Методы определения плотности расплавов

В методе используется соотношение для массы тела, по­груженного в жидкость. Под действием выталкивающей силы масса тела уменьшается на величину массы вытес­ненной жидкости ∆М:

 

∆М = Vd, (3.28)

 

где d — плотность жидкости; V — объем тела погруже­ния.

Для регистрации изменения массы используют весы. В расплав погружают шарик из вольфрама, молибдена •или платины, закрепленный на тонком штоке. Исполь­зование металлических тяжелых тел погружения обус­ловлено требованием заниженного центра тяжести под­весной системы для преодоления сил поверхностного натяжения расплава, но возможно лишь в случае, когда они не растворяются в исследуемых расплавах. В агрес­сивных средах, например в расплавах железа, вольфра­мовые или молибденовые тела погружения покрывают тонким защитным слоем из А1₂0з или Zr0₂.

Измерение плотности методом ги­дростатического взве­шивания. К одной из чашек аналитических весов 1 прикреплен шток с телом погруже­ния 2, находящегося в тигле с расплавом 3 в печи 4. Наибольшей составляющей ошибки опыта является ошиб­ка от влияния силы поверхностного натя­жения на силу вытал­кивания тела погруже­ния. Для устранения ее влияния применяют тела погружения различного объема, закрепленные на штоке постоянного диаметра. Если Vi и V₂ - объемы тел погружения. Силы F и F₂, действующие на тела погружения, связаны с их объемом V₁ и V₂ соотно­шениями:

 

F₁ = V₁d — 2πrσ cos φ; (3.29)

F₂ = V₂d — 2πrσ cos φ,

 

где σ - поверхностное натяжение расплава; φ - угол между поверхностью расплава и штоком радиусом г.

Решение уравнения (3.27) относительно d имеет сле­дующий вид:

 

d = (F_l – F₂)/{V_l – V₂) (3.30)

 

Влияние поверхностного натяжения на плотность расплава составляет 5—10 % от плотности и определяет­ся выражением:

 

∆d = (πDσ)/(Vg), (3.31)

где D = 2r; g - ускорение свободного падения.

Этим методом плотность определяют по уравнению:

 

d = [Р₁ - Р₂ + (σπD/g)] V, (3.32)

 

где Р₁ и Р₂ - масса тела погружения на воздухе и в рас­плаве.

Достоинство метода заключается в простоте поста­новки эксперимента. Однако существуют и эксперимен­тальные трудности: децентровка тел погружения вслед­ствие действия сил поверхностного натяжения в момент касания тела поверхности расплава, предварительное определение поверхностного натяжения и коэффициента расширения материала тела погружения. Точность мето­да 0,1-1 %.

Дилатометрический метод. Вэтом методе экспериментально определяют высоту подъема расплава в капилляре или удлиненном тигле. Плотность находят из выражения:

 

d = 4P/π D²h (3.33)

 

где D — диаметр капилляра (тигля); h - высота распла­ва; Р - масса расплава.

На рис. 3.6, а показана установка ИМет АН СССР для определения плотности жидких металлов методом дила­тометра.

Тигель 1 с расплавом находится в изотермичес­кой зоне нагревателя 2 печи сопротивления. Через ваку­умное уплотнение 4 подается шток 3, соединенный с микрометром 5, головка которого соединена через по­нижающий редуктор 6 с электродвигателем 7. При включении электродвигателя шток медленно опускается. В момент касания штока поверхности расплава замыка­ется цепь, загорается лампочка 9 и срабатывает размы­кающее цепь электродвигателя реле 8. Зафиксированное положение штока определяется по шкале микрометра и определяется h с учетом термического расширения тиг­ля и установки тигля в холостом опыте.

а	б
Рис. 3.6. Установка для определения плотности металлических расплавов дилатометрическим методом: а – высокотемпературных; б- низкотемпературных

 

Для измерений плотности низкотемпературных (≤1000 °С) металлических расплавов, не взаимодейст­вующих с кварцем, применяется более простой метод - прямое измерение высоты столба расплава, помещенно­го в кварцевую ампулу, как и показано на рис. 3.6, б. Отпаянная под вакуумом ампула 1, помещенная в печь 2, просвечивается осветителем 3. Высота подъема расплава в ампуле фиксируется катетометром 4 с точностью 0,001 мм. Точность определения плотности этим методом не превышает 1 %.

Пикнометрический метод.Пикнометрия — определение массы известногообъема жидкости. Для измерения плотности низкотемпературных расплавов (например, жидкого германия) применяют кварцевые, прозрачные пикнометры (рис.3.7, а), которые состоят из приемника для исследуемого образца и калиброванного капилляра. Плотность и тем­пературная зависимость плотности, а также изменение плотности при плавлении определяют, фиксируя высоту подъема уровня жидкой соли. Плотность высокотемпе­ратурных расплавов (например, жидкого железа) изме­ряют пикнометром, изготовленного из А1₂0₃ (3.7, б)_. Жидкий металл заполняет емкость пикнометра через калиброванное узкое отверстие. Перед погружением в расплав пикнометр прогревается над расплавом и в печном пространстве создается вакуум. Внутренний объем пикнометра калибруют при комнатной темпера­туре по ртути. Для заданных температур учитывают из­менение внутреннего объема пикнометра. Недостаток метода заключается в следующем: плотность за время одного опыта можно определить только при одной тем­пературе и для одного состава расплава. Сложный в

а	б	в
Рис. 3.7. Разновидности пикнометров для определения плотности расплавов: 7 — кварцевая ампула; 2 — расплав NaCl; 3 —германий; 4 — корпус пикномет­ра; 5 — внутренняя полость пикнометра; 6 — огнеупорная пробка; 7 — калиб­рованный капилляр

 

изготовлении пикнометр служит только для одного опыта. Несколько проще конструкция пикнометра, показан­ная на рис. 3.7, в. Металл с избытком загружают в ти­гель 4 и расплавляют в нем. Образовавшийся мениск из­бытка расплава над тиглем снимают, придавливая верх­нюю часть тигля огнеупорной плоской пластинкой 5. Зафиксированный объем расплава кристаллизуется. За­тем его взвешивают. Ошибка измерений составляет 0,1— 0,01%.

Метод максимального давления газового пузыря. Вэтом методе использовано соотношение между давле­нием р_н в пузыре газа на глубине Н в металлической ванне и плотностью расплава d:

 

рн = dgH + 2σ/r, (3.34)

 

где г - радиус пузыря; σ - поверхностное натяжение.

В исследуемый расплав в тигле (рис. 3.8, установка МИСиС) погружают термопару 5 и капилляр 6, заточенный «на нож». По капилля­ру подают очищенный инер­тный газ. Когда давление внутри пузыря превысит давление металла, происхо­дит отрыв пузыря от капил­ляра. Давление в пузыре в момент его отрыва опреде­ляют манометром, заполнен­ным жидкостью с известной плотностью, в линии подачи инертного газа. Для опреде­ления плотности расплава определяют давление отры­ва пузыря от капилляра на разной глубине погружения капилляра. Если ∆Н - раз­ность величин максимально­го давления газа в пузыре в сантиметрах манометриче­ской жидкости на разных го­ризонтах, а ∆Н₁ - разность уровней, где производили измерения максимального давления газа в пузыре, то:

 

∆Нd = ∆Н₁d₁, (3.35)

 

где d - плотность маномет­рической жидкости; d1 — плотность исследуемого рас­плава. Трудность метода состо­ит в необходимости поддер­жания постоянства размеров капилляра для воспроизво­димости результатов, что за­труднительно при высоких температурах. Определив плотность расплавов, этим же методом определяют поверхностное натяжение распла* вов по уравнению (11.10). Ошибка в измерении плотности составляет 1,0—0,5 %.   Рис. 3.8. Установка для определения плотности и поверхностного натяжения методом максимального давления газового пузыря: 1 - линия подачи инертного газа; 2 - печь сопротивления; 3 - ти­гель с исследуемым расплавом; 4 - поддерживающий шток; 5 - термопара; 6 - капилляр

Метод проникающего излучения. Методика основана на предположении о том, что вероятность захвата кванта жесткого излучения атомами поглощающей среды про­порциональна плотности среды и толщине поглощающегося слоя. Ослаб­ление интенсивности вещества без учета рассеяния выражается

формулой:

 

I=I₀· e^-µdx (3.36)

где I - интенсивность излучения при отсутствии поглощающего слоя; d - плотность среды; x - толщина поглощающего слоя; µ- массовый коэффициент поглощения.

Абсолютные измерения плотности возможны лишь при определении массового коэффициента поглощения, который в свою очередь являет­ся функцией температуры, состава, давления.

 

Рис. 3.9. Блок-схема установки метода проникающего из­лучения

 

Нахождение µ представляет собой не менее сложную задачу, чем определение плотности. Кроме того метод не учитывает рассеянного излучения, т.е. излучения, которое не попадает в ре­гистрационный приемник и фиксируется как поглощенное излучение. При измерении интенсивности в автоматическом режиме возникают погрешности, обусловленные статистическим характером распада ра­диоактивного изотопа и просчетами счетного устройства, а также аппаратурной погрешностью. На рис. 3.9 показана блок-схема установки.

Тигель с расплавом 1 находится в печи с графитовым нагрева­телем, таким же, как в вискозиметре и установке вращающегося маг­нитного поля. В кожухе 2 и экранах печи имеются отверстия, закры­тые слюдой для прохождения γ -лучей. Источником γ -излучения 3 служит радиоактивный изотоп С5. Пучок коллимируется свинцовой диафрагмой. Для регистрации значений интенсивности излучения применяют счетчик 4 и фотоумножитель 5. Усиленный фотоумножителем сигнал подают на пересчетное устройство 6. Интен­сивность измеряется счетно-импульсным методом, положение источни­ка и приемника излучения строго фиксировано. Пучок γ -лучей про­ходит на расстоянии 1/3 высоты тигля от его дна. Усиленный сигнал преобразуется в пересчетном устройстве в координату Y каретки самописца или графопостроителя 8.

Температуру печи контролируют вольфрам-ренниевой термопарой с помощью переносного потенциометра и градуировочной таблицы. Температура преобразуется в координату X каретки самописца.

Скорости охлаждения расплава в печи и температуру печи мож­но фиксировать с помощью терморегулятора.

В автоматическом режиме прибор получает график зависимости интенсивности проходящего излучения от температуры (политерма ин­тенсивности).

На практике исследователь, как правило, отказывается от определения массового коэффициента µ. Из рис. 5.1 видно, что плотность выражается через натуральный логарифм интенсивности I, причем значение интенсивности достаточно велико (источник мощный). Извес­тно, что при больших значениях аргумента логарифмическая зависи­мость с малой погрешностью может быть заменена линейной. Поэтому для измерения абсолютного значения плотности достаточно иметь два эталонных значения плотности и соответствующих значений интенсив­ности при разных температурах и разность между значениями плотнос­ти разделить на разность между значениями интенсивности.

Таким образом, мы получим цену деления (масштаб) изменения плотности в зависимости от интенсивности. Поиск известных значе­ний плотности называется нахождением реперов. Поэтому такой метод носит название реперного метода.

Первое эталонное значение плотности d₂₀ определяется гидрос­татическим взвешиванием исследуемого образца металла при комнат­ной температуре. Для этого образец взвешивается на воздухе, а за­тем в жидкости с известной плотностью. Плотность образца подсчи­тывается по формуле:

 

d₂₀=dж ·Pв/(Pв –Pж) (3.37)

 

где dж - плотность жидкости; Рв и Рж - вес образца на воздухе и в жидкости.

Рабочей жидкостью является либо дистиллированная вода, ли­бо тетрабромметан.

Второе эталонное значение плотности в жидком состоянии оп­ределяется методом большой капли (методика специально описана в одной из лабораторных работ).

В настоящее время второе эталонное значение можно найти для данного металла в литературе.