Метод капиллярного истечения

 

Cамый старый и традиционный метод вискозиметрии основан на законе Пуазейля

Вопреки установившемуся мнению лежащая в основе метода теория не до конца строга: необходимо введение ряда поправок, которые часто имеют неопределенный характер, поскольку связаны с особенностями течения исследуемой жидкости в капилляре и на выходе ее из резервуа­ра. При точных измерениях учитывают также неидеальность формы ка­пилляра, поверхностное натяжение жидкости и т.п. В общей сумме по­правки могут составлять до 20 % измеряемой величины вязкости, осо­бенно если последняя мала. Тем не менее, в силу абсолютности, просто­ты и удобства для обычных температур метод капиллярного истечения силами многочисленных исследователей доведен до высокой степени совершенства. Во многих странах эталонные вис­козиметры представлены именно капиллярными приборами. Но даже и для них погрешность определения вязкости оценивается небольшой величиной (до 0,3 %) лишь при исследовании маловязких жидкостей типа воды. Сравнение больших вязкостей с вязкостью воды (эталонной величиной) производится через ряд последовательных приборов и про­межуточных жидкостей, что приводит к возрастанию погрешности из­мерения на порядок и выше по мере увеличения вязкости жидкости.

Значительно хуже обстоит дело с применением капиллярного метода для изучения вязкости высокотемпературных расплавов. Как пока­зали многочисленные исследования, главные затруднения здесь чисто технические и определяются выбором материала для капилляра, его изготовлением, способом регистрации движения расплава в непрозрач­ном вискозиметре, оседанием на его стенках нерастворимой примеси, разъеданием стенок капилляра и т.д. Поэтому в настоящее время применение метода капиллярного истечения для измерений вязкости расплавов при высоких температурах ограниченно.

Для измерения вязкости шлаков и стекол этот ме­тод чаще всего используют в модификации, заключающейся в вытя­гивании шарика из расплава под действием определенной нагрузки. Специфическими недостатками варианта являются необходимость уче­та влияния сил поверхностного натяжения, действующих на нить, к которой прикреплен шарик, а также возможности налипания на нее застывающего расплава.

Ротационные методы

 

Они основаны на законе те­чения жидкости, находящейся в зазоре между двумя соосными телами (цилиндрами, конусами, сферами, их сочетаниями), причем одно из тел (ротор) вращается, а другое неподвижно. Вязкость определяют по измеренному крутящему моменту при заданной угловой скорости (вариант Маргулеса—Куэтта, 1881—1890) или по угловой скорости при заданном крутящем моменте (вариант Сирля, 1912). Так, в предположении, что между соосными цилиндрами находится ламинарный поток, вязкость рассчитывают по уравнению Навье (1823):

Ротационный метод, или, как его еще называют, метод коаксиаль­ных (концентрических) цилиндров, получил чрезвычайно широкое рас­пространение в науке и технике. В высокотемпературной вискозимет­рии, особенно для шлаков и стекол, он также пользуется вниманием, несмотря на то, что в этом случае весьма затруднительно выполнить одно из основных требований теории метода — обеспечить высокую соосность поверхностей при незначительной величине зазора между ними, необхо­димого для соблюдения условия однородности поля напряжения сдвига деформируемой жидкости. Это более всего касается разновидности ме­тода, в котором погружаемое в расплав неподвижное тело закрепля­ется на упругой нити и не имеет жесткости в горизонтальной плоскости.

Малая вязкость металлических и некоторых шлаковых расплавов и, следовательно, небольшой по величине вращающий момент, который должен быть передан от одного цилиндра к другому, ощутимая и непостоянная по величине сила трения в подшипниках вискозиметра огра­ничивают по нижнему пределу измерений вязкости возможности этого метода. Общая его погрешность при нормальных температурах оценивается обычно
 в 3—5 %, при температурах стале­плавильных процессов она будет значительно больше.

Методы крутильных колебаний

 

Метод крутильных колебаний тела вращения в жидкости основывается на решении внешней гидродинамической задачи. Для расчета вязкости на основании ряда теоретических допущений, из­мерения логарифмического декремента затухания крутильных свобод­ных колебаний тела вращения в жидкости и обмера его используют громоздкие формулы, полученные для диска Мейером (1861) и для шара Вершаффельтом (1915), в которые необходимо вводить крае­вые поправки.

Метод крутильных колебаний шара, несмотря на сложность матема­тической обработки, неоднократно применяли для определения вязкос­ти стали, чугуна, алюминия, олова и других металлов. Полученные дан­ные в ряде случаев не были позднее подтверждены другими методами. В работе дан анализ источников экспериментальных ошибок и оце­нены возможности рассматриваемого метода. Основной источник погрешностей усматривается в том, что на колебания тела, подвешенного на проволоке, поверхностная пленка металла оказывает трудно учитываемое тормозящее воздействие. Кроме того, чтобы быть подвешенным на проволоке, шар должен тонуть в исследуемой жидкости. Этого не всегда можно достигнуть без применения дополнительной нагрузки в не погруженной части колебательной системы. При повышении же центра тяжести система подвержена прецессионным движениям, динамической неус­тойчивости, что ведет к искаженным значениям декремента затухания. По этим причинам в настоящее время этот метод почти не применяют в вискозиметрии металлургических расплавов.

Метод крутильных колебаний сосуда с жидкостью основан на решении внутренней гидродинамической задачи. Для цилиндрического стаканчика, заполненного жидкостью и совершающего затухающие кру­тильные колебания вокруг своей оси, решение дано Мейером (1891) и более строго и корректно Швидковским (1944—1953), а также Роско (1958). Для сферы с жидкостью задачу впервые решил Вер-шаффельт (1915), а более подробно и строго решили Андраде (1936— 1952) и Роско. Оказалось, что измеряемая в методе величина — лога­рифмический декремент затухания — в зависимости от величины вяз­кости исследуемой жидкости изменяется неоднозначным образом: при больших вязкостях он сначала возрастает, с уменьшением вязкости и, пройдя через максимум, при дальнейшем уменьшении вязкости падает. Чувствительность метода к изменению вязкости в области максимума логарифмического декремента резко снижается. Поэтому решение гид­родинамической задачи дается отдельно для сильно-, средне- и слабо­вязких жидкостей.

В случае колебаний шара расчетная формула сравнительно несложна. Но из-за технических трудностей реализации требований теории (изго­товление геометрически правильной шаровой поверхности определенно­го внутреннего диаметра, который в расчетную формулу входит в треть­ей степени, обеспечение возможности свободного расширения расплава при изменении температуры и т.п.) сегодня эта разновидность метода для экспериментальной металлургии представляет лишь исторический интерес.

Технологичнее и проще в отношении реализации при высоких темпе­ратурах разновидность метода затухающих крутильных колебаний ци­линдрического сосуда (стаканчика). За последние десятилетия с его помощью выполнено подавляющее число исследований кинематической вязкости расплавленных металлов. Методу посвящены специальные монографии, поэтому не будем на нем останавливаться. Отме­тим лишь, что общепринятая оценка его погрешности в 3 — 5 %, а тем более в 1 %, по-видимому, излишне оптимистична. С помощью мо­делирования на ЭВМ авторы работы показали, что даже для идеаль­ного вискозиметра рассматриваемого типа, полностью отвечающего симметрии гидродинамической задачи, ошибка в измерении v существен­но зависит от ее абсолютной величины и может составлять от 6 до 10 % в интервале v = 10^-6 –10^-4 м²/с. В реальных условиях измерения всег­да сопровождают побочные процессы (взаимодействие расплава с мате­риалом тигля и газовой фазой, выделение газовых пузырьков из распла­ва, часть из которых покрывает внутреннюю поверхность тигля, всплывание неметаллических включений, нецилиндричность и децентровка тигля и т.п.), приводящие к нарушению симметрии гидродинамической задачи. При этом ошибка эксперимента возрастает до 20 — 30 %.

Метод поступательных колебаний тела в жидкости (вибрационный ме­тод) основан на решении внешней гидродинамической задачи, восходящем к Стоксу (1850) и Буссинеску (1878). Как метод виско­зиметрии оформился после работ Вудворда (1952), Лескова и Шев­ченко (1956), заслуги в его развитии принадлежат советским уче­ным: Росину (1960-1966), Соловьеву и Каплуну (1970), Крутину (1973,1985). Суть метода состоит в нахождении функцио­нальной связи между вязкостью и плотностью жидкости и измеряемыми параметрами поступательных колебаний погруженного в нее тела. При завлекающей внешней простоте устройств для реализации метода мате­матически установить эту связь совсем не простое дело, тем более что в большинстве случаев требуется введение граничных условий. По чувст­вительности же к измеряемой величине вязкости вибрационный метод в принципе вне конкуренции. Другие достоинства: широкий диапазон измеряемых с помощью одного и того же устройства вязкостей (10^-3 - 10³ Пас), возможность проведения измерений при самых высоких температурах и повышенных давлениях. И, кроме того, вибрационный метод, пожалуй, как никакой другой, поддается автоматизации.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В работе была подробно рассмотрена технология литья под давлением. Преимущества и недостатки данного способа.

Так же данной работе были рассмотрены различные аспекты, связанные с пьезоэлектрическими и тензометрическими датчиками – назначение, принцип работы, типы, производство. Были рассмотрены способы измерения вязкости металлургических расплавов с использованием нескольких методов.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Спектроскопические системы [Электронный ресурс], ­­электрон. дан. и прогр. – М: 2010, Режим доступа: https://studfile.net/preview/1731863/page:28/, свободный ­­– Загл. С экрана.

2. Степанов Ю.А., Баландин Г.Ф., Рыбкин В.А. и др. Технология литейногопроизводства: специальные виды литья / под ред. Ю.А. Степанова. – М.: Машиностроение, 1983. – 221 с.

3. Гини Э.Ч., Зарубин А.М., Рыбкин В.А. Технология литейного производства: Специальные виды литья / под ред. В.А. Рыбкина. – М.: Академия, 2005. – 352 с.

4. Файловый архив студентов [Электронный ресурс], ­­электрон. дан. и прогр. – СПб: 2013, Режим доступа: https://studwood.ru/1105805/matematika_himiya_fizika/metody_izmereniya_vyazkosti_metallurgicheskih_rasplavov, свободный – Загл. С экрана.

5. Надежные средства испытаний и контроля [Электронный ресурс], ­­электрон. дан. и прогр. – М: 2015, режим доступа: https://el-scada.ru/davlenie/dinamicheskoe-davlenie/quartz/, свободный – Загл. С экрана.

6. Электронная библиотека [Электронный ресурс]: 2020, режим доступа: https://ru.wikipedia.org/тензометрический датчик свободный – Загл. С экрана.