Способ определения режима массопереноса в жидкометаллическом расплаве

Способ определения режима массопереноса в жидкометаллическом расплаве

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

П ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

Союз Советских

Социалистических

Республик

О (!!2 (э() ®

К АВТОРСКОМУ СВИДИТ1".ЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ay— (22) Заявлено 22.01.76 (21) 231987 1 /25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет (43) Опубликовано 25.05.78. Бюллетень № 19 (45) Дата опубликования описания 05.05.78 (51) И. Кл.

G 01 N 27/48

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам нзооретений и открытий (53} УДК 543.253 (088.8) (.72) Авторы изобрЕтения С. Jl. Гольдштейн, С. П. Распопин, В. Д. Селезнев, В. Л. Сергеев и В. А. Федоров (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕИИЯ РЕЖИМА МАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОМ

РАСПЛАВ Е

Изобретение касается измерения электрических величин, точнее измерения диффузионных токов.

Определение диффузионных характеристик жидких металлических расплавов является одной из сложных проблем. Основная трудность, возникающая при проведении подобного рода исследований, заключается в устранении или, во всяком случае, подавлении конвектнвного массопареноса. В самом общем виде эта задача состоит в создании контролируемых гидродинамических устювий, при которых скорости подвода и отвода частиц остаются неизменными. Указанная проблема актуальна, например в ядерной технике, при использовании жидкометаллических теплоносителей, в электрометаллургии цветных и редких метал-1 лов с жидкометаллическими электродами и тд.

Однозначное установление режима массопереноса в жидком металле дает возможность пользоваться соответствующим. теоретико. математическим аппаратом, а, следовательно, является основой проектно- технологических и конструкционных ре

llRHH B.

Известен способ определения режима массопереноса в жидкометаллической фазе методом "капилляр-резервуар". Способ сводится к следующему. Пос- ле заданного времени диффузии интересующего компонента в расплавленном металле проводят послойный анализ и судят о механизме диффузии на основании характера распределения концентрации диффузанта по длине капилляра 111.

Известен также способ определения режима массопереноса в жидкометаллнческом расллаве путем измерения диффузионного тока электроактивного компонента (21. Способ включает следующие приемы. Реализуют амальгамный электрод, капающий из капилляра определенного диаметра, фиксируют зависимость диффузионного тока от тюдаваемого напряжения и концентрации электроактивного компонента, после чего определяют режим массопереноса путем расшифровки полученной зависимости "ток-напряжение".

Способу- нрототипу свойственны существенные недостатки, заключающиеся в сложности реализации высокотемпературного капающего электрода и невозможности одюзначно установить размер капли, соответствующий преимущественно молекулярному, конвективному или смешанному режимам диффузии.

11ель изобретения — повьпнение точности и упрощение процесса определения размера киши б08088 — о (2) 4О

«х = 20 (4) 55

60 жидкометаллического расплава, характеризующего требуемый режим массопереноса.

Для этого в предлагаемом способе на капли жидкого металлического расплава одинакового состава, но различной величины в потенциосгатичес. ких условиях, подают заданный потенциал, не превышающий потенциал избирательной ионизация электроактнвного компонента и фиксируют время

or начала электролиза до наступления установившегося режима затухания тока.

На фиг. 1 и 2 изображены графики (а, б, в) способа определения режима массопереноса в капле жидкого металлического расплава измерением диффузионного тока.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

К потенциостату поочередно подключают жидко металлические капли одинакового состава (с однэй и той же концентрацией электроактивной примеси - диффузапта), но различной величины, анодно растворяют их при величине потенциала, не нревышающей потенциал избирательной ионизацни электроактнвного компонента, фиксируют время от начала электролиза до наступления установившегося режима затухания тока, после чего для количественного определения размера капли, характеризующего требуемый режим массопереноса, выявляют зависимость, От размера и по типичным участкам полученной зависимости судят î наличии атомарного, переходного или конвективного механизмов массопереноса, а по границам типичных участков количественно определяют искомый характерный размер.

Использование анодного режима поляризации капли жидкого металла позволяет устранить побочные явления, неизбежные при реализации катодюго процесса в высокотемпературной системе электролит — жидкий электрод (например такие, как перезаряд электроактивных ионов на межфазной границе, ее пассивация окисными пленками, шламообразование) .

Применение потенциостатического режима призвано обеспечить полное соответствие между задаваемой токовой нагрузкой и скоростью протекающих в электролитической системе процессов. в течение всего времени измерения.

Указанные велнжны заданного потенциала позволят обеспечить избирательную ионизацию только электроактивного компонента, а, следовательно-, в чистом виде изучать процесс его диффузии.

При наруше ии указанного режима будет иметь место совместный перенос диффузанта и конкурирующего металла, т.е. становится невозможной однозначная интерпретация результатов измерений.

Фиксация времени tj от начала потенциостатического электролиза до наступления установившего ся режима затухания тока нужна для прямого количественного определения размера жидкометаллической капли, характеризующего требуемый режим массопсреноса.

Время t необходимое для выхода зависимости тока от времени на установившийся режим, связано со временем перемещения диффундирующих частиц на определенное расстояние. Роль такого расстояния при чисго молекулярной диффузии играет размер жидкометаллической капли, а в случае преимущественно конвективной диффузии — толщина диффузионного слоя О.

Используя выражение для зависилюсти предельного диффузионного тока от времени

2 Ъ(г.о

ы t-.л в с, д(О,Ч= Т е (1)

1, и=О ь где 2 †. заряд;

F — число Фарадея;

А — рабочая поверхность анодно раство.

I ряемой капли;

0 — коэффициент диффузии электроактив. го нного компонента;

Се — начальная концентрация электроактивного компонента в капле;

1 — высота капли, легко показать, что при достаточно большом t г5 первый член суммы с и = О становится преобладающим, а функция 3 (О, t) становится экспонентой По экспериментальной зависимости 3 (О, t} можно графически найти время t, которое проходит от начала опыта до момента выхода кривой 1 (О, t) на экспоненциальную зависимость. С другой стороны время t можно определить аналитически из условия неэнаантельного влияния (скажем на

10%) второго члена суммы (I) на величину Д (О,t) ,. г

35 н

41 и е

Из выражения (2) легко получить

2,Ы.

+ аа и

Видно, что время t и высота 1 капли жидкого металла связаны зависимостью типа 1-Dt„ я которая с точностью до коэффициента совпадает с известным соотношением Эйнштейна, определяющим средний квадрат расстояния Х, на которое, смешается диффундирующая частица за время t

Использование формулы (3) предполагает знание коэффициента диффузии О электроактивной примеси в капле исследуемого металла. Поэтому в предлагаемом изобретении предложен именно графический метод нахождения характерного раз- мера, не требующий знания величины О.

Пример. В качестве примера приведены результаты определения режима массопереноса лантана в жидком алюминии пбтенциостатическим анодным растворением лантан- алюминиевых спла608088 — () эсР g A

S5 вов. Измерения проводят при 700" С в электролите KCf — NaCt Катодом служит чистый алюминий, электродом сравнения — хлорный цолуэлемеит, Величину задаваемого потенциала (— 2,22В) определяют в. независимой серии опытов, которая со ответствует избирательному растворению лангана.

Ионизация алюминия при этом не превышает

0,001% от его исходной массы. Измерения в процессе анодной ионизации проврдят с помощью импульсного потенциостата ИП вЂ” 70.

lO

Для реализации предлагаемого способа выложь няют следующую последовательность операций.

К потенциостату поочередно подключают жидкометаллические аноды одинакового состава (Al. t

+ 0,8 мас.% I а) с эффективными радиусами гэф= (1,5+5,2) мм.

Проводят избирательное растворение лангана из сплавов при заданном потенциале — 2,22В отно. сительно хлорного полузлемента, Фиксируют затухание во времени тока иэби- 20 рательной ионизапии лантана из алюминия .(кривые J t, график а).

Находят время t; от начала электролиза до выхода токовой кривои на экспоненциальный участок. 25

Определяют зависимость t; от размера капли (график б).

По типичным участкам полученной зависимос-. ти выявляют диапазоны размеров капель, соответствующих атомарному, переходному илн конвективнрму механизмам массопереноса. Восходящая ветвь кривой (на графике б участок 1}, обусловле» на разрастанием фронта диффузии до радиуса кап.

IN; нисходящая ветвь (участок II) связана с соизмеримым влиянием конвекпии; на участке 1П зч диффузия происходит через установившийся за счет конвекции диффузионный слой толщиной 5.

При гэф < 3,15 мм лантан диффундицирует в алюминин по молекулярному механизму при

4,10 > гэф > 3,15 мм имеет место смешанный 40 режим диффузии, а при гэф > 4,10 мм — чиста конвективный.

Применяемая выше при обработке экспериментальных данных в качестве характерного раэмеl ра величина эффективного радиуса капли. найдена 4ь по выражению э 075 и т з р» ., . г (5)

: и . tN где п1 7 — масса и плотность жидкого метал- о ла соответственно.

Естественно, что в общем случае можно п6льзоваться не только эффективным радиусом, но, например, эффективной высотой капель

Причем связь между L и r очевидна иэ вырахюния и, -Р (7)

О,75 ° А

Экспериментальная зависимость 1.эф — т приведена на фиг. M. Здесь же нанесены пунктиром ре. зультаты расчета по формуле (3). Видно, что для достаточно малых размеров капли, когда конвективная диффузия не может иметь места, наблюдается хорошее согласие теоретической кривой с экс. периметальнымн точками. При некотором (критииском) размере 1.кр наблюдается резкое отклонение эксцернментальной зависимости t(L) от теоретической,, учитыванн сй только молекулярную ,пиффузию Это отклонение обусловлено возникновением конвективного механизма диффузии. Существенно, что на кривой t(L) наблюдается характерный максимум, очень удобный для определения критического размера LKp, при котором начинается смена режимов диффузии (c атомарного на конвективный). Поэтому "графическое" окончание предлагаемого способа наиболее целесообразно.

Таким образом, поочередиым потенциостатическим растворением капель жидкого металлического расплава одинакового состава с различным размером при велимне заданного потенциала, соответствующей избирательной ионизавии электроактивного компонента и фиксацией времени от паюла потенциостатического электролиза до наступления установив.цегося режима затухания тока можно определить размер жидкометаллической капли, характеризующий требуемый режим массопереноса.

Формула изобретения

Способ определения режима массопереноса в жидкометаллическом расплаве путем измерения диффузионного тока электроактивного компонента, от ли чающий ся тем,что, с целью тввышения точности и упрощения процесса определения, на капли жидкого металлического расплава. одинакового состава, но различной величины, в потенциостатических условиях подают заданный потенциал, не превышающий потенциал избирательной иониэации электроактивного компонента, и фиксируют время or начала, электролиза до наступления установившегося режима затухания тока, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Известия ВУЗов "Черная металлургия" Х" 11, 1961, с. 38.

2. Дамаскин Б. Б., Петрий Д. А..Введение в электрахимическую кинетику, M., 1975. с. 200208.

608088 эиА

t мин

0,1

6 У 12 Синн

I фиг. 1

1,у r, ми т/,аи н

< ур, ии

Составитель А. Васильева

Техрел H. Бабурка

1 рректop Д.Мельниченко

Радактор Е. Токарева

Заказ 2794/29

Тираж 1112 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открцтнй

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4