Излучательная способность технических кадмия и цинка

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В металлургической практике для теплотехнических расчетов часто необходимо знание свойств теплового излучения металлов и сплавов в широком диапазоне температур и длин волн [1–4]. В бесконтактной радиационной пирометрии также необходимы знания этих параметров. Любое тепловое излучение несет важную информацию об электронном строении твердого и жидкого состояния кристаллической решетки.

Достоверно и детально тепловое излучение металлов исследовано не достаточно. Имеющиеся сведения об излучательной способности технических металлов немногочислены или выполнены в узких тепловых коридорах [3, 5, 6].

В настоящей статье представляются экспериментальные результаты исследования нормальной интегральной излучательной способности – ε_tn и нормальной спектральной излучательной способности – ε_λn технических образцов металлических кадмия и цинка (табл. 1). Цинк и кадмий относятся к побочным полуметаллам второй группы пятого периода.

Таблица 1. Химический состав исследованных образцов

Все эксперименты проведены на установке, технические характеристики которой достаточно подробно опубликованы ранее [7, 8]. Оценка погрешности эксперимента, проведенная авторами, по методике, изложенной в [9], составила ± 3 ÷ 5%.

Кадмий широко используется в качестве конструкционного материала органов регулирования ядерных реакторов на тепловых нейтронах [10]. В последнее время цинк используют в качестве добавки к теплоносителю первых контуров энергоблоков в процессе эксплуатации [10, 11].

Так как металлурги редко работают с большим перегревом жидких фаз и они более заинтересованы в выявлении свойств жидких металлов в области температур близких к области плавления или чуть выше нее, все проведенные исследования были ограничены по температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В исследованиях твердой полированной фазы кадмия (рис. 1) получена монотонно возрастающая кривая ε_tn с броском при температуре плавления (Т_пл. = 594 К [12]). В жидкой фазе исследования наблюдается полого-возрастающая кривая интенсивности, ограниченная температурой 870 К. Сопоставление результатов ε_tn жидкой фазы к твердой показало рост порядка 113%.

Рис. 1. Зависимость ε_tn кадмия от температуры: ● – результаты авторов; ○ – [13]; ∆ – [14]; штриховая линия – расчет по приближению Фута.

Литературный поиск выявил наличие единичных данных ε_tn по твердой полированной и жидкой фазах [13, 14].

Проведенный авторами вычислительный эксперимент по приближению Фута [3] дал завышенные значения интенсивности ε_tn на 15% в твердой фазе и заниженные значения порядка 30% в жидком состоянии. При этом в расчетах использовались справочные данные по удельному электрическому сопротивлению кадмия [12, 15].

Поведение ε_tn кадмия с повышением температуры объясняется наличием гексагональной кристаллической решетки, которая в твердом состоянии имеет ковалентную или смещающуюся ковалентно-металлическую связь. При плавлении у кадмия направленные связи частично переходят в металлические, а окончательный переход происходит при температурах заметно выше точки плавления металла. У этого металла характер связи не меняется при плавлении и переход валентных электронов в электронный газ происходит постепенно при дальнейшем повышении температуры расплава. При плавлении кадмия происходит перестройка ближнего порядка кристаллической решетки. Часть электронов при плавлении переходит в электронный газ, образуя переходную структуру от гексагональной кристаллической к плотноупакованной системе с частичным разрушением ковалентных связей. Изменение физических величин при плавлении свидетельствует о соответствии структур твердого и жидкого состояния металла вблизи точки плавления [16].

В исследованиях твердой полированной фазы цинка (рис. 2) зафиксирована возрастающая кривая ε_tn с броском при температуре плавления (Т_пл. = 693 К [12]). В жидкой фазе наблюдается продолжение роста интенсивности до температуры 943 К. Сопоставление результатов ε_tn жидкой фазы к твердой показало рост порядка 150%. Такое поведение ε_tn цинка происходит в следствии полного отделения валентных электронов с их переходом в свободное состояние. Но плотность электронного газа недостаточна для перекрытия внешних электронных d – оболочек ионов. В результате в жидком состоянии вблизи точки плавления структура ближнего порядка соответствует плотнейшей упаковке сферических ионов. Увеличение объема металла при плавлении составляет приблизительно 4% и объясняется образованием вакансий. Изменение величин электросопротивления (жидкость/твердое = 2.11), что характерно для металлов, не меняющих ближний порядок при плавлении с сохранением плотно упакованной структуры направленных связей. В жидком состоянии структура цинка соответствует структуре кристалла. Плотно упакованные слои в решетке цинка слабо связаны друг с другом, вследствие очень низкой концентрации электронного газа, образующегося в результате спорадического отделения некоторых электронов. Свободные электроны появляются при кратковременном разрушении отдельных направленных связей, являющихся сравнительно непрочными, на что указывает большие межатомные расстояния [16].

Рис. 2. Зависимость ε_tn цинка от температуры: ● – результаты авторов; □ – [6]; штрих-двойная пунктирная линия – [14]; штрих-пунктирная линия – расчет по методике [17]; сплошная линия – [18]; штриховая линия – расчет по приближению Фута.

Проведенный авторами вычислительный эксперимент по приближению Фута показал завышенные значения интенсивности ε_tn цинка на 40% в твердой фазе и заниженные значения порядка 34% в жидком состоянии. При этом в расчетах использовались справочные данные по удельному электрическому сопротивлению [15, 19].

Авторами так же был использован подход расчета ε_tn по методике [17], где сопоставление показало удовлетворительную сходимость, как с экспериментом, так и с классической электромагнитной теорией.

В таблицы 2 и 3 сведены численные экспериментальные значения ε_tn исследованных металлов в зависимости от температуры.

Таблица 2. Значения ε_tn кадмия

Таблица 3. Значения ε_tn цинка

При спектральных исследованиях ε_λn твердых полированных кадмия и цинка применялись съемные узкополосные инфракрасные дисперсионные фильтры. Каждый фильтр имеет эффективную длину волны. Всего было использовано 9 фильтров. перекрывающих диапазон длин волн от 0.26 до 10.6 μm.

Численные экспериментальные значения ε_λn исследованных металлов представлены в таблице 4.

Таблица 4. Значения ε_λn кадмия и цинка

Исследование твердой полированной фазы кадмия было проведено при температуре 582 К. Получена полого убывающая кривая ε_λn в зависимости от длины волны (рис. 3). Также на рис. 3 представлен результат теоретического расчета ε_λn по классической электромагнитной теории – приближение Друде [20]. Приближение связывает два свойства – излучательную способность и удельное электрическое сопротивление по спектру. В расчетах использовались справочные данные по удельному электрическому сопротивлению кадмия [15]. Полученная картина распределения монохроматических изотерм с температурным шагом в 100 К (рис. 3) показывает наличие подобия в поведении излучения.

Рис. 3. Волновая зависимость ε_λn кадмия (твердая полированная фаза): ● – результаты авторов; сплошные линии – расчет по приближению Друде

Экспериментальные значения ε_λn цинка в твердой полированной фазе при температуре эксперимента 685 К плавно уменьшаются с увеличением длины волны (рис. 4).

По аналогии с кадмием на рис. 4 представлен результат теоретического расчета ε_λn цинка по приближению Друде. В расчетах использовались справочные данные по удельному электрическому сопротивлению [15]. Получены также подобные изотермы ε_λn с температурным шагом в 100 К.

Рис. 4. Волновая зависимость ε_λn цинка (твердая полированная фаза): ● – результаты авторов; сплошные линии – расчет по приближению Друде.

Возможность сопоставления полученных экспериментальных значений ε_λn кадмия и цинка с результатами других авторов невозможна в связи с их отсутствием в открытой печати.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Излучательная способность кадмия и цинка в твердой полированной фазе монотонно возрастает и скачкообразно увеличивается в области плавления. В жидкой фазе рост ε_tn продолжается до температуры приостановки опыта. Величина скачка излучательной способности у металлов различна и зависит от индивидуальных свойств. Выявленный характер зависимости ε_tn = f(T) объясняется структурными изменениями кристаллической решетки металлов при плавлении.

Сделана попытка исследования ε_λn кадмия и цинка в интервале длин волн от 0.26 до 10.6 μm твердой полированной фазы в области плавления. Излучательная способность уменьшается с увеличением длины волны.

Получены удовлетворительные корреляции вычислительных экспериментов по приближениям Фута и Друде. связывающие удельное электрическое сопротивление с излучательной способностью.

Сделан вывод о необходимости создания массива экспериментальных значений излучательной способности металлов для полного понимания природы теплового излучения веществ.

Об авторах

Д. В. Косенков

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmi-kosenkov@yndex.ru
Россия, Казань

В. В. Сагадеев

Email: dmi-kosenkov@yndex.ru
Россия, Казань

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Зависимость εtn кадмия от температуры: ● – результаты авторов; ○ – [13]; ∆ – [14]; штриховая линия – расчет по приближению Фута.

Скачать (65KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Зависимость εtn цинка от температуры: ● – результаты авторов; □ – [6]; штрих-двойная пунктирная линия – [14]; штрих-пунктирная линия – расчет по методике [17]; сплошная линия – [18]; штриховая линия – расчет по приближению Фута.

Скачать (69KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Волновая зависимость ελn кадмия (твердая полированная фаза): ● – результаты авторов; сплошные линии – расчет по приближению Друде

Скачать (79KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Волновая зависимость ελn цинка (твердая полированная фаза): ● – результаты авторов; сплошные линии – расчет по приближению Друде.

Скачать (81KB)

Метаданные