ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

Общеизвестен способ определения смачиваемости формовочных и огнеупорных оксидных материалов методом лежачей капли по краевому углу, получаемому по фотографии ее профиля на подложке из анализируемого вещества. Однако в условиях окислительной атмосферы, имеющей место в реальной литейной форме, определить краевой угол капли жидкой стали сложно или совсем невозможно из-за закрытия контактной зоны ее жидкими продуктами реакции оксидов металла и материала подложки.

Ранее Я. И. Френкель, а затем Ю. В. Найдич предположили возможность определения краевого угла смачивания по углу скатывания расплавленной капли металла при наклоне подложки.

Это предположение было положено в основу разработки метода определения степени смачивания оксидных материалов жидкой сталью в условиях окислительной атмосферы.

Сила адгезионного сцепления жидкой стали с подложкой из оксидных материалов характеризуется критическим угломaнаклона последней, при котором капля расплава радиусом и массой скатывается по поверхности подложки. Для определения характера смачиваемости использовали известное соотношение краевого угла и работы адгезии по уравнению:

(1+cosq), (1)

где - поверхностное натяжение жидкости с газом;

q- краевой угол смачивания жидкости на подложке, вычисляемый, какq= 180 ⁰ -a.

Определив работу адгезии расплава к подложке и используя известное соотношение работы с углом краевого смачивания, можно определить характер смачивания расплава для конкретных условий.

Исследование проводят методом наблюдения, фотографирования и измерения краевого угла капель расплавленных металлов в нагревательной зоне печи через высокотемпературный микроскоп с фотокамерной насадкой.

На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки: 1 - печь с кварцевой герметизированной трубкой; 2 - опоры поворотного механизма печи; 3 - насадка высокотемпературного микроскопа; 4 - роликовые механизмы поворота печи по горизонтальной оси; 5 - отводные трубки для подвода регулируемого газа; 6 - подложка из опытных материалов; 7 - термопара с самопишущим потенциометром; 8 - капля жидкого металла. 9 - кварцевые опорные пластины, закрепленные в печи в зоне максимальной температуры нагрева

Работа на установке проводится следующим образом. В герметизированной кварцевой трубке печи 1 с рениевыми нагревательными элементами закреплена кварцевая пластина 9, на которой размещается подложка 6 из опытных формовочных или огнеупорных материалов. На подложке перед началом опыта располагается металлический образец 8 для образования капли расплавленного металла в процессе нагрева. После расплавления капли металла печь вместе с кварцевой трубкой поворачивается на роликах 4 и поворотной опоре 2 вокруг горизонтальной оси до момента, когда капля расплавленного металла начнет скатываться с подложки. При этом контролируется температура в зоне капли с помощью платинородиевой термопары 7 типа ТПП-1 с максимальной температурой длительного измерения до 1600 ⁰С и кратковременным измерением до 1680 ⁰С.

Угол вращения печи с трубкой замеряют по делениям угломера с точностью до 0,1 ⁰. Для изменения характера атмосферы в зоне кварцевой герметизированной трубки использовали газоотводные трубки 5. Визуальное наблюдение за состоянием капли металла проводили через прозрачные кварцевые стекла и отверстия в печи, показанные на схеме стрелками. Фотографирование расплавленной капли в печи проводили с помощью высокотемпературного микроскопа с удлиненной фокусной осью, как в горизонтальной плоскости, так и сверху через отверстия в кожухе печи.

Опыты проводятся следующим образом. Подложки из формовочных материалов в виде прессованных таблеток диаметром 20 мм и высотой 8 мм закрепляют на кварцевой пластине. На подложку размещается металлический образец массой около 2 г. Кварцевую трубку герметизируют кварцевыми пластинами и запаивают силикатным термостойким клеем. С помощью отводных трубок кварцевую трубку очищают от воздуха и заполняют ее аргоном, предварительно очищенным прогоном через нагретую медную стружку. Согласно плану экспериментов в процессе опытов в трубку подают любой экспериментальный образец. Затем включают нагреватель печи и доводят температуру до заданного значения, при котором металлический образец расплавлялся. После расплавления металлического образца печь вращают вокруг горизонтальной оси и наблюдают за каплей через кварцевое стекло со стороны фотонасадки 3. В момент скатывания капли вращение печи прекращают и по угломеру замеряют угол поворота печиa, при котором произошло скатывание капли металла.

Диаметр расплавленной капли в плане измеряется непосредственно в кварцевой трубке с помощью микроскопа через его светофильтровые стекла. Профиль расплавленной капли металлического образца фотографируется и измеряется также с помощью светофильтрового высокотемпературного микроскопа. Диаметр капли металлического образца измеряют также после охлаждения и извлечения его из печи по поперечным шлифам.

Краевой уголqизмеряется как в расплавленном, так и в холодном состоянии по профилю капли, схема которой представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема измерения краевого угла смачивания по профилю капли:

1 и 2 - граничные точки контактов капли с подложкой;

3 - произвольная точка на поверхности капли для соединения хордами с контактными точками;

0 - точка пересечений перпендикуляров к хордам - точка радиуса сферы капли.

На установке можно измерять смачиваемость любых материалов и на образцах из любых металлов при высоких температурах в разных газовых средах.