Способ определения режима массопереноса в жидкометаллическом расплаве Советский патент 1978 года по МПК G01N27/48 

жидкометаллическото расплава, характеризующего требуемый режим массоиереноса. Для этого в предлагаемом способе на капли жидкого металлического расплава одинакового состава, но различием величины в потенциосгатичео ких условиях, подают заданный потенциал, пе превышающий потенциал избирательной исжизаини электроактивного компонента и фиксируют время от начала электролиза до наступления установившегося режима затухания тока. На 4ЖГ. 1 н 2 изображены графики (а, б, в) способа определения режима массопере1юса в капле жидкого металлического расплава измерением диффузионного тока. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. К потенциостату поочередно подаслючают жидк металлические капли одинакового состава (с одной и юй же ковдентравдей электроактивиой примеси - диффузалта), 1ю различной веяичм1пы, аноД ю растворяют их при величине потешщала, не п|ж вышающед потенциал избирательной ионизации электроактивного компонента, фикшруют время от начала электролиза до наступления установившегося режима затухания тока, после чего для количественного определения размера капли, характеризующего требуемый режим массопереноса, выявляют зависимость. От размера и по тищ1чным участкам полученной зависимости судят о наличии атомарного, переходного или конвектавного механизмов массопереноса, а по границам типичных участков количесг-венно определяют искомьш характерный размер. Использование анодного режима поляризации капли жидкого металла позволяет устранить побочные явления, неизбеж1ше при реализации катод иэго процесса в высокотемпературной системе электролит - жидкий электрод (например такие, как перезаряд электроактивных ионов на межфа ной границе, ее пассивация окисными пленками, шламообразовшше). Применение потенциостатического режима при звано обеспечить полное соответствие между задаваемой токовой нагрузкой.и скоростью протекающих в электролитической системе процессов в течение всего времени измерения. Указан№1е в.елишшы заданного потенциала позволят обеспечить избирательную ионизацию тол ко электроактивного компонента, а, следовательvio, в чистом виде изучать процесс его диффузии. При наруше:1ии указанного режима будет м то coв 4ecтш IЙ перенос диффузанта и конкурирующего металла, т.е. становится невозможной однозначная интерпретация результатов измерений. Фиксация времени tj от начала потенцио.стаги ческого электролиза до наступления установившег ся режима затухания тока нужна для прямого ко личественного определения размера жидкометаллической капли, характеризующего требуемый режим мзссопсреиоса. Время tj необходимое для выхода зависимоси тока от BpeMeiffl на установившийся рижим, свяано со временем перемещения диффундирующих астиц на определенное расстояние. Роль такого растояния ир1 адсго молекулярной диффузии играет азмер жндкометаллической капли, а в случае премущественно ко1юектнвной диффузии - толщина иффузионного слоя . Используя выражение для зависикюсти преельного диффузионного тока от времени . zx-p-A-B-a f в /1) «Ц) V где Z - заряд; F - шсло Фарадея; А - рабочая поверхность анодно растворяемой капли; О - коэффициент диффузии электроактивного компонента; Со - началы1ая концентрация злектроаквшного компонента в капле; L - высота капли, легко показать, что при достаточно больцюм t первый член суммы с п О становится преобладающим, а функция D (О, t) становится экспонен той 4. По экспериментальной зависимости 3 (О, t) можно графичесю найго время t, которое проходат от начала опьгга до момента выхода кривой I (О, t) на экспонешиальную зависимость. С другой стороны время t можно определить аналитически из условия незначительного влияния (скажем на 10%) второго члена суммы (I) на величину D (0,t) Из выражения (2) легко получить 1 Видао, что время t и высота L капли жидкого металла связаны зависимостью типа , которая с точностью до коэффициента совпадает с известт.1м соотношением Эйнштейна, определяющим средний квадрат расстояния Х, на которое, смещается диффундирующая частица за время t (4) Использование формулы (3) предполагает знание коэффициента диффузии D электроакшвной примеси в капле исследуемого металла. Поэтому в предлагаемом изобретении предложен именно графический метод нахождения характерного размера, не требующий знания величины О. П р и м е р. В качестве примера приведены результаты определения режима массопереноса лантана в жидком алюминии потенциостатическим анодным растворением лантан-алюминиевых сплаBOB. Измерения проводят при в алектролкте KCf-МаСЕ Катодом служит чистый алюм1«1шй, электродом сравнения - хлорный полуэлеменг. Величину задаваемого потенциала {-2,22В) определяют в независимой серии опытов, которая соответствует избирательному растворению лантана. Ионизация алюмщшя при этом не превышает 0,001% от его .исходной массы. Измерения в процессе анодной ионизации проводят . с помощью импульсного потенциостата ИП-70.ю

Для реализации предлагаемого способа выпо шпот следующую последовательность операций.

К потенцкостату поочередно подключают жИдкометаллические анодь одинакового состава (ftl i f 0,8 мас.% La) с эффективными радиусами гэф Vs (1,5+5,2)мм.

Проводят избирательное растворение лшиана из сплавов при заданном потенциале - 2,22В относителью хлориого полуэлемента.

С ксируют затухание во времеш тока изби- 20 рательной иодазации лантана из алюминия (к жвыеО-t, график а).

Находят время tj от начала электролиза до выхода токовой кривой на экспоненияальный участок..25

Определяют зависимость tj от размера капда (график б).

По типичным участкам полученной зависимости выявляют диапазоны размеров капель, соответствующих атомарному, переходному или конвек- зр тивнрму. механизмам массопереноса. Восходящая ветвь кривой (на графике б участок 1), обусловлена разрастанием фронта дяффузии до радиуса кап.ш; нисходящая ветвь (участок II) связана с соизмеримым влиянием коивекцни; на участкеIH 35 диффузия происходит через установившийся за счет конвекции диффузионньщ слой толщиной 6. При Гэф 3,15 мм лантан диффундицирует в по молекулярному механизму при 4,10 Гэф 3,15 мм имеет место смешанный 40 режим диффузии, а при Гдф 4,10 мм - Чисто конвективный.

Применяемая выше при обработке эксшрйменгапьных данных в качестве характер1гого размеpa велИшна эффективного радиуса капли найдена 45 по выражению.

a/OJB-ttt

(5)

Эфгде т, 7 - масса и :Плотность жидкого метал- 50 ла соответственно.

Естественно, что в общем случае можно прль-. зоваться не только эффективным радиусом, но, например, эффективной высотой капель

3,. W«

связьмежду Сэф и очевидна и:) выражения

н а

(7)

.A Зф

Экспер{менга.(1ьная зависимость Lэф-t приведена на фиг. 2в. Здесь же нанесены пунктиром результаты расчета по формуле (3). Видно, что для дрстатЬчж) малых ражиеров капли, когда конвективная днффу жя не может иметь места, наблюдается хорошее согласие теоретической кртвой с экспериметальнымн точками. При некотором (критическом) размере 1икр наблюдается резкое отклонение экспе1Я1ме1 тальной зависимости t(L) от теоретической,: у штывйЮ11 сн только юлeкyляpнyю диффузию. Это отклонение обусловлено возникновением конвективного механизма диффузии. Существенно, что на кривой t(L) наблюдается характерный максимум, очень удобный для определения критического размера tKp при котором начинается смена режимов диффужи (с атомарного на ко1шективный). Позтому графическое окончание предлагаемого способа наиболее целесообразно.

Таким образом, поочередным потенциостатйческим растворением капель жидкого металлического расплава одинакового состава с различным размером при величине заданного потенциала, соответствующей избирательной MOHH3aimH электроактнвного компонента и фнксашгей времени от начала потенциостатическогс электролиза до наступлещ я установившегося режима затухания тока можно определить размер жндкометаллической капли, характеризующий требуемый режим массопереноса.

Формула изобретения

Способ определения режима массопереноса в жидкометаллическом расплаве путем измерения даффудаонного тока злектроактавного компонента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса определ шя, на капли жидкого металлического расплава. одинакового состава, но различной величины, в потешщостатических условиях подают заданный потенциал, не превышающ1Й потенциал избирательной ионизации электроактивного компонента, и фиксируют время от начала, электролиза до наступлешя установившегося режима затухания тока.

Источники информации, принятые во внимание щм экспертизе:

1.Известия ВУЗов Черная металлуршй N II i961, с. 38.

2.Дамаскин Б. Б., Петрий Д. А. Ввецеине в электрохимическуюкинетику, М., 1975. с. 200208. S