Способ определения кинетических параметров растворения твердых веществ в расплавах металлов и сплавов при температурах выше 1000 с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 11 1958913 61) Дополнительное 22) Заявлено 04,08.8 вт. свид-ву -2971427/18-213/00 рисоединением заяв Государственный комСССР. К. Биле об етени 71) Заявитель ститут проблем литья АН У(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАСТВОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ В РАСПЛАВАХ МЕТА.Л,ЛОВ И СП,ЛАВОВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ВЫШЕ 1000 Ссится к физической хи металлургии и литей Изобретение отномии применительно кному производству.Известен способ определения кинетических параметров растворения, например, коэффициента диффузии в расплавах металлов при анодном растворении электроотрицательного компонента из жидкометаллического сплава, заключающийся в том; что потенциостатический а нализ ведут с подачей на вход потенциостата напряжения, соответствующего началу и они зации компонента сплава, конкурирующего с растворяемым, снимают зависимость тока от времени, по которой судят об искомой величине 1.Однако этот способ имеет ограниченное применение.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения кинетических параметров растворения, например коэффициента диффузии углерода в расплаве железа, путем сбрасывания в расплав добавки мелкодисперсного графита, отбора проб при различных выдержках с последующим химанализом 2). Однако известный способ характеризуется недостаточной точностью метода, сложностью проведения опыта, требующего проведения нескольких плавок для отбора проб, и существенными затратами времени на проведение химанализа, Кроме того, измерение кинетических параметров указанным способом не учитывает угар элементов, так как опыт ведется в окислительной атмосфере, что также снижает достоверность получае О мых результатов. Целью изобретения является повышениеточности измерений и определения в одном опыте термодинамических и кинетических параметров растворения твердых веществ в высокотемпературном расплаве.Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу определения кинетических параметров растворения твердых веществ в расплавах металлов и сплавов при темпе 2 о ратурах выше 1000 С путем растворениятвердой добавки в исследуемом расплаве исследуемый расплав и твердую добавку помещают в калориметр с изотермической оболочкой и регистрируют изменение температуры калорйметрической ванны в процессе растворения твердой добавки, по которому находят искомые параметры.Скорость растворения и коэффициент диффузии определяют из уравнений:г 253 РЯ ЧО ) 2 + Рь Ч о, 8 ЬХь 327 Р ЬХтгде 1) = коэффициент диффузии;ЬТ - изменение температуры калориметрической ванны;площадь контакта расплава со стенкой ванны;15А - коэффициент теплообмена металла ванны со стенкой;Се - теплоемкость расплава;- удельный тепловой эффект раст- ворения;Ч - массовая скорость растворения; Р - плотность растворяемого твердого вещества;ЬХ - движущая сила процесса растворения;время. 25Сущность изобретения состоит в следующем, В высокотемпературный калориметр с изотермической оболочкой устанавливают тигель с навеской исследуемого металла, а в шлюзовую камеру помещают твердую добавку. После герметизации калориметричес- зо кой ванны из рабочего объема печи откачивают воздух до получения заданной опытом степени разрежения и напускают инертный газ, Затем включают нагреватель печи, расплавляют навеску исследуемого металла и выдерживают расплав при его температуре выше ликвидуса, строго поддерживая заданную температуру выдержки в рабочем объеме ванны с помощью высокоточного регулятора температуры. После выдержки сбрасывают в тигель с расплавом твер о дую добавку через шлюзовое устройство и регистрируют изменение температуры калориметрической ванны до полного растворения добавки, и по площади фигуры теплообмена на термограмме растворения добавки определяют скорость растворения и 45 коэффициенты диффузии.Способ реализован на примере растворения графита в расплаве чугуна.Изменение температуры расплава в калориметре происходит в результате нагрева добавки, теплового эффекта растворения и теплообмена расплава со стенкой тигля. Эти три процесса идут с различными скоростями, что в конечном итоге и определяет форму экспериментальной кривой изменения температуры во времени, 55Теплообмен между стенкой тигля и расплавом при небольших относительных перепадах температур между стенкой и оасплавом (Ь Т/Тз) и малых числах Био (В;0,25)подчиняется закону Ньютона-Рихмана: г 1(т) = ы Ь,Т (7,),где Ц - тепловой поток;ЬТ - разность температур стенки Тзи расплава Тг.коэффициент теплоотдачи;7 - время,Тепловой эффект процесса, включающийнагрев. добавки от начальной температурыдо температуры расплава и ее растворение,равен:(2) где Ь - площадь контакта расплава состенкой.Величину5 определяют калибровкой, применяя известные данные по теплотам плавления и значения стандартных энтальпий эталонных веществ. Интеграл в правой части уравнения (2) получают экспериментально, как площадь под кривой Ь Т (ф). Используя ее форму, можно вычислить скорость растворения добавки, если скорость выделения тепла при растворении сравнима со скоростью тепло- обмена со стенкой.На чертеже показана экспериментальная кривая зависимости Ь Т(т) для процесса растворения графита в железоуглеродистом расплаве,Время 7. определяет сброс добавки в расплав,- начало растворения, к - его конец. При этом температура расплава изменяется от 1, до 1 к ,ЬЬТ 4 Т, = Се 6 Т;(3) где Се - теплоемкость расплава,Левая часть уравнения выражает количество тепла, отданного стенкой в расплав за время д. Правый член равен количеству тепла, полученному расплавом при изменении его температуры на йТ за время д ъ, Скорость выравнивания температуры в расплаве гораздо выше скорости тепло- отдачи от стенки. Это вытекает из следующих соображений: скорость теплообмена сравнима со скоростью выделения тепла при растворении, которая пропорциональна,Окончание процесса определяется с помощью кривой теплообмена, получаемой следующим образом.В отсутствие растворения процесс выравнивания температур расплава и стенки в калориметре, в определенном приближении описывается уравнением:(9) Участок экспериментальной кривой, соответствующий растворению, с учетом знака теплового эффекта приближенно описы вается уравнением. где 1 - удельный тепловой эффект раст- З 5ворения;Ч - массовая скорость растворения.В дальнейшем расплав в калориметре малоподвижен, а растворяющаяся частица сферической формы. В этом случае диффу зионный критерий Нуссельта Хц =2 и уравнение массопереноса записывается следующим образом: дх 40= -- Ьх д 7, хУ 45 Ф = - х - ,/, = 2 м.РХ, (12) где х 50и-Слаи: с .даижуцсая сила процесса расе.ворения;с,с, с 5 - массовые концентрации растворяющегося вещества - насыщения, в расплаве и в твердой часце;уу -плотность расплава в насыщенном и исследуемом состояниях. скорости растворения. Соотношение между скоростями диффузионного растворения и теплообмена определяется критерием Льюиса 1.= -- , представляющего собой отношение коэффициента диффузии к коэффициенту температуропроводности, и для жидких металлов составляет 102 - 10 з . Таким образом, количество тепла в уравнении (3), поступающего на нагрев расплава, с достаточной точностью определяется по формуле для квазиравновесных процессов дЯе = Се дТ.Решение уравнения (3) имеет вид ЬТ = ЬТ ехр- с т, (4) ъгде ьТ, - разность между температуройстенки Т 4 и температурой 1, с;которой начинается процесс теплообмена в отсутствие растворения. Отсюда видно, что зависимость 1 пЬТ(т) для чистого теплообмена расплава со стенкой представляет собой прямую линию.ЬТ д+ Се 4 Т = -Щ(5) где ап 1 - изменение количества тепла за счет растворения, или5 ЬТ+ Се -- 1 = -1 Т (6)дт диаметр растворяющейся частицы;коэффициент диффузии;плотность частицы; Так как добавки малы по сравнению с массой расплава, то ЬХ можно считать постоянной. Уравнение (7) имеет решение в видегде Х - начальный диаметр частицы,С другой стороны, уравнение (7) можно записать через массовую скорость растворения: Учитывая уравнения (8) и (9), получаем для определения коэффициента диффузии по экспериментально найденным Уз,т,: З 5 О 2Зь 8 Ьх т + ь 2-- =0 (10) Во многих практических случаях растворению в калориметре подвергают добавки, плотность которых меньше плотности расплава, т. е. в процессе растворения частицы плавают на поверхности. В таком варианте между диаметром частицы и глубиной погружения существует связь:У 11 зхЬ + фх = 0(11) где Ь - глубина погружения частицы,Полученное уравнение (11) по своей структуре аналогично уравнению (10), поэтому исследуется таким же образом, т. е. в области Ь ) 0 имеется только один корень.Предположив, что для пограничного слоя 6 плавающей сферической частицы справедливо соотношение 6 = - 1 - , и учитывая предыдущие допущения, уравнение для определения коэффициента диффузии имеет тот же вид (10),В исследованиях кинетики растворения используются значения коэффициентов массопереноса ф = ф и эффективный коэффициент массопереноса фэ = /3 Р (Р - площадь контакта фаз), который легко получить из приведенных выше соотношений. Для погруженной сферической частицы Для сферической частицы, плавающей наповерхности расплава,гэ ,= 2 уР Х, (13) Предложенным способом измеряют кинетические параметры растворения графита в железоуглеродистом расплавае Н. + 3%С при 1450 С. При этом получают коэффициенты диффузии Р = 8 10 8 м%, что совпадает по величине с известными литературными данными.1440 Составитель С. БеловоТехред А. БойкасТираж 887Государственного комитеталам изобретений и открыква, Ж - 35, Раушская наПатент, г. Ужгород, ул. дченкоКорректо р Е, Ро шкоПодписноеСССРтийб д, 4(5Проектная 4 Редактор М, ДылынЗаказ 5754/57ВНИИПИпо д113035, МоФилиал ППП Способ может быть применен в ЦЗЛ металлургических заводов, НИИ, а также на машиностроительных заводах при исследованиях кинетики растворения твердых материалов в расплавах металлов при высоких температурах (Т ) 1000 С). Способ определения кинетических параметров растворения твердых веществ в расплавах металлов и сплавов при температурах выше 1000 С путем растворения твердой добавки в исследуемом расплаве, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и определения в одном опыте термодинамических и кинетических параметров растворения твердых веществ в высокотемпературных расплавах, исследуемый расплав и твердую добавку помещают в калориметр с изотермической обо лочкой и регистрируют изменение температуры калориметрической ванны в процессе растворения твердой добавки, по которому находят искомые параметры.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССРМа 658462, кл. б 01 М 37/48, 1976.2. М 1 йа 11 ов 1 с А., Маг 1 пее 1 с В, Агой.Е 1 зепйц 1 гепюез, 1973, , 507 - 512 (прототип).