CC BY
18
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ БИНАРНЫХ ЖИДКИХ СПЛАВОВ НА
ОСНОВЕ КАДМИЯ
В.В. САГАДЕЕВ Казанский государственный технологический университет
Абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты жидких сплавов Сй - 1п, Сй - Бп, Сй - Ы при различных концентрациях металлов и температурах. Погрешность измерений оценена от ±5% до ±8%. Получена единая обобщенная зависимость для расчета полусферических интегральных потоков теплового излучения жидких бинарных сплавов металлов. Результаты исследований могут быть использованы для расчетов теплообмена излучением.
Для различных теплотехнических расчетов в металлургической практике необходимы сведения о тепловом излучении металлов и сплавов в жидком состоянии. Также эти сведения важны для определения температуры расплавов в радиационной бесконтактной пирометрии. Кроме того, тепловое излучение несет ценную информацию об электронном строении жидких металлов и сплавов. В литературе имеются многочисленные данные по радиационным характеристикам металлов и сплавов в твердой фазе [1]. Тепловое излучение жидких сплавов металлов практически не исследовано. Известно несколько опубликованных работ, где приводятся измерения степеней черноты для сплавов никель -алюминий, железо - алюминий, кремний с железом, кобальтом и никелем [2 - 4].
В настоящей работе представлено экспериментально определенное тепловое излучение сплавов Cd - 1п, Cd - 8п, Cd - К в жидкой фазе. Описание экспериментальной установки и методики измерения приведено в работе [5]. Исследуемые сплавы готовились из чистых металлов Cd, 1п, 8п, К с содержанием основного элемента не меньше 99,99 %. Точность навесок для получения различных концентраций сплавов достигалась взвешиванием чистых элементов на аналитических весах класса точности 0,2. Для обработки результатов измерения массовые доли пересчитывались в атомные. Погрешность измерений вп оценена от ± 5 до ± 8 % в зависимости от температуры опыта.
Результаты измерений теплового излучения вп - нормальной интегральной степени черноты - приведены в таблицах 1 - 3. Минимальные температуры эксперимента были ограничены линией ликвидуса на фазовой диаграмме температурного состояния сплавов.
Таблица 1
Степени черноты сплава Cd - 1п
Т, к £п Т, к £п Т, к £п Т, к £п
0,796 1п 468 0,0875 600 0,1122 778 0,1391
420 0,0765 480 0,0915 628 0,1168 805 0,1426
432 0,0808 503 0,0962 657 0,1218 835 0,1480
445 0,0844 530 0,1025 680 0,1255 858 0,1500
458 0,0880 558 0,1070 712 0,1302 0,196 1п
472 0,0913 587 0,1113 738 0,1350 530 0,0917
© В.В. Сагадеев
Проблемы энергетики, 2006, № 7-8
Т, к £п т, к £п т, к £п т, к £п
500 0,0975 619 0,1178 769 0,1392 542 0,0945
526 0,1025 648 0,1215 796 0,1445 554 0,0963
553 0,1085 675 0,1272 824 0,1476 566 0,0981
580 0,1125 703 0,1307 860 0,1541 585 0,1030
604 0,1166 730 0,1356 0,395 1п 610 0,1064
630 0,1222 760 0,1398 484 0,0880 635 0,1117
660 0,1258 786 0,1445 498 0,0915 663 0,1155
691 0,1319 811 0,1484 511 0,0935 682 0,1202
725 0,1365 834 0,1514 525 0,0972 712 0,1240
754 0,1417 856 0,1553 549 0,1005 735 0,1281
779 0,1448 0,495 1п 573 0,1058 763 0,1340
808 0,1501 461 0,0842 600 0,1106 790 0,1366
833 0,1540 472 0,0880 627 0,1138 819 0,1422
861 0,1575 487 0,0908 654 0,1195 848 0,1443
0,595 1п 498 0,0938 684 0,1233
441 0,0810 532 0,0991 718 0,1301
453 0,0848 574 0,1080 746 0,1337
Таблица 2
Степени черноты сплава Cd - 8п
т, к £п т, к £п т, к £п т, к £п
0,791 8п 630 0,1162 715 0,1275 785 0,1355
548 0,1045 665 0,1206 755 0,1341 816 0,1405
564 0,1062 700 0,1275 783 0,1370 847 0,1426
575 0,1093 745 0,1316 814 0,1421 880 0,1468
600 0,1124 761 0,1362 840 0,1440 0,191 8п
632 0,1183 790 0,1391 876 0,1491 500 0,0800
658 0,1216 821 0,1442 0,387 8п 511 0,0826
683 0,1265 853 0,1470 451 0,0760 524 0,0843
713 0,1300 892 0,1531 466 0,0780 535 0,0878
751 0,1362 0,586 8п 478 0,0815 556 0,0911
787 0,1399 470 0,0835 497 0,0838 574 0,0962
813 0,1445 485 0,0856 518 0,0886 602 0,1010
841 0,1471 496 0,0891 545 0,0930 653 0,1115
863 0,1510 515 0,0912 567 0,0988 679 0,1180
900 0,1542 537 0,0968 599 0,1030 708 0,1220
0,668 8п 568 0,1000 632 0,1116 731 0,1272
511 0,0945 590 0,1063 664 0,1163 760 0,1295
524 0,0974 616 0,1098 687 0,1220 786 0,1343
542 0,0990 642 0,1160 719 0,1262 811 0,1365
561 0,1032 666 0,1188 719 0,1262 834 0,1405
595 0,1080 686 0,1235 752 0,1324 870 0,1428
Степени черноты сплава Cd - Б1
Т, к £п т, к £п т, к £п т, к £п
0,680 Б1 528 0,142 600 0,152 725 0,179
473 0,141 558 0,154 620 0,161 762 0,189
492 0,155 572 0,159 648 0,169 788 0,198
505 0,163 595 0,167 671 0,173 812 0,207
532 0,176 611 0,171 703 0,189 0,120 Б1
549 0,186 630 0,178 730 0,198 540 0,096
575 0,196 660 0,188 752 0,205 572 0,108
600 0,205 679 0,192 780 0,215 600 0,112
625 0,215 700 0,204 803 0,223 632 0,116
652 0,224 734 0,217 0,260 Б1 655 0,128
680 0,230 762 0,228 490 0,102 688 0,137
701 0,237 785 0,235 512 0,115 700 0,145
730 0,243 0,340 Б1 542 0,123 715 0,151
752 0,251 456 0,097 570 0,131 742 0,158
0,450 Б1 486 0,105 600 0,140 762 0,161
419 0,096 506 0,118 631 0,149 798 0,168
450 0,108 528 0,125 660 0,156 812 0,173
477 0,119 549 0,136 680 0,166 840 0,177
511 0,132 572 0,142 700 0,171
При плавлении степени черноты висмута уменьшаются, кадмия, индия и олова - растут (рис. 1, 2, 3). Их изменения отражают происходящую при плавлении перестройку структуры. Степени черноты элементов, плавящихся по типу металл-металл, увеличиваются (Cd, 1п, 8п). Висмут в твердой фазе является полуметаллом, в жидкой - металлом. При его плавлении происходит существенная перестройка структуры. Разрушаются ковалентные связи, растет число свободных электронов, значительно меняется координационное число. После плавления перестройка структуры висмута не заканчивается, а продолжается в некотором температурном интервале [6].
Рис. 1. Степени черноты сплава Cd - 1п при содержании индия (доли атомные): 1 - 0,796; 2 - 0,595; 3 - 0,495; 4 - 0,395; 5 - 0,196
I I I I I I I I I г,к
400 500 600 700 800 900
Рис. 2. Степени черноты сплава Си - 8п при содержании олова(доли атомные): 1 - 0,791; 2 - 0,668; 3 - 0,586; 4 - 0,387; 5 - 0,191
ВКч1
Рис. 3. Степени черноты сплава Си - Б1 при содержании висмута (доли атомные):
1 - 0,680; 2 - 0,450; 3 - 0,340; 4 - 0,260; 5 - 0,120
Степени черноты бинарных сплавов располагаются в области, лежащей между степенями черноты чистых компонентов сплавов. Все исследованные сплавы имеют положительный температурный коэффициент нормальных интегральных степеней черноты.
Все исследованные сплавы относятся к простым эвтектическим сплавам [7]. Концентрационные зависимости нормальных интегральных степеней черноты сплавов показаны на рис. 4. Изотермы степеней черноты сплава Си - 8п практически аддитивны, сплавов Си - 1п и Си - Б1 имеют положительные отклонения от аддитивной прямой. Аналогичной зависимостью характеризуются изотермы удельного электросопротивления этих сплавов [8, 9].
0,20
0,16
0,12
0,24
Cd 0,2
0.4
0,6
0,8 Sn,In,Bi
7=700 К
Рис. 4. Степени черноты сплавов при Т = 700 К: 1 - Си - 8п; 2 - Си - 1п; 3 - Си - Б1; 4 - расчет по
Теоретические методы расчета теплового излучения жидких бинарных сплавов не разработаны. Электромагнитная теория, разработанная для расчета теплового излучения твердых полированных металлов (формула Ашкинаса-Фута
нормальным интегральным степеням черноты при умеренных температурах до 600-800 К [10]. Рассмотрена возможность применения этой теории для жидких сплавов. На рис. 4 воспроизведена одна из найденных изотерм для сплава Си - Б1 (электрическое сопротивление принято по работе [9]). Рассчитанные величины оказались заниженными на 25-60%, хотя характер их изменения в зависимости от состава соответствует поведению экспериментальных степеней черноты.
Опытные данные по тепловому излучению исследованных сплавов обобщены на основе энтропийной методики [11, 12]:
где З - энтропия сплава; Я - газовая постоянная. В правой части соотношения
теплового излучения, отнесенные к единице поверхности. Тепловое излучение твердых и жидких металлов формируется в приповерхностном слое и обычно относится к 1 м2 поверхности. При изменении температуры изменяется число частиц металла, участвующих в формировании потока теплового излучения. Отношение плотности металла к массе частицы p/m есть число частиц в единице объема. Величина (p/m)213 дает реальное число частиц, приходящихся на 1 м2 поверхности. Если плотность полусферического потока теплового излучения q разделить на (p/m)213, то комплекс q(m/p)2'3 будет отнесен к частице на поверхности. В расчетах удобнее вместо массы частицы m использовать молекулярную массу д = mNA. Этот комплекс используется для нахождения относительного потока излучения U = (q*(^,/p)23)/q1. Масштабный поток q1 для каждого состава сплава принимался равным величине q*(^,/p)23 при постоянном © Проблемы энергетики, 2006, № 7-8
электромагнитной теории для сплава Cd - Bi
воспроизводит опытные данные по
величина
отнесена к одной частице. В левой части использованы потоки
для всех сплавов значении энтропии Б/Я = 10 . Полусферическая интегральная степень черноты для расчета q находилась по нормальным интегральным степеням черноты по методике [10].
Энтропия жидкого сплава рассчитывалась по соотношению Б = х1Б1 + х2Б2 - АБ, где х1 и х2 - мольные доли; Б1 и Б2 - энтропии чистых металлов; АБ - поправка на смешение. Потоки теплового излучения жидких сплавов укладываются на обобщенную зависимость (рис. 5), полученную для чистых жидких металлов[12].
Рис. 5. Обобщенная зависимость для интегральных потоков теплового излучения: А - сплав Са - 1п (1 - 0,7961п; 2 - 0, 5951п; 3 - 0, 4951п; 4 - 0, 3951п; 5 - 0, 1961п); В - сплав Са - 8п (1 - 0, 7918п;
2 - 0, 6688п; 3 - 0, 5868п; 4 - 0, 3878п; 5 - 0, 1918п); С - сплав Са - ВІ (1 - 0, 680ВІ; 2 - 0, 450ВІ;
3 - 0, 340ВІ; 4 - 0, 260ВІ; 5 - 0, 120ВІ). Линии А и С смещены на 0,5 по вертикальной оси вверх и
вниз соответственно
Литература
1. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А.Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.
2. Шварев К.М., Байтураев С.Х., Баум Б.А. Интегральная излучательная способность сплавов системы Ni - Al в твердом и жидком состояниях // Инж. -физ. журнал. - 1983. - Т. 44. - № 2. - С. 322.
3. Шварев К.М., Байтураев С.Х., Баум Б.А. Интегральная излучательная способность сплавов системы железо - алюминий при высоких температурах // Инж. - физ. журнал. - 1984. - Т. 46. - № 2. - С. 823.
4. Шварев К.М., Баум Б.А., Гельд П.В. Интегральная излучательная способность сплавов кремния с железом, кобальтом и никелем в области температур от 900 до 1750 °С // Теплофизика высоких температур. - 1973. - Т. 11. - № 1 - С. 78.
5. Панфилович К.Б., Голубева И.Л., Сагадеев В.В.. Тепловое излучение бинарных сплавов олова, свинца и висмута // Теплофизика высоких температур. -2004. - Т. 42. - № 5. - С. 718.
6. Глазов В. М., Айвазов А. А. Энтропия плавления металлов и полупроводников.- М.: Металлургия, 1980. - 175с.
7. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1972. - 247с.
8. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов: Справ. издание / Под ред. Н. А. Ватолина. - М.: Металлургия, 1995. - 649с.
9. Kefif B., Halim H., ElGemaz M., Gasser J.G. Electrical resistivity of liquid Bi alloys with normal, noble and transition metals // Journal of Non-Crystalline Solids. -1990. - V. 117-118. - № 2. - P. 387.
10. Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfer. New York: McGraw-Hill Book Company, 1972.
11. Панфилович К.Б. Тепловое излучение твердых оксидов, карбидов и нитридов // Теплофизика высоких температур. - 1995. - Т. 33. - № 1. - С. 155-158.
12. Голубева И.Л., Панфилович К.Б., Сагадеев В.В. Тепловое излучение жидких металлов // Вестник Казанского государственного технологического университета. - 2004. - № 1-2. - С. 180.
Поступила 29.06.2006
