Спосіб визначення крайового кута змочування промислових металургійних розплавів

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення в лабораторних умовах крайового кута змочування. Крайовий кут змочування q можна визначити за профілем меридіонального перетину малої краплі, сидячої на плоскій нитці. У цій методиці крайовий кут визначається через допоміжний кут g , що утворює з віссю нитки дотична до меридіональної кривої, проведена в деякій її точці. Досліди з водою, етиловим спиртом, метиловим спиртом і деякими іншими чистими рідинами показали гарні результати [1]. Цей спосіб застосовується тільки до дуже малих крапель. Малий розмір необхідний, щоб запобігти сповзанню краплі уздовж нитки. В установці, розробленій для проведення цих дослідів, видавлювання краплі рідини здійснюють через пристрій, що не призначений для розплавів металів і не може використовуватися для дослідження крайового кута змочування промислових металургійних систем. Найбільш близьким за технічною сутністю до винаходу є спосіб, що полягає у вимірі крайового кута змочування за формою краплі, розміщеної на плоскій підкладці з досліджуваного матеріалу [2]. Краплю, що сформувалася, фото графують і отримані знімки збільшують. На фотографіях краплі будують дотичну пряму в точці перетину контуру краплі з підкладкою і вимірюють кут нахилу цієї дотичної, який відраховують у напрямку рідкої краплі. Крім безпосереднього виміру крайового кута змочування, можна визначити його значення за розмірами краплі, використовуючи таблиці Башфорта та Адамса. При лінійному розмірі краплі розплаву 0,5-1,0см і збільшенні зображення в 5-6 разів погрішність виміру q складає ±2-3°. Даний метод є точним, особливо при вивченні розплавів високої чистоти. Однак при дослідженні промислових металургійних систем не вдається уникнути неточностей, що зв'язане з появою на поверхні розплаву оксидних плівок, які скупчуються біля основи краплі. Крім того, крапля нестійка на плоскій підкладці і може зміщува тися при юстировці підкладки, що приводить до порушення симетрії краплі, тоді як крапля повинна зберігати форму тіла обертання, а крайовий кут змочування повинен бути однаковим по всьому периметру. Відомо, що цей метод справедливий тільки для симетричних крапель. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб виміру крайового кута змочування за формою краплі, у якому застосування нової дії дозволить підвищити точність вимірів за рахунок забезпечення стійкості краплі оптимального розміру і запобігання попадання оксидних плівок на поверхню краплі. Для вирішення поставленої завдачі у способі визначення крайового кута змочування промислових металургійних розплавів, формування краплі здійснюють видавлюванням її на тверду поверхню досліджуваного матеріалу з внутрішнього обсягу розплаву через вертикальний канал після формування оксидної плівки, де d = 1 .5 - 1 .6 h параметри каналу визначаються з вираження , де d - діаметр каналу, h - висота каналу. Відомо, що при плавленні промислових металургійних розплавів неминуча поява на поверхні оксидних плівок, продуктів розкислення, ендогенних і екзогенних включень, що викликають гестерезіс крайового кута змочування. Вони скупчуються біля основи краплі і перешкоджають визначенню периметра змочування і точки торкання, а отже приводять до суперечливих і помилкових результатів. Зсув краплі при юстировці підкладки часто приводить до порушення симетрії краплі. Щоб звести вплив зазначених факторів до мінімуму, відповідно до винаходу краплю видавлюють із внутрішнього обсягу рідкої фази через вертикальний канал заданого діаметра і висоти, що запобігає попаданню плівок і продуктів розкислення на поверхню краплі. Примусово сформована в такий спосіб крапля стабільна, оптимального розміру, зберігає симетрію і не стікає з поверхні. Усе це гарантує точність, надійність одержуваних результатів і значно знижує кількість невдалих експериментів, коли після проведення досвіду на знімках краплі наявні причини поганої відтворюваності крайового кута змочування при вимірах. Суть винаходу пояснюють креслення, де схематично показане формування краплі розплаву для виміру крайового кута змочування: 1. На границі рідкий метал - твердий оксид: фіг.1 - підготовка твердих зразків, фіг.2 - розплавлювання досліджуваної речовини; 2. Фіг.3 - Сu, при температурі 1300°С; 3. Фіг.4 - Sn, при температурі 1500°С; 4. Фіг.5 - Fe-As 20.1 при температурі 1500°C; 5. Фіг.6 - Fe-As 20.1 Cr9,3 при температурі 1500°С. Спосіб здійснюється таким чином: досліджуваний матеріал 1 (шлак чи метал) поміщають у тугоплавкий тигель 2 і шляхом попереднього плавлення і кристалізації надають йому форму тигля. У центрі зразка виконують осьове поглиблення діаметром 2-5мм і встановлюють понад зразок кришку 3 з досліджуваного матеріалу з капілярним наскрізним отвором у центрі 4. Експериментально установлені наступні відношення діаметра (d) до висоти капіляра (h) , щоб звести погрішність виміру крайового кута змочування до мінімуму: d = 0 .12 o 1. Якщо h , погрішність виміру крайового кута змочування ± 1.2 ¸ 1.3 ; d = 0 .13 - 0 . 14 o o 2. При h , погрішність виміру крайового кута змочування ± 1.1 ¸ 1.2 ; d = 0 .15 - 0. 16 o h 3. При , погрішність виміру крайового кута змочування ± 0.5 ¸ 1 ; d = 0 .17 - 0. 18 o o 4. При h , погрішність виміру крайового кута змочування ± 1.1 ¸ 1.5 ; d = 0 .19 - 0. 20 o o 5. При h , погрішність виміру крайового кута змочування ± 1.5 ¸ 3 . Кришка може бути виконана з того ж матеріалу, що і тигель, тільки в даному випадку пропорційно капілярному отвору робиться поглиблення 5, куди міститься досліджуваний матеріал. Зовнішня поверхня кришки являє собою рівну плоску площадку, а в нижній її частині коаксіальне капілярному отвору виконана проточка 6, що утворює порожнину над зразком 1. Капілярний отвір 4 сполучають з поглибленням зразка і закривають керамічним стрижнем 7. Підготовлену в такий спосіб систему поміщають на каплеутримувач пристрою для визначення поверхневих властивостей розплавів і, підвищуючи температуру, викликають плавлення зразка 1. Розплавлений матеріал витримують при температурі експерименту протягом 10-20 хвилин для формування оксидної плівки продуктів розкислення, що спливає на поверхню розплаву і концентрується усередині порожнини кришки 3. Потім, натискаючи спеціальним штоком (на мал. не показаний), опускають кришку 3 і виводять з капіляра керамічний стрижень 7, унаслідок чого розплав із внутрішнього обсягу надходить у капіляр піднімається по ньому і формується в стійку краплю заданого діаметра, на поверхні якої відсутня оксидна плівка, що гарантує високу точність вимірів. Краплю, що сформувалася, фотографують. Отримані знімки збільшують і на фотографіях визначають крайовий кут змочування. Було проведене дослідження крайового кута змочування на межі залізо-миш'яковистих розплавів з масовою часткою As до 0,855% і хімічно чистого твердого оксиду алюмінію вищезапропонованим методом. Результати вимірів приведені в таблиці, де під позитивним досвідом мається на увазі такий, при якому чітко можна визначити точку контакту і побудувати дотичну пряму. Таблиця Крайовий кут змочення розплавів Fe-As на границі поділу с хімічно чистим Аl2O3 Пропонований спосіб CAs,% q, град 0,000 0,015 0,021 0,044 0,075 0,113 0,184 0,283 0,446 0,606 0,855 139 138 138 137 135 130 128 127 125 124 121 Відомий спосіб, прототип Кількість проведених экспериментів прототип Пропонований спосіб Погрішність q, град Погрішність вимірів Загальне Позитивний Загальне Позитивний вимірів число досвіт число досвіт 1% 136 2,2% 3 1 3 3 0,5% 135 2,6% 4 2 4 3 0,8% 135 2,4% 3 2 3 3 1,1% 134 3% 5 2 5 4 0,9% 132 2,1% 3 1 3 3 0,75% 127 1,9% 4 1 4 4 1% 125 2,7% 3 1 3 2 0,5% 124 2,9% 4 2 4 4 1,01% 122 3,1% 5 2 5 4 0,95% 121 2,4% 2 1 2 2 0,87% 118 2,6% 3 1 3 3 Джерела інформації, прийняті до уваги при експертизі. 1. Рязанцев П.П., Щербаков Л.М. Об одном методе измерения краевых углов / В.сб. Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них тверды, фазах. - Нальчик, изд-во Кабардино-Балканского университета, 1965. - С.230-234. 2. Филиппов С.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Крашенинников М.Г. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. - Изд-во "Металлургия" , 1968, с.551.