Излучательная способность жидких металлов и сплавов
Покупка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 176
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7882-2521-0
Артикул: 787378.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Проанализированы основные экспериментальные методы определения интегральных степеней черноты и сплавов металлов, абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты 16 твердых и жидких металлов. 17 сплавов при различных концентрациях и температурах. Получена единая обобщенная зависимость для расчета полусферических интегральных потоков теплового излучения жидких металлов и бинарных сплавов металлов.
Предназначена для преподавателей, научных работников, студентов и аспирантов технических высших учебных заведений, а также для технологов металлургических производств.
Подготовлена на кафедре «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» В. В. Сагадеев, В. А. Аляев ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Монография Казань Издательство КНИТУ 2018
УДК 669.1-154 ББК 4.3 С13 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Я. Д. Золотоносов д-р техн. наук, проф. А. Г. Лаптев С13 Сагадеев В. В. Излучательная способность жидких металлов и сплавов : монография / В. В. Сагадеев, В. А. Аляев; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 176 с. ISBN 978-5-7882-2521-0 Проанализированы основные экспериментальные методы определения интегральных степеней черноты и сплавов металлов, абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты 16 твердых и жидких металлов, 17 сплавов при различных концентрациях и температурах. Получена единая обобщенная зависимость для расчета полусферических интегральных потоков теплового излучения жидких металлов и бинарных сплавов металлов. Предназначена для преподавателей, научных работников, студентов и аспирантов технических высших учебных заведений, а также для технологов металлургических производств. Подготовлена на кафедре «Инженерная компьютерная графика и авто матизированное проектирование». УДК 669.1-154 ББК 4.3 ISBN 978-5-7882-2521-0 © Сагадеев В. В., Аляев В. А., 2018 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2018
ВВЕДЕНИЕ Теория жидкого состояния – важный и непростой раздел совре менной физики. Вещество в этом состоянии – промежуточном между твердым и газообразным – представляет собой трудный объект для установления не только количественных, но иногда даже и качественных закономерностей. Если структура большинства твердых веществ изучена достаточно хорошо, и в ходе исследования их разнообразных свойств уже накоплен большой экспериментальный материал, который в основном проанализирован с позиции квантовой механики, то этого нельзя сказать о жидкостях, в том числе и о жидких металлах и металлических сплавах. В настоящее время на стыке фундаментальных и прикладных наук (физики, физической химии, металлофизики и металлургии) сформировалось и успешно развивается интереснейшее научное направление, связанное с выяснением природы металлических жидкостей, изучением их свойств и строения. При исследовании физических свойств, как чистых жидких металлов, так и многокомпонентных расплавов нередко обнаруживаются различного рода аномалии (перегибы, скачки), природа которых остается дискуссионной. Единого мнения по этому вопросу нет и на сегодняшний день. Связано это прежде всего со сложностью строения металличе ских расплавов, с ограниченными возможностями экспериментальных методов изучения структуры жидких металлов и сплавов. Экспериментальные данные о структурных и физических характеристиках металлических расплавов, полученные разными авторами, во многих случаях существенно различаются между собой. Полиморфные превращения влияют на монотонность температурной зависимости свойств расплавов. Для подготовки равновесного расплава необходимо знание температур, превышающих температуры аномальных изменений свойств. Влияние полиморфных переходов на тепловое излучение жидких металлов в настоящее время не исследовано. В литературе имеются многочисленные данные по радиацион ным характеристикам металлов и сплавов в твердой фазе. Тепловое излучение жидких металлов и сплавов практически не исследовано. Экспериментальные измерения проведены для ограниченного числа сплавов металлов и носят отрывочный характер. Методы теоретических расчетов радиационных свойств жидких металлов и сплавов не разработаны. В монографии представлено комплексное эксперимен
тально-теоретическое исследование теплового излучения металлов и их жидких бинарных сплавов. Измерения нормальных интегральных степеней черноты метал лов и их жидких сплавов проведены абсолютным радиационным методом на специально сконструированном экспериментально-измерительном комплексе, который предназначен для исследования теплового излучения в интервале температур от 293 до 2000 К в среде вакуума или инертного газа. Измерены нормальные интегральные степени черноты 16 твердых и жидких металлов и их 17 жидких бинарных сплавов с различными типами диаграмм состояния. Степени черноты пяти жидких металлов (цинк, алюминий, индий, сурьма, висмут) измерены с шагом 3÷10 К по температуре. Установлено влияние на тепловое излучение полиморфных фа зовых переходов для твердых и жидких металлов. Установлено влияние температуры и состава жидких сплавов на их нормальные интегральные степени черноты: температурные коэффициенты нормальных интегральных степеней черноты для всех сплавов положительные; степени черноты сплавов, кроме сплавов висмут– свинец, индий–олово и кадмий–олово, не являются аддитивными; изменения степеней черноты сплавов качественно согласуются с зависимостями от температуры и состава их других теплофизических свойств (удельного электросопротивления, поверхностного натяжения, вязкости); величина и характер отклонения степеней черноты от аддитивности качественно соответствуют изменению избыточной энтропии смешения сплавов. Тепловое излучение жидких металлов и сплавов описано на ос нове модифицированного соотношения теории размерностей, для относительных потоков теплового излучения жидких металлов и сплавов получена единая зависимость. Масштабные потоки для жидких сплавов (кроме сплавов висмут–свинец и индий–олово) изменяются не аддитивно. При использовании расчетных соотношений на основе теории размерностей для жидких металлов полученные масштабные потоки изменяются периодически в зависимости от положения элемента в таблице Д.И. Менделеева, взаимосвязь масштабных потоков с температурой Дебая и периодическая закономерность могут быть использованы для оценки масштабных потоков и, соответственно, степеней черноты элементов, по которым измерения теплового излучения отсутствуют.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ε – полусферическая интегральная степень черноты εn – нормальная интегральная степень черноты ελ – полусферическая монохроматическая степень черноты ελn – нормальная монохроматическая степень черноты q – плотность полусферического теплового потока λ – длина волны излучения ω – волновое число Т – температура Θ – температура Дебая R – универсальная газовая постоянная W – термодинамическая вероятность I – интенсивность равновесного излучения a – поглощательная способность; активность α – ЭДС, развиваемая термоприемником излучения S – энтропия H – энтальпия h – постоянная Планка x – мольные доли ζ – электропроводность ρ – удельное электросопротивление; плотность n – показатель преломления k – показатель поглощения; постоянная Больцмана с0 – постоянная Стефана–Больцмана m – масса электрона; масса атома μ – молекулярная масса e – заряд электрона с – скорость света N – концентрация свободных электронов η – время релаксации электрона γ = 1/η – удвоенное число соударений электрона в единицу времени NA – число Авогадро q1 – масштабный поток U – относительный поток излучения
Глава 1. МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 1.1. Экспериментальные методы исследования теплового излучения металлов Исследование теплового излучения твердых и жидких металлов проводится радиационным, калориметрическим и нестационарным методами. Они рассмотрены ниже. 1.1.1. Радиационный метод Определение интегральной сте пени черноты радиационным методом (рис. 1.1) состоит в сравнительном измерении термоприемником теплового излучения, испускаемого исследуемым образцом и абсолютно черным телом или телом, излучательная способность которого заранее известна [1]. Метод универсален, его можно применять и для жидких металлов. Важное преимущество метода – отсутствие фокусирующей оптики, дающее дополнительную погрешность измерения. Метод находит применение в различных экспериментальных установках. В установке, разработанной в институте высоких температур РАН [1], в качестве приемника излучения использовался болометр без применения фокусирующей оптики (рис. 1.2). Установка предназначена для работы в интервале температур 1200–3000 К. Нагрев исследуемого вещества осуществлялся индуктором. Градуировка болометра проводилась по графитовой модели чер ного тела, вставляемого вместо исследуемого образца. Температура образца измерялась радиационным пирометром по тепловому излучению цилиндрической модели черного тела, выполненной с нижней Рис. 1.1. Схема измерения интегральной излучательной способности радиационным методом: 1 – образец; 2 – приемник излучения; 3 – диафрагма
стороны образца. Излучение на пирометр выводилось с помощью призмы полного внутреннего отражения через смотровое окно в нижней части установки. Эта установка позволяет исследовать электропроводные образцы, из которых нельзя сделать плоскую ленту или трубку. Для жидких материалов установка не предназначена. Рис. 1.2. Установка для определения нормальных интегральных степеней черноты [1]: 1 – корпус; 2 – рубашка охлаждения; 3 – индуктор; 4 – образец; 5 – призма; 6 – смотровое окно; 7 – верхний фланец; 8 – корпус болометра; 9 – диафрагма; 10 – поворотная заслонка; 11–13 – система крепления образца; 14 – нижний фланец; 15 – коаксиальный ввод индуктора Схема экспериментальной ячейки, использованной в работе [2], представлена на рис. 1.3. Интегральная степень черноты в нормальном направлении измерялась методом сравнения интенсивности теплового излучения образца и эталона, представляющего собой подставку из графита марки ПГ-50 с интегральной степенью черноты 0,90±0,02.
Рис. 1.3. Схема экспериментальной ячейки [2]: 1 – водоохлаждаемый индуктор; 2 – металл; 3 – тигель из А12О3; 4 – графитовая подставка; 5 – подставка из карбонитрида бора; 6 – экран из А12О3; 7 – чехол из Аl2О3; 8 – кварцевый цилиндр; 9 – термопара Приемником теплового излучения служил полупроводниковый термоэлемент с линзой из фтористого лития (полоса пропускания 0,12÷7,3 мк). Сигнал термоэлемента, пропорциональный интенсивности теплового потока, измерялся микровольтметром типа Ф-116. Термопара ВР 5/20, защищенная алундовым колпачком, находилась в непосредственном контакте с дном тигля с расплавом. Образец и графитовая подставка нагревались индукционным способом. Достаточно массивная графитовая подставка способствовала получению равномерной температурной зоны в области образца. Экспериментальная ячейка с индуктором помещались в водоохлаждаемой вакуумной камере. Два боковых окна камеры из плавленого кварца использовались для визуального наблюдения за поверхностью металла, а верхнее окно из фтористого лития, защищенное серией диафрагм, служило для вывода теплового излучения. Температуры исследуемых металлов ограничивались предельным значением рабочей температуры тигля, изготовленного из Аl2О3. Установка предназначена для исследования как твердых, так и расплавленных материалов.
1.1.2. Калориметрический метод Калориметрический метод определения степени черноты твердых тел основан на решении задачи о теплообмене излучением между телами. Один из способов осуществления этого метода заключается в рассмотрении теплообмена излучением между телами, одно из которых, выпуклое, находится внутри другого, вогнутого (например, шар в шаре, цилиндр в цилиндре). Условиями проведения опытов являются стационарность процесса теплообмена, изотермичность поверхностей, отсутствие (или учет) конвективной составляющей теплообмена. При осуществлении установки с малым отношением площадей F1/F2 формула для расчета экспериментальных степеней черноты получается в виде Q = ε с0(T1 4 – Т2 4 )F1, где Q – поток тепла, передаваемого излучением; F1 – площадь поверхности внутреннего тела; T1 и Т2 – температура внутреннего тела и оболочки. Наиболее старым вариантом осуществления метода является метод нити [3]. Тонкую и длинную нить из исследуемого металла помещают в отвакуумированную стеклянную колбу и нагревают электрическим током. Измеряют ток, протекающий через нить, и падение напряжения на участке с постоянной температурой. Основную погрешность калориметрического метода дает погрешность измерения температуры образца, так как она входит в расчетную формулу в четвертой степени. Обычно температуру измеряют по известным для данного образца зависимостям монохроматической яркости или сопротивления от температуры, поэтому возможности таких измерений ограничены как по точности, так и по классу исследуемых материалов. Разновидностью калориметрического метода является модуля ционный, основанный на закономерностях лучистого теплообмена между образцом и окружающим его экраном при колебаниях температуры около среднего значения. При определенной амплитуде колебаний мощности, подводимой к образцу противофазно колебаниям температуры экрана, амплитуда колебаний температуры образца превращается в нуль. Расчетная формула для вычисления полусферической степени черноты образца: 2 3 2 1 4 / T F p , где р – амплитуда колебаний мощности; Т2 – средняя температура экрана; 2 – отклонение температуры экрана от среднего значения.
На основе модуляционного метода проводились измерения в ра боте [4] (рис. 1.4). Среднеквадратичное отклонение значений полусферической степени черноты от усредняющей кривой ε = f(T) в каждой серии измерений не превышало 1,5 %. Общая погрешность измерений в работе не приводится. Рис. 1.4. Схема опытной установки [4]: 1 – опытный участок проволоки; 2 – полый стеклянный сосуд; 3 – пробка; 4 – выводы электродов; 5 – диффузионный насос; 6 – форвакуумный насос; 7 – азотная ловушка; 8 – термопарная лампа; 9 – вакуумметр; 10 – ионизационная лампа; 11 – вакуумметр; 12, 13 – переключатели; 14 – делитель напряжения; 15 – магазин сопротивления; 16 – потенциометр; 17 – нормальное сопротивление; 18 – аккумуляторная батарея Наиболее распространенным и точным вариантом калоримет рического метода является метод «трубки». Внутри трубки при Т > 1100 К просто осуществляется модель черного тела, что позволяет провести точное измерение температуры внутренней стенки.
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину