Тигельное устройство



Тигельное устройство
Тигельное устройство
Тигельное устройство
Тигельное устройство

 


Владельцы патента RU 2463574:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к технической физике, а именно к устройствам для контроля и измерения физических параметров веществ. Оно предназначено для бесконтактного измерения вязкости и электросопротивления высокотемпературных металлических расплавов. Измерение вязкости проводится путем фотометрического определения параметров крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Предлагается тигельное устройство, содержащее тигель, шайбу, несущий стакан, подвешенный на упругой нити в высокотемпературной зоне электропечи, крышку, помещенную внутри тигля, в которое введены направляющие элементы, зафиксированные в крышке и помещенные в соответствующие отверстия, выполненные в шайбе. Направляющие элементы выполнены в виде трубок, обеспечивающих сообщение между верхней поверхностью расплава и надтигельным пространством вне тигельного устройства и расположены симметрично относительно оси тигля. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности и точности определения параметров высокотемпературных металлических расплавов, например величины кинематической вязкости. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, а именно к устройствам для контроля и измерения физических параметров веществ. Оно предназначено для бесконтактного измерения вязкости и электросопротивления высокотемпературных металлических расплавов, например, на основе железа, никеля, кобальта путем фотометрического определения параметров крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения является металлургия.

Измерение физико-химических параметров металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности определение вязкости или электросопротивления высокотемпературных расплавов в объеме нескольких см3, позволяет проводить прогностический анализ материалов и давать рекомендации для получения промышленных сплавов с заданными характеристиками. В частности, политермы вязкости и электросопротивления позволяют выделять характерные критические температурные точки и гистерезисные характеристики нагрева-охлаждения. Для высокотемпературных исследований металлических расплавов, у которых температура плавления +1400°C и более, лишь немногие способы измерений могут быть использованы на практике. В частности, это фотометрический способ определения кинематической вязкости и электросопротивления путем регистрации параметров траектории отраженного от зеркала светового луча, а в конечном итоге - измерения параметров крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити внутри вакуумной электропечи.

Известно устройство - вискозиметр, основными узлами которого являются тигель с расплавом в несущем стакане, подвешенный на упругой нити-подвесе, вакуумная электропечь с нейтральной атмосферой, зеркало, укрепленное на вращающемся узле, осветитель, расположенная на некотором расстоянии от печи измерительная шкала, по которой движется отраженный от зеркала световой зайчик, электромагниты закручивания и демпфирования колебаний - см. С.И.Филиппов и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1968, с.250-252, рис.105, - аналог.

Недостатком этого устройства является использование тигля с открытой поверхностью расплава. В тигель закладывают металлический образец в виде одного или нескольких кусков и проводят нагрев образца до расплавления. При расчете вязкости предполагают, что расплав имеет форму цилиндра. Расчет вязкости выполняют посредством общепринятого метода Е.Г.Швидковского - см. вышеуказанное С.И.Филиппов и др., с.246-249, причем различают два случая - когда образец имеет одну или обе торцевые поверхности касания расплава - на дне или на дне и крышке. При этом получить цилиндрическую форму образца в жидком виде с обоими плоскими торцами, необходимую для расчетов, практически не всегда удается.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является тигельное устройство, содержащее тигель, шайбу и несущий стакан, подвешенный на упругой нити в высокотемпературной зоне электропечи, крышку, помещенную внутри тигля, которое используют для определения кинематической вязкости расплавов - см. Физические свойства металлов и сплавов: Сб. тезисов докладов, Екатеринбург, изд. УГТУ-УПИ, 2009, с.75.

Недостатком прототипа является то, что для перемещения крышки в боковой поверхности тигля и крышки выполнены щелевые пропилы, через которые расплав может залиться в крышку или вылиться из тигля в случае выделения газов из расплава. Другим недостатком является возможность заклинивания крышки при ее перекосе в процессе перемещения крышки внутри тигля вдоль его оси.

Эксперименты, многократно проведенные авторами, показывают, что при работе с открытой верхней поверхностью расплава возникает ее непредсказуемое искривление, в том числе из-за окисных пленок, которые имеют различную плотность, прочность, толщину и размер, что делает невозможным адекватный учет их воздействия на поведение металлической жидкости, а также газовыделения, всплывания неметаллических включений или за счет возникновения мениска жидкости. В случае создания двух плоских торцевых поверхностей форма образца близка к требуемой теоретической расчетной модели - цилиндру, что является необходимым для получения достоверного конечного результата эксперимента, например значения вязкости расплава. Таким образом, для исключения влияния состояния и формы поверхности расплава эксперименты необходимо проводить с обеими плоскими торцевыми поверхностями. В частности, принудительное создание горизонтальной верхней торцевой поверхности, например, при наличии пленок на расплаве обеспечивает прилегание пленок к нижней поверхности крышки. В этом случае расчет проводят по формулам, предложенным Е.Г.Швидковским, - см. вышеуказанное С.И.Филиппов и др., с.248, для цилиндрического расплава с обеими неподвижными относительно тигля торцевыми поверхностями.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности и точности определения параметров высокотемпературных металлических расплавов, например величины кинематической вязкости.

Для решения поставленной задачи предлагается тигельное устройство, содержащее тигель, шайбу, несущий стакан, подвешенный на упругой нити в высокотемпературной зоне электропечи, крышку, помещенную внутри тигля, в которое введены, по крайней мере, два направляющих элемента, зафиксированные в крышке нижним концом и помещенные верхним концом в соответствующие отверстия, выполненные в шайбе.

Кроме того, направляющие элементы выполнены в виде трубок, обеспечивающих сообщение между верхней поверхностью расплава и надтигельным пространством вне тигельного устройства.

Кроме того, направляющие элементы расположены симметрично относительно оси тигля.

Отличительные признаки предложенного технического решения - тигельного устройства - обеспечивают приближение формы расплава к требуемой для расчетов цилиндрической модели, а в конечном итоге повышение достоверности и точности определения параметров высокотемпературных металлических расплавов, например кинематической вязкости.

Предложенное техническое решение, содержащее вышеуказанную совокупность отличительных признаков, а также совокупность ограничительных и отличительных признаков, не выявлено в известном уровне техники, что при достижении вышеописанного технического результата позволяет считать предложенное техническое решение имеющим изобретательский уровень. Это техническое решение обеспечивает технический результат - повышение достоверности и точности измерения параметров высокотемпературных металлических расплавов, например кинематической вязкости.

Предлагаемое тигельное устройство поясняется чертежами.

Фиг.1. Элементы тигельного устройства.

Фиг.2. Тигельное устройство в сборе.

Фиг.3. Внешний вид образцов расплава на основе железа.

Фиг.4. Внешний вид образца расплава технически чистой меди.

Тигельное устройство состоит из штока 1, шайбы 2 с отверстиями 3, направляющих элементов 4, крышки 5, тигля 6, несущего стакана 7, штифтов 8, изучаемого металлического образца 9.

Шток 1, шайба 2, несущий стакан 7, штифты 8 выполнены из молибдена. Направляющие элементы 4, крышка 5 и тигель 6 выполнены, например, из окиси бериллия (BeO). Направляющие элементы 4 закреплены в крышке 5, например, посредством жидкого стекла и выполнены, например, в виде трубок. Крышка 5 выполнена, например, в форме стакана.

Тигельное устройство работает следующим образом. В тигель 6 помещают изучаемый металлический образец (шихту) 9 объемом 3-4 см3, тигель 6 помещают в несущий стакан 7, после чего сверху в тигель 6 вставляют крышку 5. Затем верхние концы направляющих элементов 4 вводят в соответствующие отверстия 3 шайбы 2. Далее шайбу 2 вставляют в несущий стакан 7 и фиксируют ее штифтами 8. Собранное тигельное устройство, прикрепленное верхним концом штока 1 к упругой металлической нити подвеса (на схеме не показано), помещают в вакуумную электропечь (на схеме не показано) таким образом, что изучаемый металлический образец 9 располагается в зоне нагрева электропечи и имеет возможность совершать свободные крутильные колебания вокруг вертикальной оси. После вакуумирования и заполнения электропечи инертным газом проводят нагрев и расплавление изучаемого металлического образца 9. При оплавлении куски шихты обтекают, заполняют тигель 6 и оседают, при этом уменьшается высота изучаемого металлического образца 9. Крышка 5 при этом опускается на верхний торец расплава изучаемого металлического образца 9, поскольку имеет возможность вертикального перемещения. Направляющие элементы 4 в виде трубок позволяют устранить газовые пузырьки, возникающие в процессе расплавления шихты при прилегании неровной поверхности верхнего торца расплава к нижней плоскости крышки 5. Эти пузыри формируют неровную верхнюю торцовую поверхность расплава изучаемого металлического образца 9. После полного прилегания к нижней плоскости крышки 5 расплав не может подниматься по капилляру направляющих элементов 4, поскольку диаметр капилляра не превышает 1,0-0,5 мм, а материалы, из которых изготовлены направляющие элементы 4, крышка 5 и тигель 6, не смачиваются расплавами. Зазоры между стенками тигля 6 и крышки 5 менее 1 мм. Поэтому крышка 5 не тонет в расплаве, а остается «на плаву» на поверхности расплава изучаемого металлического образца 9.

При определении кинематической вязкости методом затухающих крутильных колебаний тигля 6 с расплавом изучаемого металлического образца 9 верхняя торцевая поверхность расплава предполагается неподвижной относительно тигля 6. Перемещение крышки 5 в горизонтальной плоскости ограничено посредством направляющих элементов 4, введенных в соответствующие отверстия 3 шайбы 2. Вертикальное перемещение крышки 5 происходит только при расплавлении изучаемого металлического образца 9.

В качестве примеров приведен характерный внешний вид изучаемых металлических образцов 9 расплавов: фиг.3 - на основе железа, фиг.4 - технически чистая медь, которые получены без формирования верхней торцевой поверхности посредством предлагаемого тигельного устройства. Отклонение по высоте от плоскости торцевой поверхности, т.е. от требуемой для расчета цилиндрической формы модели, составляет единицы мм, что составляет до 10% от высоты цилиндрического металлического образца 9. Соответственно, появляется ошибка в определении конечного результата исследований параметров, например кинематической вязкости расплава. Известно, что относительная точность определения вязкости составляет примерно 3% - см. А.Л.Бельтюков, В.И.Ладьянов. Автоматизированная установка для определения кинематической вязкости металлических расплавов. Журн. ПТЭ, 2008, №2, с.159. По нашим данным, например, при исследовании образца расплава чистой меди при температуре t°=+1109°C непредсказуемое отклонение высоты образца от варианта с идеализированной плоской верхней торцевой поверхностью составило 1 мм, что при высоте образца H=20 мм составило 5%. В этом случае вклад в относительную погрешность конечного результата - величины кинематической вязкости составил 0,6%, что дает долю в суммарной ошибке: 3/0,6=20%. Таким образом, формирование верхней плоской торцевой поверхности расплава путем использования направляющих элементов 4 и крышки 5 тигельного устройства позволяет повысить точность определения кинематической вязкости на вышеуказанную величину 20% и достичь относительной точности определения вязкости около 2,5%.

Обеспечение горизонтальности верхней торцевой поверхности изучаемого расплава и получение таким образом геометрически правильной цилиндрической формы у него повышает достоверность и точность определения параметров высокотемпературных металлических расплавов, например кинематической вязкости или электросопротивления.

1. Тигельное устройство, содержащее тигель, шайбу, несущий стакан, подвешенный на упругой нити в высокотемпературной зоне электропечи, крышку, помещенную внутри тигля, отличающееся тем, что в него введены, по крайней мере, два направляющих элемента, зафиксированных в крышке нижним концом и помещенных верхним концом в соответствующие отверстия, выполненные в шайбе.

2. Тигельное устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющие элементы выполнены в виде трубок, обеспечивающих сообщение между верхней поверхностью расплава и надтигельным пространством вне тигельного устройства.

3. Тигельное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что направляющие элементы расположены симметрично относительно оси тигля.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптоволоконным датчикам и может быть использовано для испытания элементов конструкций и машин, в том числе летательных аппаратов. .

Изобретение относится к физике и металлургии, а именно - к устройствам, используемым в исследовательских и лабораторных работах, и применяется для сигнализации и измерения физических параметров расплавов; оно предназначено для бесконтактного измерения кинематической вязкости металлических расплавов, в частности высокотемпературных, фотометрическим нестационарным методом на основе измерения затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом.

Изобретение относится к вибрационному расходомеру и способу для введения поправки на увлеченный газ в текущем материале. .

Изобретение относится к способам определения вязкости жидкостей и коллоидных систем и может быть использовано для анализа реологических параметров прозрачных и непрозрачных жидкостей, в том числе и магнитных коллоидных систем.

Изобретение относится к средствам и методам измерения параметров вязкоупругих жидких сред, а более конкретно к определению вязкости и упругости образца жидкости с использованием метода резонансных стержней при исследовании акустических свойств жидких сред, и может применяться, в частности, в области нефтедобычи, для определения параметров тяжелых нефтей при разработке месторождений.

Изобретение относится к технической физике, а именно к устройствам для определения, контроля и измерения физических параметров веществ, и предназначено для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов.

Изобретение относится к исследованию скважин, в частности к способам оценки подземного пласта посредством скважинного инструмента. .

Изобретение относится к встроенному измерительному прибору с измерительным датчиком вибрационного типа, в частности к измерительному прибору кориолисова массового расхода/плотности для протекающей в трубопроводе, в частности, двух- или многофазной среды, а также к способу для выработки выражающего собой физическую измеряемую величину среды, к примеру массовый расход, плотность и/или вязкость среды, измеренного значения посредством такого измерительного датчика.

Изобретение относится к физике и металлургии, а именно к устройствам, используемым в исследовательских и лабораторных работах, и применяется для измерения физических параметров расплавов

Изобретение относится к устройству для определения, контроля и измерения физических параметров веществ и предназначено для бесконтактного фотометрического определения характеристик металлических расплавов, в частности кинематической вязкости и электропроводности

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэрогидродинамическим устройствам для определения вязкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидкостей

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вязкости тонких слоев жидкости, для изучения свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей, установления содержания механических примесей в жидкости, измерения сил сопротивления и определения коэффициентов трения жидких и твердых материалов в зависимости от температуры. Техническим результатом заявленного изобретения выступает совмещение точек, в которых происходит измерение температуры и вязкости. Технический результат достигается за счет выполнения пробного тела в виде термопары. Устройство выполнено в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя и жестко прикрепленных к нему ножек камертона, разделенных держателем, и пробного тела. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области тепловых исследований свойств жидкостей и может быть использовано для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки жидкостей. Заявлен способ исследования теплофизических свойств жидкостей, при котором в металлической кювете с пробой жидкости, снабженной датчиком температуры, размещают металлический зонд вибровискозиметра, снабженный датчиком температуры. Зонд приводят в режим гармонических колебаний, изменяют температуру кюветы посредством управляемого устройства охлаждения-нагрева. Измеряют температуру, амплитуду, фазу, частоту колебаний зонда и определяют плотность, вязкость и температуропроводность жидкости в зависимости от ее температуры. Также измеряют зависимость от температуры оптического пропускания жидкости в непосредственной близости от зонда для моментов прохождения зондом его равновесного положения. Устройство для осуществления способа включает кювету, управляемое устройство охлаждения-нагрева, сферический металлический зонд вибровискозиметра, размещаемый внутри кюветы. Зонд и кювета снабжены датчиками температуры. Также кювета снабжена волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания жидкости, установленным в непосредственной близости от зонда. Технический результат: повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области разведочной геологии и может быть использовано для определения различных свойств углеводородных пластовых флюидов. В заявленном изобретении раскрыты примеры способов, установок и изделий промышленного производства для обработки измерений струн, вибрирующих во флюидах. Раскрытая, являющая примером установка включает в себя скважинный узел и наземный узел. Скважинный узел 300 включает в себя датчик 305, 325 для измерения колебательного сигнала, представляющего перемещение струны, вибрирующей во флюиде, на внутрискважинном месте в стволе скважины, устройство 332 моделирования колебательного сигнала для вычисления модельного параметра на основании измеряемого колебательного сигнала и первый телеметрический модуль 340 для передачи вычисляемого модельного параметра к месту на земной поверхности. Наземный узел включает в себя второй телеметрический модуль для приема вычисляемого модельного параметра от скважинного узла и анализатор вязкости для оценивания вязкости флюида на основании вычисляемого модельного параметра. Способ обработки измерений струн, вибрирующих во флюиде, включает операцию измерения колебательного сигнала и вычисление модельного параметра вибрации струны на основании измеряемого колебательного сигнала. Данный модельный параметр используется для определения вязкости пластового флюида. Технический результат - повышение точности определения свойств пластовых флюидов. 5 н. и 27 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам техники и может быть использовано для измерения вязкости жидких сред, в частности нефтепродуктов. Способ измерения вязкости жидких сред основан на измерении затухания колебаний чувствительного элемента, находящегося в анализируемой жидкости. При этом частота затухания колебаний рабочего вибрационного элемента сравнивается с частотой затухания колебаний вибрационного элемента, погруженного в эталонную жидкость с идентичными температурными показателями. Техническим результатом является повышение точности измерения вязкости испытуемых образцов. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, а именно к анализу физико-химических параметров металлических сплавов, в частности, на основе железа или никеля, путем фотометрического определения кинематической вязкости v, электросопротивления ρ и плотности d нагреваемого образца в зависимости от температуры. Изобретение может быть использовано в лабораторных исследованиях, на предприятиях металлургической промышленности, при выполнении лабораторных работ в вузах. Способ, при котором измеряют температурные зависимости параметров вязкости v, электросопротивления ρ и плотности d расплава в определенном диапазоне температур с получением значений параметров в виде электрических сигналов. При этом значения этих параметров расплава, полученных при одинаковых значениях температур, перемножают, получая значения мультипликативного параметра Mi , характеризующего расплав, запоминают его в качестве специфического параметра, затем снова измеряют значения вышеуказанных параметров того же или иного расплава, перемножают, получая значения мультипликативного параметра Mi+1, их тоже затем определяют разность значений ΔM мультипликативных параметров ΔM=Mi -Mi+1 которую сравнивают с ΔMпор. Устройство для исследования параметров расплава содержит комплекс блоков определения температурных зависимостей v, ρ и d расплава, имеющих выходы для вывода значений параметров. При этом в него введены соединенные последовательно перемножитель, запоминающее устройство и блок вычитания, каждый из n входов перемножителя соединен с соответствующим выходом одного из блоков определения параметров v, ρ и d расплава. Техническим результатом является обеспечение возможности определения мультипликативных значений температурных зависимостей свойств расплавов, упрощение сравнительной оценки этих значений, а также повышение достоверности и точности результатов измерений величины параметров расплава при изменениях температуры, расширение функциональных возможностей, упрощение и удешевление экспериментов.2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения вязкости текучей среды. Предложены измерительное электронное устройство (20) и способ получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре. Измерительное электронное устройство (20) содержит интерфейс (201), выполненный с возможностью обмена сообщениями, систему (204) хранения, выполненную с возможностью хранения заданной эталонной температуры (211), измеренной вязкости (214) текучей среды, измеренной температуры (215) текучей среды и данных (218) отношения температуры и вязкости, которые связывают температуру с вязкостью в заданном диапазоне температур текучей среды потока, и систему (203) обработки, соединенную с интерфейсом (201) и с системой (204) хранения. При этом система (203) обработки выполнена с возможностью получения измеренной температуры (215) текучей среды, получения измеренной вязкости (214) текучей среды и формирования вязкости (227) при эталонной температуре с использованием измеренной вязкости (214) текучей среды и данных (218) отношения температуры и вязкости, при этом сформированная вязкость (227) при эталонной температуре соответствует заданной эталонной температуре (211). Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх