Дәріс. Балқымалардың электр өткізгіштігі мен магнитті қабылдағыштағын өлшеу әдістер (2 сағат).

Балқымалардың электр кедергілігі мен магнитті қабылдағыштағы. Металдық балқымалардың ең маңызды физикалық қасиеттері қатарына оның электр өткізгіштігі мен магитті қабылдағыштығы жатады. Бұл қасиеттер құрылымдық – сезімталдық сипаттамаларға жатады, сондықтан оларды зерттеу сұйық металдардағы, шлактардағы және басқа метал емес қосылыстардағы байланыстардың электрондық құрылымы мен сипаты туралы қосымша деректер алуға мүмкіндік береді.

Заттың электрлік қасиетін сипаттайтын негізгі тұрақты, заттың табиғаты мен температураға тәуелді, меншікті электрлік кедергі болып табылады. Ом заңына сәйкес, меншікті электрлік кедергі ρ келесі теңдеумен анықтала алады, Ом м:

ρ = RS/l (53)

мұндағы R — электр кедергісі, Ом; S — көлденең қима ауданы, м2; l — ұзындық, м.

Металдардың электр кедергілерінің температураға тәуелділігі келесі заңға бағынады:

ρt= ρo (1+αt) (54)

мұндағы α— температура коэффициенті.

Меншікті электр өткізгіштік (Ом-1м-1) меншікті электр кедергісіне кері шама болып табылады:

σ= 1/ ρ (55)

Жанасулы әдістерде негізінен, өлшеуіш ұясының құрылымына, электрод материалдарының іріктелуіне, эксперимент процесінде оксидтер мен металдық балқымалар жанасатын капиллярлар мен тигельдерге аса көңіл аударылады. Электродтардың, капиллярлардың және тигелдердің материалдары балқымаларда еріп кетпеуі және өзара әрекеттеспеуі қажет.

Балқыған металдардың электр өткізгіштігінің жанасусыз әдістері көбінесе салыстырмалы болады, сондықтан бұл әдістерде аспаптардың калибрленуіне және қосалқы құбылыстардың (металдың булануы, оның тигелмен өзара әрекеттесуі, т.б.) болмауына ерекше көңіл бөлінеді.

Сұйық металдардың электр өткізгіштігін өлшеудің жанасу әдісі.

Бұл әдістің негізі болып Ом заңы табылады. Ұзындығы l және көлденең қимасы S белгіленген сұйық металдан өткізу бөлімшесінде, электр кедергісі анықталады Rx. Келесі қатынастан шыға отырып:



ρ=1/ σ = S Rx /l (56)

металдың меншікті электр өткізгіштігінің мәнін белгілейді.

18 сурет. Балқымаға батырылған ұяшықтар көмегімен электр кедергілерін өлшеуге арналған қондырғының сұлбасы.

1 — ток желісі; 2 — суды суытатын корпус; 3 — терможұпты ұш; 4— графитті қыздырғыш; 5 —тигель; 5 — магнезиттен жасалған ұяшық; 7 — вольфрамды электродтар; 5 — электржетек; 9 — қорғағыш.

18 суретте балқымаға батырылатын ұя қолданылған, қиын балқитын металдардың электр кедергілерінөлшеуге арналған қондырғы көрсетілген. Қондырғының су суытқыш сыртқы қабы, фторқыртысты нығыздағыш арқылы флянецтер көмегімен байланыстырылған, екі бөлімнен тұрады. Металл салынған тигельді қондырғының төменгі бөліміне орналасқан бифилярлық графиттік қыздырғыш көмегімен қыздырады. Қыздырғашқа токті сумен суытылатын токжеткізгіштер арқылы келтіреді. Жоғарғы бөлігінде ұя және оның қозғалуына арналған жетек орналасқан. Жетектің көмегімен ұяны балқымаға батырады және өлшеуді жүргізгеннен соң тигельден шығарады. Қондырғының жоғарғы және төменгі бөлімдерінің арасында, қондырғының төменгі бөлімінің тығыз жабылуын қамтамасыз ететін жапқыш бар. Ұяның сырты магнезиттен немесе алундадан жасалған. Онда екі калибрленген алунды құбыршалар (диаметрі 5-7 мм, ұзындығы 80 мм) бекітілген. Әрбір алунды құбыршаға екі вольфрам электрод орналастырылған. Металдың температурасын, тигельдің астымен келтірілген терможұппен өлшейді. Қыздыру алдында қондырғыны вакуумдейді, содан соң тазартылған гелиймен толтырады. Өлшеуді вольтметр—ампер­метр сұлбасы бойынша потенциометриялық әдіспен бірмезгілде жүргізеді: температураның электрлік потенцио­метрде тіркелуімен. Өлшеу кезіндегі темір балқымасының меншікті кедергісінің салыстырмалы қатесі —2 % құрады. Қондырғы, металдың кристалдануынан кейінде өлшеуді жүргізуге мүмкіндік береді.



Балқыған шлактардың электр өткізгіштігін өлшеудің жанамалы әдістері.

Жоғарыда айтқандай, оксидті балқымалардың электр өткізгіштігін өлшеу үшін көбінесе жанасулы әдістер қолданылады. Бұл әдістер екі электрод арасындағы электр кедергісін өлшеуді болжайды. Осы мақсатта цилиндр тигель секілді ұяны қолданады, онда балқымаға бір (19 сурет)немесе екі элек­трод батырылады. Электр кедергісін анықтау үшін ауыспалы ток көпірі немесе вольтметр — амперметр әдісін қолданады.

19 сурет. Электрод – тигель типті қожды балқымалардың электр өткізгіштігін өлшеуге арналған ұяшықтар.

Өлшеудің көпірлі сұлбалы және электрод – электрод типті ұялы қондырғысының құрылысы 20 суретте кескінделген. Қондырғыға отқа төзімді құбыршалы 5 кедергі пеші кіреді. Құбыршаның төменгі ұшында бағыттаушы, ішкі резьбасы бар темір төлке 10 бекітілген. Төлкеге стержень 9 бұралған, оның ұшына келесі отқа төзімді құбырша 2 отырғызылған. Тигель 7 балқымамен 6 осы құбыршаның жоғарғы ұшына орнықтырылған. Темір төлке 10 мен стерженді 9 қыздырудан сақтау үшін экран қызмет етеді: магнезитті шайба 1. Пештің үстіңгі жағы, диаметрі 2,5 мм молибденді электродтар бекітілген, отқа төзімді қақпақпен жабылған. Температураны өлшеу үшін терможұпты пешке, стерженьдегі 9 саңылау арқылы тигельдің астымен жеткізілді (тигельдің ішкі диаметрі 35 мм және биіктігі 40 мм). Бұл әдіс екі еселікті қождық жүйелердің электр өткізгіштігін анықтау үшін қолданылады.

Вольт­метр — амперметр және электрод – тигель типті ұя әдісі қолданылған қондырғының сұлбасы 21 суретте кескінделген. Қожды балқытқан графиттен жасалған тигельге1, токтың келтірілуі молибден сымның 2 көмегімен жүзеге асырылады. Орталық вольфрам электрод 3 және оған параллель қосалқы электрод 4 квацты құбыршалармен 5 қорғалынған жәнеде олардың тік қозғалысын қамтамасыз ететін құрылғыға бекітілген.

Өлшеуді батырылудың екі тереңдігінде жүргізді (10 және 15—20 мм). Алдын-ала батырылудың осы тереңдіктері кезінде ұялардың тұрақтыларының мәндері К1және К2 анықталды.

Металлургиялық балқымалардың электр өткізгіштігін өлшеудің жанасусыз әдістері.

Сұйық металдардың электр өткізгіштігін өлшеудің жанасусыз әдістері ішінде кеңінен таралғаны айналмалы магниттік өріс әдісі, онда зерттелетін өткізгіш орналастырылады. Бұл жағдайда өткізгіштік мөлшері болып, өткізгішке ықпал ететін күштер моменті табылады. Әдістің бір нұсқасына ең толық теориялық негіздеме берген және сұйық металдардың электр өткізгіштігін тәжірибеде зерттеуді енгізген А. Р. Регел. А. Р. Регел әзірлеген әдісте радиусы R өткізгіш ортадан тұратын жүйе қарастырылады. Сфера серпімді жіпке ілінген және катушкалардан туатын, айналмалы магниттік өріске орналастырылған (22 сурет). Жүйе асин­хрондық электрқозғалтқышқа ұқсас, тек қана айырмашылығы – ротор зерттелетін үлгімен ауыстырылған, ал стато­рда біртекті магниттік өріс алу үшін темір болмайды.

гальванометрге

20 сурет. Сұйық Шлактың электр өткізгіштігін көпірлі өлшеуші сұлбалы анықтауға арналған қондырғы.

Әдістің дәлдігі, өлшеу процесі кезінде пайда болатын кейбір қосалқы құбылыстар мен әртүрлі түзетулердің қаншалықты толық ескерілгеніне байланысты болады.

21 сурет. Сұйық Шлактың электр өткізгіштігін вольтметр-амперметр өлшеуші сұлбалы анықтауға арналған қондырғы.

Үлгі орналасқан ілмелі жүйенің бұралу бұрышының φ нағыз мәнін есептеу кезінде келесі түзетулерді ескеру қажет:

1. Бос ілмелі жүйенің ауытқуына түзету φ0. Жалпы жағдайда ілмелі жүйеге, магниттік өріс әсер ететін, металл бөлшектерді енгізеді. Бұл әсер бос жүйенің ауытқуын тудыруы мүмкін, оның шамасын өлшенген ауытқудан алып тастау керек φөлш.

2. Шкаланың сызықтығына түзету φн. Бұл түзету ауытқу шамасын есептеу үшін радиалдық шкала емес, жалпақ шкалалар қолданылуына байланысты.

Электр өткізгіштігін өлшеу кезіндегі айналмалы магниттік өрісінің дәлдігі салыстырмалы жеңіл балқитын металдар үшін (> 1000°С дейін) 1 % жете алады, қиын балқитындар үшін (1800—2000 °С дейін) 5 % және одан көп.

22 сурет. Балқымалардың айналмалы магниттік өрістегі электр өткізгіштігін жанамасыз өлшеуге арналған сұлба:

1 — металды аймақ; 2 — серпімді жіп; 3 — катушкалар.

Әдебиет: 1 осн. [79-130], 5 осн. [135-168].

Бақылау сұрақтары:

1.Меншікті электрлік кедергіге анықтама беріңіз.

2.Балқымалардың электрлік кедергісі мен магниттік қабілеттілігі.

3.Сұйық металдардың электр өткізігіштігін өлшеудің жанама әдістері.

4.Балқыған шлактардың электр өткізігіштігін өлшеудің жанама әдістері.

5.Металлургиялық балқымалардың электр өткізігіштігін өлшеудің жанамасыз әдістері.

№ 8 дәріс. Термогравиметрия әдісі.

Қазіргі уақытта ең кеңінен таралған әдістер: дифференциалдық термиялық талдау (ДТА), массаның өзгеруін тіркеуші термогравиметрия (ТГ) және масса өзгерісінің жылдамдығын тіркеумен жүретін деривативті термогравиметрия (ДТТ), олар арнайы әзірленген қондырғыларда жүзеге асырылады, мысалы, дериватографтар (ВНР), қондырғылар «Seteram» (Франция) және басқалар, жаппай шығарылатын қондырғыларда.

Дифференциалдық термиялық талдау әдісі прцестердің жылулық эффектілерін өлшеуге мүмкіндік береді, оның ішінде шамасы бойынша аз эффектілердіде. Бұл кәдімгі терможұпты қолданумен қатар дифференциалдық терможұптыда қолдану нәтижесінде алынады. Кәдімгі терможұптың қосарлығын және дифференциалдық терможұптың қосарлығының біреуін эталонға (инертті затқа) орналастырады. Дифференциалдық терможұптың екінші қосарлығын зерттейтін затқа орналастырады. Процестің басталу кезеңі немесе зерттелетін заттың температурасының бірқалыпты жоғарылауының түрленуі, пештің бірқалыпты қыздырылуы кезінде, баяулықпен немесе қарқындылықпен ауыстырылады және үлгінің және эталонның температураларының айырмалары тіркеледі ΔT. Бұл шама қыздыру жылдамдығы мен жылулық эффектісінің қатынастарымен анықталады, термиялық эффект деп аталады.

Терможұптардың көрсетуін үздіксіз жазу кезінде, яғни термограмманы алу кезінде, дифференциалдық терможұптан ΔT қисығы алынады, ол энтальпияның өзгеру қисығы деп аталады және ДТА қисығы ретінде белгіленеді, және терможұптың қисығы алынады, ол эталонның температурасын өлшейді (Т темпе­ратуралық қисық).

Массаның түрде тіркелуі кезінде ΔG қисығы алынады, ол изотермиялық емес әдістемені қолдану кезінде термогравиметрия қисығы (ТГ) деп аталады. Осы қисық арқылы уақыт бойындағы зерттелетін түрлену дәрежесін санды түрде есептеуге болады және оның өтуінің температуралық интервалын анықтауға болады.

Дербеу әдіс ретінде, процестердің кинетикасын зерттеуде термогравиметрияны қолдану кезінде, әншейінде пеш кеңістігіндегі температура өлшенеді, ілінген үлгі ішіндегі өлшенбейді. Дегенмен термогравиметриялық әдіс ДТА әдісінен, инерциялы болмауымен, тиімді ерекшеленеді.

Жоғарыда айтылған процестің өту температурасын өлшеудегі айырмашылықтар, ДТА және ТГ қисықтары бойынша алынған деректерді салыстыруды қиындатады, өңдеу нәтижелеріндегі қателіктерге соқтырады. ТГ қисығын бағалау қиындығы ДТГ әдісінің тууына әкелді. ТГ мен ДТГ қисықтарын бірмезгілде жазу зерттелетін заттағы түрленулер туралы тұжырым жасауға мүмкіндік берді.

Эксперименттік мәліметтер бойынша кинетикалық парпметрлерді анықтау.

Кинетикалық параметрлердің ДТА және ДТГ негізіндегі есептеуінің соңғы стадиясы болып, реакцияның тәртібін (кинетикалық теңдеудің тәртібі) және процестің активтілік энергиясын анықтау табылады. Келесі типтегі тұздар мен гидраттар реакциялары үшін:

АВТ = АТ + Вг (57)

жуықтама кинетикалық теңдеу қолданыла алады

dα/dτ = Ae-E/RT (1 —α )n (58)

мұндағы α — реакцияға түсетін заттың үлесі (оның түрлену дәрежесі); п— реакция қатары; Е— көрінетін активтік энергиясы; τ— уақыт.

23 сурет. СаСОз диссоциациясының дериватограммасы (а), процестің активтілік энергиясының есептеу графиктері (б) және Киссингер бойынша реакцияға тәртіпті анықтау сұлбасы (в):

1— ДТА; 2 — ТГ; 3 — ДТГ

ДТА қисығы бұл жағдайда п және Е шамаларын анықтауға мүмкіндік береді. Реакция қатары, үлкен эксперименттік материалды өңдеу негізінде Киссингермен алынған эмпи­рикалық теңдеумен анықталады:

п=1,26I 1/2 (59)

Бұл кезде термиялық эффектінің I шыңының нысандық индексін қолданады. Есептеуге ыңғайлы түрде, графиктің мәліметтері негізінде (23,1 сурет) п шамасы келесі теңдеумен беріледі:

п=1,26√a/b (60)

п — жалпы катет болғандықтан, процестің активтілігінің эксперименттік энергиясын есептеу үшін ДТА берілгендерінде, жәнеде тәуелсіз ДТГ берілгендерінде қолданады. ДТА қисығы бойынша активтілік энергиясын анықтаудың белгілі әдістерінің бірі (Киссингер әдісі) ұйғарындыларға негізделген, осы қисықтағы шың, қыздыру жылдамдығы тұрақты жағдайларда процестің максимал жылдамдығына сәйкес келеді.

Зерттелетін үлгінің және эталонның ортасының температураларының айырмасы θ келесі теңдеумен өрнектеледі:

(61)

мұндағы dq/dτ — химиялық реакцияның жылу бөлу жылдамдығы; f — оның қайтарма эффектісін енгізетін, реакцияның жылу бөлу жылдамдығының функциясы (көлемнің, тығыздықтың, термиялық қасиеттердің өзгерісі).

Термогравиметрияға арналған қондырғы

Ф. Паулик, И. Паулик және Л. Эрде (ВНР) әзірлеген дериватографта зерттелетін үлгінің температурасын (Т қисығы), оның массасының өзгерісін (ТГ қисығы) массаның өзгеруінің жылдамдығын (ДТГ қисығы, яғни термогравиметриялық қисықтың туындысы) және энтальпияның өзгерісін (ДТА қисығы) біруақытта анықтайды. Осы қисықтардың уақыт бойындағы жиынтықты жазуы дериватограмманы құрайды.

Дериватографтың принципиалды сұлбасы 24 суретте кескінделген. Қондырғының ең маңызды бөлігі таразы болып табылады. Дериватографта аналитикалық таразы 1 қолданылады, оның бір иығында керамикалық құбырша қатаң бекітілген 5 оның ішінде терможұп жайғасады 4. Терможұптың қосарлығына зерттелетін зат салынған тигель 3 кигізілген. Оның жанына қатар тағы сондай дифференциалдық терможұпты құбырша орналасқан, оның қосарлығына эталонды тигель кигізілген. Тигельдер кварцты қалпақпен жабылған, оған платиналы кедергілі пеш орнықтырылған. Қондырғының қыздырылатын бөлігін тығындап жабу реттелетін құрам атмосферасында немесе вакуумда зерттеу жүргізуге мүмкіндік береді.

24 сурет. ДТА және ДТГ талдауларға үшін дериватограф сұлбасы:

1 — пеш; 2— эталонға арналған тигель; 3 — зерттелетін затқа арналған тигель;

4 — терможұп; 5 — фарфор құбырша; 6 — линза; 7 — оптикалық саңылау;

8 — жарықтандырғыштар;9 — индукциялық катушка; 10 — жүрекше; 11 — гальванометрлер; 12 — барабан; 13 — шкала (фотоқағаз).

Таразы иінағашының екінші иығында екілікті индукциялық катушка ілінген, ол тұрақты магнит өрісінде қозғалады. Массаның өзгеруі кезінде таразы иіндері орын ауыстырады, ал катушка магниттік өрісте жайғасымын ауыстырады. Қандайда бір температурадан бастап, пештегі зерттелетін затты бірқалыпты қыздыру кезінде, оның массасының бірқалыпты емес өзгерісі болады, ол физика-химиялық процестің өтуі нәтижесінде жүреді. Осы кезде магниттердің күштік өрісі қозғалыста,ы катушканың обмоткасында токты индукциялайды, оның бағыты таразының иіндерінің ауытқуына про­порционал. Таразының қозғалыстағы бөлігіне (тіліне) арнайы оптикалық саңылауы 7 бар пластина бекітілген. Сол арқылы жарық сәулесі жарықтандырғыштан 8 үлкейткіш линзалар жүйесіне өтеді, содан соң тұрақты жылдамдықта айналатын барабанға 12 киілген жарықсезінгіш қағазға түседі. Таразының тілдері ауытқыған кезде (үлгінің массасының өзгеруі нәтижесінде) оптикалық саңылаудың қозғалысы жүреді, сөйтіп ТГ термогравиметриялық қисық түрінде барабанда жазылады.

Таразы иініне ілінген және екі таға тәрізді магниттердің 10 біртекті өрісінде қозғалатын екі еселікті индукциялық катушка 9 көмегімен, массаның өзгеру жылдамдығы келесідей өлшенеді: магниттің күштік өрісі қозғалыстағы катушкаға ток индукциялайды, оның кернеуі таразылар иінінің ауытқуына пропорционал. Осы кезде гальваномет­рдің 11 а жарық сигналы, барабанның 12 жарықсезгіш қағазына ТГ негізгі қисығының туындысын жазажы — массаның өзгерісінің жылдамдығының қисығы (ДТГ).

Дериватографтағы ДТА қисығын дифференциалдық терможұп көрсеткіші бойынша алады. Осы терможұптың полюстеріне қосылған гальваномет­рдің 11 в жарық сигналы ДТА қисығын береді. Терможұп қысқыштарына үлгінің температурасын өлшеуге арналған үшінші галь­ванометр 11 6 қосылған,оның жарық сигналы Т температуралық қисықты жазады.

Деривативті термогравимет­риялық, дифференциалдық термиялық талдау және газтәріздес өнімдердің талдауын ұштастыратын аспап «Seteram» фирмасымен қолданылады (Франция). Оларда эксперимент барысында процестің келесі сипаттамалары тіркеледі: 1) термогравиметриялық қисық (ТГ); 2) массаның өзгеру туындысы ( ДТГ қисығы) (арнайы қондырғымен – дериватормен анықталатын, массаның өзгеру жылдамдығы); 3) бірқалыпты қыздыру үшін зерттелетін үлгі мен эталонның температураларының айырмасы (ДТА қисығы), 4) үлгілерден бөлінетін газдың мөлшері мен құрамы (ЕГА қисығы); 5) пеш пен эталон температурасы (ТГ қисығы). Үлгінің реттелуі, бағдарлануы және температураны дәл өлшеуі ТГ, ДТГ, ДТА қисықтарымен тіркелетін құбылыстар мен процестерді бірегейлендіруге мүмкіндік береді. (25 сурет).

Таразылар (26 сурет) түрде теңестіріледі, ол бір бөлігі таразы ілінбесінің заслонкасымен жабылатын 12 және фото кедергіге 11 бағытталған жарық шоғының қарқындылығының өзгерісі көмегімен іске асырылады. Фото кедергі арқылы өтетін ток күшейеді және қозғалыссыз цилиндр соленоидқа 6 беріледі, оның ортасында тұрақты магниттің бір полюсы 5 бар. Тепе-теңдік электромагниттік күштің иінағашты дәл теңестіретін жағдайына орнықтырылады. Бұл электромагниттік күш соленоид арқылы өтетін және үлгінің массасына ғана тәуелді токка пропорцио­нал. Токтың өлшенуі мен тіркелуі ТГ қисығын алуға мүмкіндік береді. Қоршаған ортаның тұрақты жағдайлары кезінде, өлшеудің дәлдігі 10-6 құрайды және шығарылу қатынасымен және минимал салмақпен анықталады.

25 сурет. Кешенді талдау қисықтары. 26 сурет. Аспаптың таразылау сұлбасы.

Дериватор 27 суретте көрсетілген принципиалды сұлбалы болады. Дериватордың сезімталдығы 1/2 шкалаға 1 мВ тіркелген кезде 60 мкГ/мин құрайды.

27 сурет. Дериватордың принципиалды сұлбасы.

Әдебиет: 1 нег. [300-314], 3 нег. [5-105].

Бақылау сұрақтары:

1. Термогравиметрия әдістерінің жалпы сипаттамасын беріңіз.

2. ДТА және ДТГ мәліметтерінің негізінде процестің кинетикалық параметрлерін қалай анықтауға болады?

3. Термогравиметрия қондырғысы.

4. ДТА және ДТГ талдауларына арналған дериватограф сызбасын түсіндіріңіз.


8257331471881798.html
8257409947796961.html

8257331471881798.html
8257409947796961.html

8257331471881798.html
8257409947796961.html
    PR.RU™