительным ребром и втулкой, соединенной с осью вра0 щения, оканчивающейся отградуированной винтовой регулировочной головкой, выведенной через вильсоновское уплотнение за пределы камеры, причем на основании камеры установлены ограничитель вращения

5 механизма и направляющие для его размещения.

5.Устройство по пп.З и 4, отличающее с я тем, что подложка для исследуемых веществ выполнена из графита соответствующей по форме и геометрическим

размерам плоской части механизма ее подачи, причем на ее поверхности на равном расстоянии одна от другой выполнены ячейки для размещения навесок исследуемых веществ.

6. Устройство по пп.3-5, отличающееся тем, что оптическая система снабжена

двумя фотокамерами, размещенными с возможностью фиксированного смещения со- осно со смотровыми окнами, причем смотровое окно для съемки капель в верти- кальной проекции выполнено в крышке корпуса вакуумной печи по ее геометрической оси,

Использование: определение комплекса физико-химических свойств расплавов как отдельных веществ, так и пограничных свойств при их взаимодействии. Сущность изобретения: каждую пару исследуемых веществ формируют в виде капель в твердом состоянии, сближают их на расстояние, необходимое для обеспечения контакта при их расплавлении с учетом степени увеличения их объема за счет постепенного формирования капель в зависимости от возрастания температуры плавления исследуемых веществ, Формирование капель в твердом состоянии производят путем поочередного введения в зону нагрева и выдержки в ней навесок серии исследуемых веществ с последующим их охлаждением путем вывоза их из зоны нагрева. Устройство содержит две камеры для размещения хранения и подачи в зону нагрева подложек. Подложки выполнены из графита, по форме и геометрическим размерам соответствуют плоской части механизмов их подачи в зону нагрева. На поверхности подложе. на равном расстоянии друг от друга выполнены ячейки для размещения навесок исследуемых вэществ. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 ил. С

У////////////////////, W

// /////////////////Л

Фиг/

и

О)

со

см г- г-51

Ј1

te.3