Технические науки/5. Энергетика

Канаев А.А., Шайхитдинов А.Х., Канаев А.Т., Байбосынова Л.А.

Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Казахстан

Исследование теплофизических свойств меди и ее сплавов в твердом и жидком состояниях

Данная статья является продолжением исследований авторов указанных в [6]. Использовалась та же методика что и в работе [6].

Для развития теории жидких металлов большое теоретическое значение имеют экспериментальные исследования теплофизических свойств металлических материалов в области высоких температур и высоких импульсных давлений. Измерение введенной энергии и электросопротивления сплавов проводили на проволочных образцах в процессе их импульсного нагревания электрическим током большой плотности. Использовали проволоку диаметром 2а =0,1 – 0,2 мм, плотность тока в импульсе составляла j = i/ πа² = 1*10⁶ -5*10⁶ А / см² при длительности τ = 10^-4 – 10^-5с. За счет быстрого введения джоулева тепла W и малой длительности эксперимента исключаются трудности, характерные для высокотемпературных измерений в стационарных условиях. Так можно пренебречь испарением с поверхности проводника и всеми тепловыми потерями, а также загрязнением металла вследствие взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, расплавившийся проводник во 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 [1].

Преимуществом импульсной методики является однородность нагревания исследуемого образца. При импульсном нагреве результаты, полученные для образца в целом, можно отнести к его массе. Для проволок диаметром 2а =0,05 – 0,2 мм 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 j может быть значительно меньше, поскольку металл не растекается и требуется только обеспечить возможность пренебречь потерями энергии.

Рисунок 1. Схема получения импульсного тока І ( t ).

C1 – 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 сопротивление r, включаемое последовательно с образцом. Во время эксперимента записывали осциллограммы напряжения V_R (t) на проволоке и V_r (t) на эталонном сопротивлении r (осциллограмма тока). Осциллографами измеряли сопротивление R проволоки в различные моменты времени t и поступившееся в нее джоулево тепло W.

R (t) = V_R (t) / V_r (t); W (t) = 1/ r j₀^t V_R V_r dt

Если исключить время t, то по этим данным можно найти зависимость R от W . Теплоту плавления материала определяли из условия ΔW =1/ r j_t1^t2 V_R V_r dt, где t₁ и t₂ моменты начала и окончания плавления проволоки, фиксированные по точкам перегиба осциллограммы V_R (t), появляющиеся 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, возможно, что 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 проводили для меди, латуней Л80, Л68, Л63 и некоторых марок бронз. Температуры ликвидуса, солидуса, разливки и плотность при комнатной температуре приведены по данным [1-4].

В таблице 1 приведены теплофизические свойства меди, латуней и бронз

Таблица 1

№	Сплав	Тс, К	Тл, К	ΔТ, К	Тр, К	Нт-Н293 кДж/кг при Тр	ρж10^8 ом м	γж кг/м^3	γ кг/м^3 при 20 ^0С	Ср Дж/кгК
1	Cu	1356	1356	-	1473	778	21,0	8300	8900	544
2	Л80	1238	1273	35	1433	714	33,0	8100	8660	476
3	Л68	1182	1211	29	1413	698	38,5	8000	8500	475
4	Л63	1173	1183	10	1373	-	40,0	7800	8500	471
5	БрОЦ4-3	-	1318	-	1553	757	35,0	8000	8800	476
6	Бр Б2	1137	1228	91	1433	-	-	-	8200	-
7	БрОФ 6,5-0,15	-	1268	-	1433	-	-	-	8800	-
8	Бр КМц 3-1	1243	1298	55	1373	-	-	-	8470	-
9	МНМц 3-12	1233	1283	50	1443	-	-	-	8400	-

Обозначения: Т_с, Т_л, Т_р – температуры солидуса, ликвидуса и разливки; С_р – теплоемкость жидких металлов; ρ_ж, γ_ж – электросопротивление и плотность в жидком состоянии. Существенным отличием импульсной методики от стационарных измерений является то, что в импульсном процессе нагревания теплота плавления Н_пл 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 Н_тв – Н₂₉₃; 4 % для Н_ж – 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 Н_ж – Н₂₉₃ в точке плавления сплавов, полученных в настоящей работе, с литературными данными показывает удовлетворительное соответствие величин энтальпии для широкого интервала температур. Учитывая энтальпию жидкой латуни Л80 (714 кДж/кг) при Т_р (1433К) и ее теплоемкость (табл.1), получаем для точки плавления Н_ж – Н₂₉₃ = 638 кДж/кг. В данной работе получено 648 кДж/кг. Аналогичные данные для других сплавов дают: для латуни Л68 Н_ж – Н₂₉₃ = 602 кДж/кг, в данной работе 610 кДж/кг; для бронзы БрОЦ4-3 Н_ж – Н₂₉₃ = 645 кДж/кг, в данной работе 653 Н_ж – Н₂₉₃ = 638 кДж/кг.

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, 319с.

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., Шайхитдинов А.Х., Канаев Н.А., Байбосынова Л.А. Исследование  зависимости  электросопротивления меди и ее сплавов от энтальпии в твердом и жидком состояниях. Сборник научных трудов конференции «Научная мысль информационного века», Польша, 2010 г.