一種液態(tài)金屬密度測量設(shè)備及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種液態(tài)金屬密度測量設(shè)備及測量方法，適用于絕大多數(shù)金屬、合金 或其它非金屬材料在烙融態(tài)下密度的測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 密度作為描述物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)重要序參量，無論是對于空間長程有序的固體晶 體，還是對于長程無序的液體和氣體，其重要性都不言而喻。在液態(tài)金屬或合金中，密度是 反映體系原子堆積狀態(tài)的最直接的參數(shù)，其數(shù)值大小直接決定了表征烙體空間原子結(jié)構(gòu)的 徑向分布函數(shù)的大小。在液-液轉(zhuǎn)變、液-固相轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象中，密度是構(gòu)建相關(guān)理論的基 礎(chǔ)。在討論液態(tài)金屬的基本行為和性質(zhì)時(shí)，密度更是不可缺少的基本物理量，液態(tài)金屬所有 的基本性質(zhì)，如粘度、表面張力等都與液態(tài)金屬密度息息相關(guān)。
[0003] 在工程應(yīng)用的方面，液態(tài)金屬的密度廣泛應(yīng)用于提煉過程中物質(zhì)平衡，金屬-烙 渣的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，冶煉爐中傳熱計(jì)算等。對于液態(tài)金屬和爐渣的分離過程，非金屬夾渣物在 液態(tài)金屬中上浮的速度主要取決于液態(tài)金屬和爐渣兩相的密度差。此外，液態(tài)金屬或合金 體積變化的規(guī)律及微觀機(jī)制對理解凝固過程具有重要意義。因此無論從工程技術(shù)方面還是 科學(xué)研究方面來看，獲得精確的液態(tài)金屬或合金的密度數(shù)據(jù)都具有非常重要的意義。
[0004] 對于常溫下固態(tài)金屬密度的測量非常簡單方便，已有前人做過大量工作。然而與 常溫固態(tài)金屬情形不同，對于高溫金屬或合金烙體的密度，迄今為止還沒有方便、快捷的測 量手段。在過去的幾百年間，人們已經(jīng)測量和積累了部分的液態(tài)純金屬和二元合金密度的 數(shù)據(jù)，但由于技術(shù)條件的限制，比較可靠的數(shù)據(jù)還僅限于普通的低烙點(diǎn)金屬及其合金，對于 其他金屬或合金，由于金屬化學(xué)活性太強(qiáng)或烙點(diǎn)太高，精確的烙體密度值還有待測量?？偠?言之，已有的液態(tài)金屬或合金的密度數(shù)據(jù)，無論是精度上還是數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能滿足科學(xué) 研究和工程應(yīng)用的要求。 陽〇化]在液態(tài)金屬和合金密度的測量技術(shù)方面，目前比較常見的測量方法主要有Archimedean法、密度計(jì)法和膨脹計(jì)法等。但運(yùn)些方法都有不同程度的缺陷和不足。如 Archimedean法要求液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的體積較大，而且實(shí)驗(yàn)輔助材料的選取困難，限制因素較 多；而對于膨脹計(jì)法，表面張力的存在毫無疑問會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的測量精度。因此，為了促進(jìn)液 態(tài)金屬和合金相關(guān)理論和應(yīng)用的發(fā)展，獲得更多、更精確的液態(tài)金屬和合金的密度數(shù)據(jù)，需 要開發(fā)出一種操作簡單方便、測量范圍廣、測量精度高的烙體密度測量設(shè)備及測量技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出了一種液態(tài)金屬密度的測量設(shè)備 及測量方法，W期能利用操作簡單、測量方便的測量設(shè)備獲得精確度高的液態(tài)金屬和合金 的烙體密度數(shù)據(jù)，從而能為液態(tài)金屬和合金的相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支 持和數(shù)據(jù)支撐。 陽007] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[000引本發(fā)明一種液態(tài)金屬密度測量設(shè)備的特點(diǎn)是包括：頂板、上端石英管、待測試金屬 樣品、下端石英管、固定石墨塊和滑動(dòng)塊；
[0009] 由所述頂板、滑動(dòng)塊和固定石墨塊按從上到下的順序構(gòu)成主體模塊；所述滑動(dòng)塊 在所述頂板和固定石墨塊之間為水平可移動(dòng)結(jié)構(gòu)；
[0010] 在所述滑動(dòng)塊的軸向位置處設(shè)置有所述上端石英管；在所述固定石墨塊的中屯、沿 軸向位置處設(shè)置有所述下端石英管；在所述固定石墨塊內(nèi)，處于所述下端石英管的下方設(shè) 置有調(diào)節(jié)頂桿；
[0011] 所述上端石英管與所述下端石英管能在所述滑動(dòng)塊的作用下形成第一工作位和 第二工作位；
[0012] 所述第一工作位為：所述上端石英管與所述下端石英管在互相對接的位置處，從 而能形成一整體空腔；在所述整體空腔內(nèi)設(shè)置有所述待測試金屬樣品；
[0013] 所述第二工作位為：所述上端石英管與所述下端石英管在互相錯(cuò)開的位置處。
[0014] 本發(fā)明一種液態(tài)金屬密度測量設(shè)備的應(yīng)用的特點(diǎn)是應(yīng)用于真空測量系統(tǒng)中；所述 真空測量系統(tǒng)包括：計(jì)算機(jī)、加熱電路和測溫電路、真空腔體、金屬加熱臺(tái)、T字頭推桿、冷 卻循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)W及通訊溫控儀和交流變壓器組合電路；
[0015] 在所述真空腔體內(nèi)設(shè)置有所述金屬加熱臺(tái)，在所述金屬加熱臺(tái)中設(shè)置有所述液態(tài) 金屬密度測量設(shè)備；
[0016] 所述T字頭推桿貫穿所述真空腔體的側(cè)壁；并與所述滑動(dòng)塊固定連接，從而利用 所述T字頭推桿使得所述滑動(dòng)塊能在所述主體模塊中滑動(dòng)，從而形成第一工作位與第二工 作位；
[0017] 所述真空腔體分別與所述冷卻循環(huán)系統(tǒng)和所述真空系統(tǒng)相連通；
[0018] 所述通訊溫控儀和交流變壓器組合電路與所述計(jì)算機(jī)相連通，并通過所述加熱電 路和測溫電路與所述金屬加熱臺(tái)相連通；
[0019] 所述真空測量系統(tǒng)是通過所述計(jì)算機(jī)設(shè)置所述通訊溫控儀和交流變壓器組合電 路的加熱溫度，并通過所述加熱電路和測溫電路傳遞給所述金屬加熱臺(tái)；所述加熱電路和 測溫電路還實(shí)時(shí)反饋液態(tài)金屬密度測量設(shè)備的溫度給所述計(jì)算機(jī)；同時(shí)通過所述計(jì)算機(jī)設(shè) 置所述真空腔體的真空度，并控制所述真空系統(tǒng)獲得所述真空度；通過所述冷卻循環(huán)系統(tǒng) 控制所述真空腔體和所述待測試金屬樣品的溫度；從而獲得冷卻后的待測試金屬樣品。
[0020] 本發(fā)明一種液態(tài)金屬密度測量設(shè)備的測量方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：
[0021] 步驟、稱量下端石英管的重量，記為Ml;
[0022]步驟、將已知密度為P1的乙醇溶液注滿所述下端石英管中，并稱量總質(zhì)量，記為 M2；
[0023] 步驟3、利用式（1)獲得所述下端石英管的內(nèi)腔體積V:
[00巧]步驟、設(shè)置滑動(dòng)塊與固定石墨塊處在第一工作位上，并將待測試金屬樣品置于對 接后的整體空腔內(nèi)，并使得所述待測試金屬樣品的高度位于所述上端石英管高度的一半W 上；
[00%] 步驟、在計(jì)算機(jī)中設(shè)置真空腔體的真空度，所述待測試金屬樣品的加熱溫度T及 其加熱方式；
[0027] 步驟、利用所述真空系統(tǒng)將所述真空腔體抽真空至所設(shè)定的真空度；
[002引步驟、利用加熱電路和測溫電路將待測試金屬樣品加熱至所設(shè)定的加熱溫度T，并 保溫t時(shí)間；從而獲得液態(tài)的待測試金屬樣品；
[0029] 步驟、利用所述T字頭推桿推動(dòng)所述滑動(dòng)塊至第二工作位；從而在所述上端石英 管和所述下端石英管中分別形成有所述液態(tài)的待測試金屬樣品；
[0030] 步驟、通過所述冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷卻所述液態(tài)的待測試金屬樣品，從而分別凝固為 上端固態(tài)的待測試金屬樣品和下端固態(tài)的待測試金屬樣品；
[0031] 步驟、稱量所述下端石英管和所述下端固態(tài)的待測試金屬樣品的總質(zhì)量，記為Ms;
[0032]步驟11、利用式（2)獲得所述待測試液態(tài)金屬樣品的密度P，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬 密度的測量：
[0034] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0035] 1、本發(fā)明測量設(shè)備操作簡單，測量方便；同時(shí)本測量設(shè)備具有很好的移植性，測 量環(huán)境容易搭建；此外，本發(fā)明的測量范圍非常廣，一方面，被測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度對本發(fā) 明不構(gòu)成限制，本發(fā)明不僅能方便地獲得一般純金屬烙體的密度數(shù)據(jù)，而且能測量二元、= 元及多組元合金構(gòu)成的烙體系統(tǒng)；另一方面，本發(fā)明能測量的溫度、成分范圍都非常廣，除 了一般的低烙點(diǎn)金屬及其合金，對于高烙點(diǎn)、高化學(xué)活性的金屬或合金同樣能進(jìn)行有效測 量； 陽036] 2、本發(fā)明通過測量指定體積的高溫烙體的質(zhì)量來獲得相應(yīng)液態(tài)金屬和合金的密 度數(shù)值，其測量過程不受表面張力的影響，因此，測量數(shù)據(jù)的精度高，獲得的液態(tài)金屬和合 金的密度數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確；
[0037] 3、本發(fā)明測量過程中對被測樣品的限制少，實(shí)驗(yàn)輔助材料選取常見已知密度的液 體如水或乙醇即可，實(shí)驗(yàn)輔助材料易于選擇，即實(shí)驗(yàn)測量易于進(jìn)行，便于本發(fā)明進(jìn)行大量推 廣和應(yīng)用。
【附圖說明】
[003引圖la為本發(fā)明一種實(shí)施例的第一工作位示意圖；
[0039] 圖化為本發(fā)明一種實(shí)施例的第二工作位不意圖；
[0040] 圖Ic為本發(fā)明另一種實(shí)施例的第一工作位示意圖；
[0041] 圖Id為本發(fā)明另一種實(shí)施例的第二工作位示意圖；
[0042] 圖2為W本發(fā)明測量設(shè)備構(gòu)成的測試系統(tǒng)示意圖；
[0043] 圖中標(biāo)號：1頂板；2上端石英管；3待測試金屬樣品；4下端石英管；5固定石 墨塊；6滑動(dòng)塊；7計(jì)算機(jī)；8加熱電路和測溫電路；9真空腔體；10金屬加熱臺(tái)；11T字 頭推桿；12冷卻循環(huán)系統(tǒng)；13真空系統(tǒng)；14通訊溫控儀和交流變壓器組合電路。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 為了對本發(fā)明做進(jìn)一步的論述，下面將結(jié)合兩個(gè)四兀合金CewAlin化19.5〔〇〇.5和 Ce^Ali?；痠sC〇2的液態(tài)密度測量實(shí)例進(jìn)行具體說明。 W45] 本發(fā)明實(shí)例樣品均由純度為99. 99%的A1、化和Co及99%的Ce的原材料配制而 成。配制完成后，需利用空烙煉爐吸鑄為2mm的棒狀樣品，測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前需將樣品表面拋 光、打磨保證樣品能放入內(nèi)徑為2mm的石英管中，吸鑄過程采用氣氣保護(hù)，為了保證成分均 勻，樣品在真空烙煉爐內(nèi)需至少烙煉5次。
[0046] 本發(fā)明中提出的用于測量液態(tài)合金〔67。411?；?9.5〔〇。.5和〔6 7。411。〇11沁〇2的密度的 設(shè)備包括如下特征：頂板1、上端石英管2、待測試金屬樣品3、下端石英管4、固定石墨塊5 和滑動(dòng)塊6,如圖1所示，其中上端石英管2和下端石英管4的內(nèi)徑為2mm;
[0047] 由頂板1、滑動(dòng)塊6和固定石墨塊5按從上到下的順序構(gòu)成主體模塊；滑動(dòng)塊6在 頂板1和固定石墨塊5之間為水平可移動(dòng)結(jié)構(gòu)；在后續(xù)測量過程中，能通過滑動(dòng)塊6在主體 模塊中的水平滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一工作位與第二工作位之間的切換，從而獲得待測液態(tài)金屬或 合金在指定體積下質(zhì)量，進(jìn)而得到金屬或合金烙體的在指定溫度下精確的密度數(shù)值；
[0048] 在滑動(dòng)塊6的軸向位置處設(shè)置有上端石英管2;在固定石墨塊5的中屯、沿軸向位 置處設(shè)置有下端石英管4 ;在固定石墨塊5內(nèi)，處于下端石英管4的下方設(shè)置有調(diào)節(jié)頂桿；
[0049] 上端石英管2與下端石英管4能在滑動(dòng)塊6的作用下形成第一工作位和第二工作 位；
[0050] 第一