энтальпия и электросопротивление меди и ее сплавов при
advertisement
ЭНТАЛЬПИЯ И ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ ПРИ НАГРЕВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ Канаев А.Т. д.т.н. Шайхитдинов А.Х., к.т.н. ЕНУ им. Л.Н. Гумилева Введение Прогресс во многих областях значениями введенной энергий, науки и техники, особенно, технологий недоступных для стационарных условий; практически невозможно без во-вторых, удается выявлять те свойства необходимых справочных данных, металла, которые заметны только при используемых при постановке задач для быстропротекающих процессах и не исследований, проектирования и могут быть обнаружены в стационарном эксплуатации материалов и изделий. Это режиме. в большей мере относится и к Для развития теории жидких материаловедению, где основными металлов большое теоретическое справочными данными являются значение имеют экспериментальные свойства материалов. исследования теплофизических свойств Исследования теплофизических металлических материалов в области свойств металлических материалов путем высоких температур и высоких использования методов импульсного импульсных давлений. Новые данные по нагревания электрическим током теплофизическим свойствам металлов и 6 7 2 большой плотности ( j = 10 – 10 А/см ) сплавов в этой малоизученной области позволяют получать новые научные важны для развития теории данные в двух направлениях: во-первых, конденсированного состояния, в том можно получить характеристики числе теории жидких металлов и сплавов. состояния материала с большими Материалы и методика исследований В данной работе измерение потерями, а также загрязнением металла электросопротивления меди и ее сплавов вследствие взаимодействия с с цинком проводили на проволочных окружающей средой. Кроме того, образцах в процессе их импульсного расплавившийся проводник во время нагревания электрическим током эксперимента не успевает изменить свою большой плотности [1]. Использовали первоначальную форму, поэтому можно проволоку диаметром 2а =0,1 – 0,2 мм, обходиться без тигля, что важно, плотность тока в импульсе составляла j = поскольку при высокой температуре i/ πа2 = 1*106 -5*106 А / см2 при жидкие металлы активно -4 -5 длительности τ = 10 – 10 с. За счет взаимодействуют с его стенками [2, 3]. быстрого введения джоулева тепла W и Преимуществом импульсной малой длительности эксперимента методики является также однородность исключаются трудности, характерные нагревания исследуемого образца. При для высокотемпературных измерений в импульсном нагреве результаты, стационарных условиях. Так, можно полученные для образца в целом, можно пренебречь испарением с поверхности отнести к его массе. Для проволок проводников и всеми тепловыми диаметром 2а = 0,05–0,2мм однородный нагрев в широком интервале температур жидкого состояния соблюдается при плотности тока j = 5*106 -1*107 А / см2. Для исследования материала в твердом состоянии плотность тока может быть значительно меньше, поскольку не растекается и требуется обеспечить потери энергии. На рисунке 1 приведена получения импульсного тока металл только схема І ( t). Рисунок 1 - Схема получения импульсного тока С1 – конденсатор; R1, R2 – балластные сопротивления; FV1, FV2 –разрядники; R3 – сопротивление проводника; R4 – эталонное сопротивление; PS1, PS2 – осциллографы. Импульс нагревающего тока создавался при разряде батареи, зараженной до высокого напряжения конденсаторов через балластные сопротивления и эталонное R (t ) = t* VR (t) / Vr (t); сопротивление r, включаемое последовательно с образцом. Во время эксперимента записывали осциллограммы напряжения VR (t) на проволоке и Vr (t) на эталонном сопротивлении r (осциллограмма тока). Осциллограммами измеряли сопротивление R проволоки в различные моменты времени t и поступившееся в нее джоулево тепло W. W (t ) = 1/ r j0t VR Vr dt Если исключить время t, то по этим данным можно найти зависимость R от W . Теплоту плавления материала определяли из условия ΔW =1/ r jt1t2 VR Vr dt, где t1 и t2 моменты начала и окончания плавления проволоки, фиксированные по точкам перегиба осциллограммы VR (t), которые появляются вследствие соответствующих изменений зависимости R от t. Следует отметить, что для проволочного датчика массой М введенная удельная энергия ω (t) = W (t)/М (джоулево тепло) идет на увеличение внутренней энергии и работу расширения при неизменном внешнем давлении (1 атм.). Таким образом, в данном эксперименте в отсутствии тепловых потерь удельная энергия ω фактически равна энтальпии металла, отсчитываемой от уровня комнатных температур: Н – Н293 . Поскольку при быстром нагревании процессы диффузии в металлах и сплавах могут не завершиться, то величины R и W, найденные импульсным методом, будут отличаться от соответствующих результатов стационарных экспериментов. Поэтому результаты импульсных измерений R и W следует проконтролировать по результатам надежных стационарных измерений. Такой контроль нами проведены на примере меди, латуней Л80 иЛ68, бронзы Бр.ОЦ 4-3, литературные данные о свойствах которых приведены в [ 5 ]. Основные результаты исследований. В таблице 1 приведены энтальпия и теплота плавления меди и ее сплавов, полученные импульсной методикой. Таблица 1 - Экспериментальные данные об энтальпии и теплоте плавления проводниковой меди, латуней и бронз № об разца 1 Сплав ρ0*108 Ом*м ρтв Ом*м Нтв– Н293 кДж/кг ρж*108 Ом*м Нж– Н293 кДж/кг ΔН, кДж/кг Cu 1,76 10,3 498 19,9 703 205 2 Л80 5,32 15,0 452 29,7 648 196 3 Л68 6,26 16,7 427 36,1 610 183 4 Л63 6,55 17,1 410 39,0 600 190 5 Бр. ОЦ 4 -3 8,10 17,0 450 28,9 653 203 6 Бр. Б2 10,50 20,0 435 36,5 624 189 7 16,70 25,7 420 38,5 600 180 8 Бр. ОФ 6.50,15 Бр. КМц 3 – 1 31,0 38,1 430 55,2 630 200 9 МНМц 3- 12 49,0 46,2 438 48,7 621 183 10 БрХ 0,4 1,80 10,9 518 20,3 728 210 11 БрХ 0,4 – 0,13 1,76 10,8 473 20,3 693 - Обсуждение полученных данных. По данным Фарбмана С.А [4] и Зиновьева [5] Нтв – Н293 жидкой меди составляет: Нтв – Н293 = 506 кДж/кг [4] , 463 кДж/кг [5], Нж – Н293 = 716 кДж/кг [4], 670 кДж/кг [5], Отсюда теплота плавления меди может быть получена как разность этих величин: Н = 210 кДж/кг, 237 кДж/кг. Прямые измерения энтальпии жидкой меди в точке плавления в стационарных условиях нагревания дают Нж – Н293 = 675 кДж/кг. В этих работах применялась незначительная экстраполяция данных (от 40 до 20К) к температуре плавления. Для энтальпии твердой меди в точке плавления независимые измерения проведены в работе [5]. Нтв – Н293 = 472 кДж/кг погрешность этих измерений составляет ± 0,8 %. Теплота плавления Нпл. в стационарных условиях нагревания получена как разность энтальпии для твердой и жидкой фаз в точке плавления Нпл = 203 ± 2,2 кДж/кг. Существенным отличием импульсной методики от стационарных измерений является то, что в импульсном процессе нагревания теплота плавления Нпл измерялась независимо от величин энтальпии твердой и жидкой фаз в точке плавления. Если считать наиболее достоверными результатами стационарных измерений данные из работы [5], как выполненные в более позднее время для жидкого и твердого состояний, то отличие от них результатов импульсного опыта составляет 5% для Нтв – Н293 ; 4 % для Нж – Н293 и 2 % для Н пл. С учетом погрешностей измерений сопоставляемых величин можно утверждать, что данные импульсных и стационарных опытов практически совпадают. Оценка погрешности измерений энтальпии Н – Н293 в данной работе составляет + 5 %, электросопротивления + 3 %. Сопоставление значений Нж – Н293 в точке плавления сплавов, полученных в данной работе, с литературными данными показывает удовлетворительное соответствие величин энтальпии для широкого интервала температур. Таким образом, имеющиеся в литературе данные для отдельных точек соответствует величинам энтальпий зависимости Н – Н293 изменения энтальпии меди и сплавов на ее основе. Ранее [6] было отмечено падение электросопротивления латуни Л63 сразу после расплавления. При плавке латуней в индукционных печах канального типа это может привести к распределению тока по сечению канала, вызывая неоднородное нагревание расплава и цинковую пульсацию. Цинковая пульсация, заключающаяся во временном прекращении нагревающего расплав тока, снижает производительность печи и стойкость футеровки. Падение электросопротивления латуни Л63 с увеличением энтальпии объясняется тем, что происходит перераспределение тока по сечению проводника, вследствие чего в более нагретых участках расплава, характеризующихся более низким значением электросопротивления, выделяется большая мощность. Это способствует еще более интенсивному повышению температуры этих участков и увеличению парообразования цинка, а следовательно, закупориванию канала и прерыванию цепи тока в канале. Поэтому перераспределение тока по сечению канала и неоднородное нагревание расплава за счет падающего электросопротивления может играть важную роль в возникновении цинковой пульсации для сплавов с большим содержанием цинка, в частности, для латуни марки Л63. Согласно современным представлениям цинковой пульсации дается следующее объяснение. Температура кипения цинка составляет 9110С, при плавке латуней температура в печи достигает свыше 10000 С. Это вызывает испарение цинка в канале печи. При этом образующиеся пары цинка, поднимаясь в шахту и соприкасаясь в ней с холодными массами металла, конденсируются в жидкую ванну. Когда металл нагрет свыше 10000С конденсация паров цинка прекращается и в канале начинают образовываться пузырьки паров цинка, которые увеличиваясь в объеме, закупоривают канал и прерывают цепь тока в канале печи. Прекращение тока в канале вызывает временное понижение температуры, возобновление конденсации паров цинка, как следствие восстановление цепи тока. Циркуляция тока снова поднимает температуру в канале, а испарение цинка опять вызовет закупорку канала и прекращение тока до момента нового повторения процесса. Цинковая пульсация отрицательно сказывается не только на производительности печи, но и на окислении отливок и их качестве. Парообразование цинка ведет к увеличению газ насыщенности отливок и тем самым понижению их механических свойств. Кроме того, пары цинка легко проникают в толщу футеровки печи, химически реагируют с ее составными Заключение 1. Показано, что за счет быстрого введения джоулева тепла и малой длительности всего эксперимента исключаются большие трудности, характерные для высокотемпературных измерений в стационарных условиях. В частности, можно пренебречь испарением с поверхности проводника и всеми потерями, а также загрязнением металла вследствие взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, расплавившийся проводник за время эксперимента не успевает изменить свою первоначальную форму, поэтому можно обходиться без тигля, что важно, поскольку при высокой температуре жидкие металлы активно взаимодействуют с его стенками. 2. Существенным отличием импульсной методики от стационарных измерений является то, что в импульсном процессе нагревания теплота плавления частями и таким образом снижают ее стойкость. Эти особенности цинка необходимо учитывать при плавке цинкосодержащих сплавов и подборе огнеупорных материалов для изготовления футеровок печей. Как показывает практика, это является наиболее частой причиной выхода электроплавильных печей из строя. Нпл измерялась независимо от величин энтальпии твердой и жидкой фаз в точке плавления. Сопоставление значений Нж – Н293 в точке плавления сплавов, полученных в данной работе, с литературными данными показывает удовлетворительное соответствие величин энтальпии для широкого интервала температур. 3. Падение электро-сопротивления латуни Л63 с увеличением энтальпии объясняется тем, что происходит перераспределение тока по сечению проводника, вследствие чего в более нагретых участках расплава, характеризующихся более низким значением электросопротивления, выделяется большая мощность. Это способствует еще более интенсивному повышению температуры этих участков и увеличению парообразования цинка. Литература 1. Канаев Н.А., Лебедев С, В., Савватимский А.И. Металлы, Известия АН СССР, 1989, № 3, стр.48- 55 2. Канаев Н.А., Лебедев С.В., Канаев А.Т. Известив высших учебных заведений, серия «Черная металлургия» , 1998, № 2, стр.36-39 3. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С. Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов, Москва, Металлургия, 1990, 319 с. 4. Фарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Москва, Металлургия, 1988, 703с. 5. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах, Москва, Металлургия, 1989, 384с. 6. Канаев А.Т., Шайхитдиноа А.Х., Канаев Н.А. Исследование зависимости электросопротивления меди и ее сплавов. Materialy V Miedzynarodowej naukowipraktycznej konferencji «Naukowa Mysl infornacyjnego wieku- 2010», Przemysi Nauka I studia, 2010, str.32-36 Түйін Үлкен тығыздықты электр тоғымен импульсті қыздыру арқылы мыс және оның негізіндегі қортпалардың (түрлі маркалы жездер мен қолалар) қатты және сұйық жағдайдағы электркедергісінің энтальпияның өсуіне байланысты өзгеруі зерттелген. Л63 маркалы жезде энтальпияның өсуіне байланысты электркедергісінің сұйық күйінде төмендеуі байқалған. Бұл тоқтың бөлініп соғуына және сұйық қортпаның біркелкі қыздырылмауына әкеліп соғады. Осындай жағдайда мырыштың буға айналуы және мырыш пульсациясы пайда болып, оның әсерінен пештің өнімділігін төмендетіп және оның футеровкасының (қалыпының) тозуын жиілетіп, тұрақтылығын кемітеді. Summary Research of heat-transfer properties of copp ander it s alloy in solid and liquid states. Heat transfer properties of copper and it s alloy in solid and liquid states were investigated using the method of pulse heating by high density electric current. For L63 brass drop of electrical resistance with rise of enthalpy in liquid state is detected. It causes current redistribution on section and inhomogeneous heating melt/Then it causes strong vaporization of zinc and zinc pulsation, which decrease furnace performance and furnace life. Heat transfer properties of copper and it s alloy in solid and liquid states were investigated using the method of pulse heating by high density electric current.
