ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 5, с. 718-723
УДК 669.154: 536.3
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ ОЛОВА,
СВИНЦА И ВИСМУТА
© 2004 г. К. Б. Панфилович, В. В. Сагадеев, И. Л. Голубева
Казанский государственный технологический университет Поступила в редакцию 04.12.2003г.
Абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты жидких сплавов висмут-свинец, висмут-олово и олово-свинец при различных температурах и концентрациях металлов. Погрешность измерений составила от ±5% до ±8%. Данные получены впервые.
ВВЕДЕНИЕ
В литературе имеются многочисленные данные по радиационным характеристикам металлов и сплавов в твердой фазе [1]. Тепловое излучение жидких сплавов металлов практически не исследовано. Известно несколько опубликованных работ, где приводятся измерения степеней черноты для сплавов никель-алюминий, железо-алюминий, кремния с железом, кобальтом и никелем [2-4].
Методы теоретических расчетов радиационных свойств жидких сплавов не разработаны. Не изучено влияние на тепловое излучение температуры, состава, структуры и строения сплавов, эффектов послеплавления.
В этой работе представлены результаты измерений нормальных интегральных степеней черноты бинарных сплавов висмут-свинец, висмут-олово и олово-свинец.
Техника эксперимента. Измерение теплового излучения сплавов проведено абсолютным радиационным методом. Основными элементами экспериментальной установки являлись радиометр, резистивный нагреватель с исследуемым веществом и модель черного тела (рис. 1), помещенные в вакуумную камеру размерами 250 х 450 х 350 мм, изготовленную из нержавеющей стали Х18Н10Т. В боковых стенках камеры имелись три окна диаметром 50 мм, выполненные из термостойкого стекла. Через окна производилась подсветка и осуществлялся визуальный контроль состояния поверхности исследуемого расплава. Радиометр, токовводы, заслонка, вводы проводов радиометра и термопар монтировались на крышке корпуса. Резистивный нагреватель изготовлялся из танталовой (вольфрамовой, молибденовой) ленты. В центре ее в небольшом углублении помещался исследуемый сплав (рис. 2а). Нагреватель крепился на охлаждаемых водой медных токовводах, которые были изолированы от крышки корпуса фторопластовыми кольцами. Резистивный нагре-
ватель питался от сварочного трансформатора током промышленной частоты. Плавное регулирование напряжения, подаваемого на сварочный трансформатор, производилось лабораторным автотрансформатором.
Источником равновесного излучения служила цилиндрическая модель черного тела (рис. 26), толщина стенки которой равнялась 0.3 мм. Характерные размеры модели: длина - 100 мм, диаметр - 30 мм. Внутри цилиндрической полости было установлено пять диафрагм. Диаметр наружной диафрагмы равен 10 мм. На донышке модели имелись концентрические канавки глубиной 1 мм с углом при вершине 55°. Степень черноты модели абсолютно черного тела по этим параметрам согласно [5, 6] составляла £0 = 0.99. Модель
4 2 3 8 1
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - корпус, 2 - нагреватель, 3 - исследуемый металл, 4 - радиометр, 5 - окно, 6 - термопара, 7 - охлаждаемые токовводы, 8 - подвижная заслонка, 9 - крышка.
при снятом резистивном нагревателе крепилась на тех же токовводах, нагрев ее осуществлялся электрическим током от того же сварочного трансформатора.
Поток инфракрасного излучения от модели черного тела и исследуемого сплава регистрировался радиометром прямого видения без фокусирующей оптики (рис. 2). В качестве чувствительного элемента использовался термостолбик, собранный из десяти хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно. Приемная площадка термостолбика была выполнена в виде звездочки и покрыта платиновой чернью. Холодные спаи термостолбика радиометра были прижаты к корпусу и изолированы от него кольцами из слюды. Корпус радиометра и диафрагмы термо-статировались водой из ультратермостата Й-10. Температура радиометра поддерживалась равной 293 К и контролировалась термометром Бекма-на. ЭДС, развиваемая термостолбиком, регистрировалась универсальным цифровым вольтметром В7-21 класса точности 0.05. Размер образца был примерно в полтора раза больше участка металла, с которого излучение попадало в радиометр. Поэтому при разных температурах и небольших неточностях настройки радиометр всегда "видел" образец.
Подвижная заслонка, установленная между радиометром и исследуемым расплавом, предназначалась для перекрытия "зрачка" радиометра между измерениями.
Экспериментальная ячейка вакуумировалась высоковакуумным диффузионным и форвакуум-ным механическим насосами. Возможный обратный поток паров рабочей жидкости из диффузионного насоса отсекался ловушкой. Измерение давления проводилось тепловым и ионизационным преобразователями.
При измерениях ячейка была заполнена аргоном с процентным содержанием не менее 99.99%. Аргон из баллона подавался в фильтры для очистки от возможных механических включений, влаги и масла. Фильтры заполнялись силикаге-лем или цеолитом с прокладками из фетра. В ходе работы фильтры периодически заменялись. Многократная откачка камеры и прогон инертного газа через нее перед началом плавления образцов способствовали очищению камеры от посторонних примесей. Давление газа в камере контролировалось по деформационному мановакуумметру класса точности 0.1. При градуировке и основных измерениях оно было одинаковым.
Температуры исследуемого сплава и модели черного тела в опытах измерялись термопарами. В зависимости от условий опыта могли использоваться хромель-копелевые (диаметр проводов 0.1 мм), хромель-алюмелевые (диаметр проводов 0.3 мм) или вольфрам-рениевые (диаметр прово-
Рис. 2. Схема основных (а) и градуировочных (б) измерений: 1 - лента резистивного нагревателя, 2 - расплавленный металл, 3 - термоэлемент радиометра, 4 - модель черного тела, 5 - экраны, 6 - термопара.
дов 0.3 мм) термопары. ЭДС, развиваемая термопарами, регистрировалась универсальным цифровым вольтметром В7-21 класса точности 0.05. Термопары закладывались в массу исследуемого сплава вблизи поверхности. Температура черного тела измерялась тремя термопарами. Две из них закреплялись на внешней стенке вдоль образующей цилиндра, третья термопара устанавливалась в пяте черного тела. Устранение градиента температур вдоль стенки модели осуществлялось экранированием обоих ее концов. В качестве температуры нагретого тела брались показания термопары, находящейся в пяте наведения.
Методика измерений. Сплавы необходимого состава готовились из чистых элементов, содержание основного компонента в которых составляло 99.99%. Излучение каждого сплава измерялось после его переплавки в вакууме и прогрева до максимальной температуры опыта. Этим достигалось обезгаживание образцов.
Каждое значение степени черноты рассчитывалось по результатам двух измерений теплообмена излучением между радиометром и моделью черного тела (градуировочный замер), а также исследуемым расплавом при одинаковых темпе-
Таблица 1. Параметр у(7) для меди
T, K еп an у
300 0.0218 0.0218 1
400 0.0233 0.0230 0.9950
500 0.0248 0.0232 0.9904
600 0.0283 0.0234 0.9889
700 0.0322 0.0238 0.9910
800 0.0354 0.0244 0.9938
900 0.0383 0.0256 0.9959
1000 0.0457 0.0263 0.9966
Таблица 2. Нормальные интегральные степени черноты сплава Bi-Pb
ратурах расплава и черного тела. Совместное решение уравнений теплообмена для этих измерений дает
1 -
а
ея = £оV —, где у а0
1 - -
T N4'
р
Здесь еп - нормальная интегральная степень черноты расплава; an - его интегральная погло-щательная способность для излучения радиометра; T - температура расплава и модели черного тела; Тр - температура радиометра; £0 - степень черноты модели черного тела; а и а0 - ЭДС, развиваемая термоприемником радиометра при первом и втором измерениях соответственно.
Формула для расчета интегральной нормальной степени черноты содержит поглощательную способность излучения радиометра при температуре Тр жидким металлом. При одинаковых температурах радиометра и металла в соответствии с законом Кирхгофа £n = an и у = 1. При температурах выше 1000 К параметр у также стремится к единице, так как резко уменьшается отношение (Tp/T)4.
Данные для жидких металлов по поглощению излучения черного тела отсутствуют. Поскольку температурные зависимости теплового излучения жидких и твердых металлов близки, оценку параметра у проведем на примере чистой полированной меди. Ее тепловое излучение нами измерено для твердой (поверхность полирована Ra = O.Ol) и жидкой фаз. Результаты измерений для твердой меди практически совпадают с рекомендуемыми в справочнике [1]. Поглощательную способность an для полированной меди найдем по приближенной формуле Эккерта [7], согласно которой по-глощательная способность излучения черного тела (температура Тр) металлом (температура T) равна степени черноты металла при температуре
JT р T. Эти значения an(T) = £n(V T р T) использовались для расчета параметра у (табл. 1).
T, K
0.801Bi
465.5
462.5
495.5
530
555
590
634
700
737
0.155 0.157 0.166 0.180 0.190 0.206 0.220 0.243 0.254
0.595Bi
396.1 0.127
444.8 0.140
488.3 0.152
530 0.163
562 0.180
590 0.190
634 0.206
700 0.223
746 0.240
0.510Bi
405.2 0.122 600 0.160
450 0.131 634 0.173
500 0.148 650 0.180
530 0.156 700 0.198
570 0.170 737 0.207
770 0.213
T, K еп
600 0.185
634 0.198
650 0.203
700 0.220
754 0.230
0.395Bi
440 0.110
462.5 0.120
494.5 0.130
530 0.145
579 0.160
600 0.175
634 0.187
700 0.210
737 0.220
760 0.225
0.195Bi
515.6 550 579 587
0.125 0.137 0.150 0.153
При температурах выше 500 К множитель у дает вклад в £п меньше 1%. Более точная оценка параметра у возможна, если будут известны величины ап. В расчетах интегральной нормальной степени черноты жидких металлов и сплавов принималось у = 1.
Погрешность измерений £п составляла от ±5% до ±8% в зависимости от температуры опыта.
Результаты измерений и обсуждение. Интегральные нормальные степени черноты сплавов (доли атомные) приведены в табл. 2-4.
Характер поведения степеней черноты и электрического сопротивления рассматриваемых в рабо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.