CC BY
20
УДК 669. 14-404
Макуров С. Л.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВИСКОЗИМЕТР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Широкое распространение в высокотемпературной вискозиметрии получил нестационарный метод, основанный на регистрации затухающих крутильных колебаний цилиндра заполненного жидкостью [1]. Определяемым параметром в данном методе является величина логарифмического декремента затухания:
6 = -1п-^- . (1)
П Фп
где 5-логарифмический декремент затухания;
ф0 -амплитуда начального колебания;
фп -амплитуда п-го колебания;
п-число колебаний.
Достоинством метода является возможность определения абсолютных значений вязкости жидких металлов с высокой степенью точности. Однако, в реальных условиях точность определения вязкости во многом зависит от конструкции экспериментальной установки.
Конструкции установок для измерения вязкости жидкой стали весьма разнообразны. Как правило, используются системы с верхней подвеской тигля. Одна из последних конструкций такого типа описана в работе [2].. Однако, в таких конструкциях трудно предотвратить передачу тепла от нагревательной печи к нити подвеса тигля, что влияет на точность измерений. Поэтому, более перспективными в настоящее время являются вискозиметры с системой нижнего подвеса (печь находится вверху). Важным преимуществом такой системы является также удобство манипулирования с расплавом в процессе измерения, например, введение присадок в расплав или измерение температуры непосредственным погружением термопары.
Прототипом предлагаемой установки послужил вискозиметр, описанный в работе [3].
Экспериментальная установка состоит из трех основных частей: печи сопротивления с графитовым нагревателем, вискозиметра, оборудования для регистрации параметров крутильных колебаний.
Схема установки приведена на рис. 1. Алундовый тигель 1, диаметром 35 мм и высотой 50 мм, установлен на подставке из глинозема, соединенной с алундовой трубкой 3, которая крепится к колебательному цилиндру 4. Цилиндр подвешен на специальной нити 5 к верхнему опорному пальцу 6. Нижняя часть нити, проходящая внутри опорного цилиндра, крепится к пальцу 7. В колебательном цилиндре выполнены специальные вырезы для верхнего опорного пальца, что позволяет всей системе, подвешенной на стальной нити совершать крутильные колебания относительно вертикальной оси. К нижней части колебательного цилиндра крепятся грузы 8 для обеспечения необходимого момента инерции системы. Начальный момент закручивания нити обеспечивается магнитным диском 9 и электромагнитами 10. Подвесная система вискозиметра защищена от тепловых и механических воздействий водоохлаждаемым экраном 11, кожухом 12 и защитной трубкой 13. К нижней части трубки 13 прикреплена стеклянная трубка 14 с резиновым уплотнением, в нижнюю часть которой подается очищенный аргон. Применение стеклянной трубки позволяет визуально контролировать характер колебаний системы.
Регистрация параметров колебаний осуществляется по движению светового луча от осветителя 15, который с помощью зеркальца 16, укрепленного на колебательном цилиндре, создает движущееся световое пятно на сферической линейке 17. На уровне зеркальца в защитной трубке сделано окошко 18.
Аргон
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения вязкости металлических расплавов:
1 - алундовый тигель, 2 подставка тигля, 3 - алундовая трубка, 4 - колебательный цилиндр, 5 - стальная нить, 6 - верхний палец подвеса, 7-нижний палец подвеса, 8 - грузы, 9 - магнитный диск, 10-электромагниты, 11 - экран, 12 - кожух, 13 - защитная трубка, 14 - стеклянная трубка, 15 - осветитель, 16-зеркаль-це, 17 - сферическая линейка, 18 - окошко, 19-радиальный экран, 20 - торцевые экраны, 21 - крышка, 22-уплотнительная втулка, 23 - термопара ПРЗО/6, 24-уст-ройство ввода добавок.
С целью равномерности нагрева (охлаждения) образца тигель окружен радиальным экраном 19 в виде алувдовой трубки и торцевым экраном 20 из шамота.
Верхняя часть печи уплотнена водоохлаждаемой крышкой 21, на которой смонтирована уплотнительная втулка 22 для ввода термопары 23 и специальное устройство 24 для ввода добавок в металл.
Вискозиметр с помощью винта перемещается вместе с экраном 11 в вертикальном направлении, что обеспечивает удобное введение и выведение образца из печи. Вся установка смонтирована на массивной станине, покоящейся на специальном фундаменте с виброгасящими прокладками.
Высокотемпературная печь сопротивления с графитовым нагревателем подключена к тиристорному регулятору напряжения мощностью 40 кВт. Регулятор обеспечивает желаемые режимы нагрева печи с точностью стабилизации температуры в пределах 5 °С.
Рис. 2. Блок-схема системы автоматической регистрации логарифмического декремента затухания колебаний тигля.
При проведении исследований вязкости металлов очень важно обеспечить равномерность прогрева металла и тигля, т. е. создать изотермическую зону, в которой должен находиться тигель с расплавом. С этой целью тигель помещали в центральной зоне нагревателя высокотемпературной печи.
Температуру в печи измеряли термопарой ПРЗО/6, показания которой регистрировались цифровым милливольтметром.
Для повышения точности измерений и снижения трудоемкости обработки экспериментальных данных разработано устройство автоматической регистрации параметров колебаний. Блок - схема устройства приведена на рис. 2.
Основным определяемым параметром является скорость перемещения светового пятна, полученного отражением светового луча от зеркала колебательной системы, по сферической линейке. Световой луч создается осветителем, состоящим из лампы накаливания и конденсора. Питание лампы осуществляется от стабилизированного выпрямителя, напряжением 4-10 В.
Фотодатчик, регистрирующий скорость движения светового пятна, установлен на правой части сферической линейки. При правильной установке фотоэлемента логарифмический декремент затухания колебаний подвесной системы определяется по скорости движения светового пятна нескольких колебаний. В случае постоянной ширины светового пятна эта скорость определяется временем прохождения пятна мимо окна фотодатчика. Между амплитудой двух колебаний А, скоростью движения светового пятна V и, соответственно, временем прохода световым пятном контрольной точки I существует зависимость:
Расчет логарифмического декремента затухания производится на основании формул (1) и (2) по серии десяти проходов светового пятна по фотодатчику. Каяедое измерение повторяется пять раз после чего определяется среднее значение декремента затухания:
5 = 1 ^ФзФбФтФвФ? (3)
25 ф0ф1ф2ф3ф4
Таким образом, задача сводится к установлению времени прохождения световым пятном контрольной точки для серии колебаний. Это время фиксируется универсальным счетчиком, на который через электронный преобразователь подается усиленный сигнал фотодатчика. Длительность импульса, пропорциональная времени прохода пятном фотодатчика, регистрируется универсальным счетчиком с кварцевым стабилизатором. Одновременно фиксируется период колебаний. С помощью электронного дешифратора и вычислительной машины определяются величины параметров колебаний, которые выдаются на печатающее устройство.
Определение коэффициента вязкости жидких металлов длительный процесс, который можно разделить на следующие этапы:
а) подготовка установки,
б) определение "нулевого хода" прибора,
(2)
в) калибровка вискозиметра,
г) измерение параметров колебаний тигля с расплавом,
д) обработка результатов измерений.
Подготовка установки к работе заключается в подборе тиглей примерно одинаковой массы, контроле соосности подвесной системы с тиглем, размещении тигля внутри печи, герметизации верхней и нижней головки вискозиметра, подключении системы подвода и отвода аргона, водяного охлаждения, установке термопары ПР 30/6. Далее следует заполнение (продувка) печи аргоном, контроль схемы подключения термопары, регистрирующего и записывающего оборудования. Затем проверяется работа подвесной системы, отсутствие перекосов и задеваний за стенки экранов и трубок. При исправной подвесной системе период колебаний должен составлять 6,2 ± 0,1с.
Под установкой "нулевого хода" прибора подразумевается определение логарифмического декремента затухания колебаний системы с пустым тиглем в таких же условиях (температура, скорость нагрева), которые имеют место при исследовании образцов.
После установки "нулевого хода" производится градуировка вискозиметра при комнатной температуре с водой и органическими жидкостями и градуировка с расплавом железа.
После уточнения константы прибора приступают к измерению вязкости расплавов. Величина динамической вязкости определяется из уравнения:
5-50=кЛ/т1р) (4)
где: 50,5 -логарифмический декремент затухания колебаний системы соответственно с пустым и заполненным тиглем;
к - константа прибора, определяемая градуировкой;
р - плотность металла',
т| - динамическая вязкость Па с.
Исследование логарифмического декремента затухания производится для двух образцов разной массы с последующей экстраполяцией данных на эквивалентную массу образца. Масса образцов составляет О,1-0, 2 кг.
Продолжительность исследования одного образца составляет около 12 часов, В процессе нагрева (охлаждения) образца производят 8-10 определений параметров крутильных колебаний. Для этого после достижения необходимой температуры и 15 минутной выдержки производят электромагнитное закручивание нити и включают систему регистрации. Процесс регистрации параметров 10 колебаний производится автоматически, затем снова закручивают нить и повторяют измерения. При каждой температуре выполняют 5 определений, после чего автоматически рассчитываются и записываются на телетайпе средние значения логарифмического декремента затухания и периода колебаний.
Полученные данные записываются также на магнитный диск. Затем информация вводится в ЭВМ для дальнейшей обработки данных. В результате получают значения вязкости расплавов в зависимости от температуры. Необходимые для расчета значения плотности расплавов железа и стали можно принять по литературным данным [4] или рассчитать по правилу аддитивности.
Рассмотренная установка может успешно применяться для определения вязкости металлических расплавов до температуры 2000 К.
Перечень ссылок
1. Шеидкоеский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. -М. .ГИТТЛ, 1955,- 184 с.
2. Schenk П., Frehberg М. G., Hoffman К. Beitrag zur Messung der Viskositäl metallischer Schmelzen bei hohen Temperaturen//Ach. für das Eisenhüttenwesen. -1963. - Bd. 34,- N2. -S. 93-98.
3. Петров H.H., Козлов Л.Я., Романов Л.М. Высокотемпературный вискозиметр //Заводская лаборатория. - 1983. - №5. - С. 36-37.
4. Андронов В.Н., Чекин Б.В., Нестеренко С.В. Жидкие металлы и шлаки. - М.: Металлургия, 1977. - 127 с.
