книги из ГПНТБ / Тимашев В.В. Технический анализ и контроль производства вяжущих материалов и асбестоцемента учеб. пособие

Известно несколько конструкций термографов, но ос­ новными узлами каждого из них являются: 1-—устрой­ ства для автоматической записи кривых нагревания; 2 — электропечь с терморегулятором; 3 — термопары с дер­ жателями образцов.

Принципиальная схема широко распространенного пирометра ФПК-59 приведена на рис. 34.

Регистрирующие приборы для автоматической запи­ си кривых нагревания в пирометре данного типа смон­ тированы на жестком каркасе, который помещен в спе­ циальный металлический футляр. Устройство включает следующие части: фоторегистрирующую камеру, три зер-

160

кальных гальванометра, три осветителя, системы из трех зеркал, шкалу для визуального наблюдения, синхронный моторчик, редуктор, фрикционную передачу.

Зеркальные гальванометры осуществляют запись из­ меняющейся величины э. д. с. в дифференциальной тер­ мопаре в виде непрерывной кривой — дифференциаль­ ной термограммы. Они работают по механическому принципу. На сердечник электромагнитной системы галь­ ванометра подвешено на тонкой кварцевой нити малень­ кое зеркальце. В зависимости от величины э. д. с, по­

кальца изменяется и направление отражаемого им пуч­ ка света, который пишет на фотобумаге непрерывную кривую. Установка оборудована тремя гальванометрами, два из которых записывают простую и дифференциаль­ ную кривые нагревания, а третий обычно используют для измерения потери веса материалом. Дифференциальную термопару подключают к левому гальванометру, так как чувствительность его выше, простую — к среднему, а торзионные веса — к правому.

Фотокамера 'крепится в верхней части каркаса, она съемная. В ее нижней части есть продольный вырез, ко­ торый закрывается специальной шторкой. Развернутая поверхность барабана (и, следовательно, листа фотобу­ маги) равна 240X300 мм. Из фотокамеры выходит вал барабана, на котором закреплен фрикционный диск (лимб). На диске нанесены деления, с помощью которых отмечают положение барабана при его вращении. Бара­ бан фотокамеры приводится во вращение через вал с по­ мощью синхронного моторчика Уоррена (2 об/мин), ре­ дуктора, состоящего из набора попарно соединенных шестеренок, и фрикционной передачи. С помощью пере­ ключателя скоростей в редукторе можно приводить в за­ цепление разные шестерни, чтобы скорость вала состав­ ляла один оборот соответственно за 5, 20, 80 и 320 мин при положении стрелки фрикциона на делении 12,5.

В целом все приборы устройства для автоматической записи кривых нагревания работают в такой последова­ тельности: э. д. с, возникающая в термопарах, поступает на зеркальные гальванометры, отклоняющееся зеркальце которых отражает под соответствующим углом луч све­ та, падающий на него отосветителя, и направляет этот

луч в щель фотокамеры (рис. 35, 36) и одновременно на шкалу визуального наблюдения. Барабан фотокамеры, покрытый фотобумагой, приводится во вращение с тре­ буемым числом оборотов. По мере повышения темпера­

элемент. В зависимости от температуры, которую необхо­ димо достичь, нагревателем может служить нихромовая

162

точными температурами химического или физического превращения: полиморфизма, распада, плавления. Для градуировки термопары достаточно четырех реперных то­ чек, полученных в различных температурных областях. Весьма распространена градуировка по температурам превращения солей Na2SC>4 и K2SO4. На фотобумаге вна­ чале записывается простая кривая нагревания Na2SC>4, а затем после охлаждения печи на том же фотолнсте ре­ гистрируется термическая кривая K2SO4 (рис. 37, а) . На

Рис. 37. Эталонные кривые нагревания и построение градунрсвочного графика

миллиметровой бумаге такого же размера, как фотобу­

ветствующих температур. По полученным четырем точ­ кам проводят кривую. Затем на ось абсцисс методом ин­

кривых. Для этого нужноизмерить расстояние на ана­ лизируемой термограмме от оси абсцисс до площадкина простой термической кривой, соответствующей данному эффекту-на дифференциальной кривой, и по полученной величине ординаты с помощью градуировочной кривой

164

найти на оси абсцисс соответствующее значение темпе­ ратуры.

Чтобы ускорить вычисление температур термоэффек­ тов по градуировочному графику, можно построить спе­ циальную температурную линейку. Для этого берут про­ зрачную органическую пленку длиной 25—30 см и ши­ риной 2—3 см и тушью наносят на нее значения температур следующим образом. Пленку кладут на гра-

+20° С). Передвигая линейку параллельно оси ординат, наносим на нее через каждые 50° точки пересечения края линейки с градуировочной кривой. Таким точкам пересе­ чения соответствуют определенные температуры на оси абсцисс. Эти температуры и наносят на пленку, превра­ щая ее в температурную линейку (см. рис. 37, б). Шкала температур на линейке неравномерная, что вызвано не­ линейной зависимостью э. д. с. термопар от температуры.

В качестве градуировочного вещества широко приме­ няются также N H 4 N O 3 , имеющий четыре реперные точки в низкотемпературной области (32; 85; 125 и 170° С), и A g N 0 3 с тремя реперными точками в высокотемпера­ турной области (160; 212; 960; 5° С). По нескольку реперных точек имеют AgJ и Ag2SO.j. Начальную точку температурной шкалы устанавливают обычно по N H 4 N O 3 .

Градуировать термопару можно и с помощью потен­ циометра. Для этого на зажимы температурного гальва­ нометра подают от потенциометра э. д. с, которая соот­ ветствует определенной температуре нагрева данной термопары, и по величине отклонения зайчика, фикси­ руемой на фотобумаге, строят градуировочный график. Термопары в процессе службы следует периодически гра­ дуировать по стандартной термопаре с помощью потен­ циометра или эталонных веществ. Если на термопаре де­ лается новый спай, то ее обязательно градуируют за­ ново.

Холодные концы дифференциальной термопары долж­ ны все время находиться в изотермических условиях — в термосе со льдом или в термостате при постоянной температуре. Горячие концы термопар (спаи) при ра­ боте должны быть углублёны в материал до центра тиг-

165

ля. При этом необходимо обеспечить хороший контакт поверхности спаев с веществом.

Для записи потерь веса используют третий зеркаль­ ный гальванометр термографа. Чтобы получить э. д. с, способную повернуть зеркальце гальванометра, приме­ няют следующую схему. На настенной плите монтируют столик, на который устанавливают торзионные весы со шкалой на 500 пли 1000 мг. К коромыслу весов подве­ шивают на нихромовой проволоке диаметром 0,03— 0,05 мм платиновую чашечку или тигель 20 (см. рис. 34) (можно кварцевый). Их помещают в ту же печь, кото­ рую использовали при проведении работы по снятию кривых ДТА. Печь отстоит от торзионных весов по высо­ те на расстоянии 50—80 см. При изменении веса мате­ риала в тигле равновесие торзионных весов нарушается. От специального механизма весов, регулирующего их равновесное положение, электрический ток подается в третий зеркальный гальванометр, который также с по­ мощью светового луча фиксирует на фотобумаге кривую потери веса.

Ход работы при проведении термографического анализа на приборе ФПК-59

Качественный фазовый термографический анализ ве­ ществ основан на том, что температурные границы пре­ вращения веществ практически неизменны независимо от того, находится ли исследуемое соединение в чистом виде или в смеси с другими солями пли минералами. При этом необходимо, чтобы вещества, содержащиеся в сме­ си, при нагревании не реагировали друг с другом. Сле­ довательно, при нагревании смеси минералов, темпера­ турные эффекты превращения которых не совпадают, эти соединения можно идентифицировать. Если минерал характеризуется несколькими термическими эффектами, то совпадение некоторых из них с эффектами других со­ единений может не помешать правильному качественно­ му анализу.

Затвердевшее цементное тесто (цементный камень) дробят до кусочков размером около 1—3 мм в агатовой или фарфоровой ступке. Навеску дробленого материала, равную 1—2 г, переносят в бюкс, заливают абсолютиро­ ванным этиловым спиртом и оставляют в покое на 10— 20 ч, затем отделяют спирт от материала путем фильт-

166

рации через бумажный фильтр. Для более полного обез­ воживания осадок прямо на фильтре 2—3 раза промы­ вают серным эфиром. Обезвоженные кусочки материала измельчают в ступке до порошка, проходящего через си­ та 008 или 006. Эту операцию нужно вести в специальной камере, исключающей карбонизацию компонентов вяжу­ щего. После этого от порошка отбирают среднюю навес­ ку, равную 0,3—0,8 г, которую и помещают в корундо­ вый или платиновый тигель термографа. Аналогичным образом подготавливают препараты из затвердевших об­ разцов других видов вяжущих веществ (извести, гипса и др.).

Выбирают эталонное вещество. Оно необходимо для получения нормального термотока в цепи дифференци­ альной термопары. Основное требование к эталонному веществу — отсутствие в нем каких-либо превращений при нагревании до нужной температуры. Кроме того, теплопроводность и теплоемкость эталонного вещества должны быть близкими к характерным для исследуемо­ го вещества. В качестве эталонных веществ высокотем­ пературного термографического анализа широко исполь­ зуются кварц, прокаленные MgO и А12 03 .

Чтобы дифференциальная термическая кривая шла строго горизонтально, необходимо также соблюдать сле­ дующие условия: дисперсность исследуемого и эталон­ ного веществ должна быть близкой, степень их уплотне­ ния в тиглях одинаковой, навески исследуемого и эта­ лонного вещества равными.

Тигельки наполняют соответственно исследуемым или эталонным веществом доверху и уплотняют многократ­ ным постукиванием о стол. Заполненные материалами тигли переносят в печь и устанавливают на специальной подставке непосредственно на термопары. При этом на горячий спай простой (температурной) ветви комбини­ рованной термопары помещают тигель с исследуемым

Из кожуха пирометра извлекают фотокамеру с бара­ баном и наматывают на барабан лист фотобумаги при красном свете в фотокомнате. Фотокамеру закрывают, продольную щель в ней задвигают шторой, после чего фотокамеру вставляют на'свое место в корпус пиромет­ ра. К валу барабана присоединяют фрикционную пере-

167

дачу, с помощью рукоятки приводят в зацепление ту па­ ру шестерен, которая обеспечивает требуемую скорость вращения барабана. Чаще всего запись термической кри­

рис. 34). Для этого освобождают коромысло весов, пере­ двигая вправо (положение «свободно») его рычаг, и уста­ навливают стрелку весов на нулевое деление шкалы ве­ сов. Закрепляют коромысло весов и подвешивают на не­ го тигель 20. Тигель нужно располагать посредине печи над тиглями 18, 19 для съемки термограммы или на од­ ном уровне с ними.

Включают в сеть напряжением 220 в потенциометр 17 и реле /, а через одну минуту тумблером включают электропитание на всю систему термографа. Ток от реле через трансформатор напряжением 2,5 в поступает на индукционную катушку торзионных весов, которая долж­ на разогреваться 10—15 мин. После этого взвешивают пустой тигель 20. Записывают по показаниям шкалы вес тигля в мг. Закрепляют коромысло весов, вынимают ти­ гель из печи, наполняют его 100—200 мг исследуемого вещества, уплотняя его путем постукивания, вновь под­ вешивают тигель к коромыслу и взвешивают. По разно­ сти между весом пустого и заполненного материалом тиг­ лей определяют величину навески. После этого печь за­ крывают крышкой.

Тумблерами включают осветители 13. Контролируют по шкале визуального наблюдения положение «зайчи­ ков»: луч света, записывающий простую температурную кривую, должен находиться в левой части, записываю­ щий дифференциальную кривую — в середине и записы­ вающий термовесовую кривую — в правой части шкалы. После прекращения колебания «зайчиков» ключом, вво­ димым в отверстие, на левой стороне кожуха пирометра поворачивают штору фотокамеры до положения «откры­ то». В этом случае лучи «зайчика» попадают на фотобу­ магу. Для последующего более точного определения тем­ ператур при расшифровке термограммы перед началом опыта отмечают (экспонируют) на фотобумаге нулевые точки. Для этого барабан вручную поворачивают вокруг оси с периодическими остановками на определенных де­ лениях лимба, после чего вновь возвращают в исходное положение.

168

Устанавливают стрелку трансформатора на опреде­ ленное начальное напряжение, а шестерни редуктора привода фиксируют в заданном положении, обеспечи­ вающем требуемую скорость подъема температуры в печи. Включают печь, ее привод и привод фотобара­ бана.

После записи термической кривой пирометр отключа­ ют от электросети автоматически потенциометром 17 пос­ ле достижения заданной температуры. Закрывают клю­ чом шторку щели фотобарабана, а также переводят все тумблеры в положение «выключено». Фотобарабан с кас­ сетой вынимают из кожуха установки, переносят в фото­ лабораторию, извлекают из него фотобумагу и проявля­ ют ее при красном свете в метол-гидрохиноновом проявителе для большей контрастности. Проявленную фотобумагу при сушке во избежание сжатия или растя­ гивания нельзя накатывать на стекло или пластины электроглянцевателя. Полученную термограмму оформ­ ляют и расшифровывают.

грамма нуждается в дополнительном оформлении. По ну­ левым точкам, которые проявились на фотобумаге в результате ее засвечивания лучами света, отраженны­ ми от зеркал гальванометров в начале опыта, проводят ось абсцисс. В точке начала записи температурной кри­ вой возводят перпендикуляр к оси абсцисс и получают ось ординат. На оси абсцисс откладывают значения вре­ мени в минутах в масштабе, зависящем от скорости вра­ щения барабана. На оси ординат копируют температур­ ную линейку. Чтобы установить температуру того или иного эффекта на дифференциальной кривой, на термо­ грамму накладывают простую линейку так, чтобы она была параллельна оси ординат, а край ее проходил бы через требуемую точку кривой, и проводят вертикальную линию. Место пересечения этой линии с кривой простой температурной записи является той точкой, по которой определяют температуру. Температуру отсчитывают по оси ординат, проводя через указанную точку линию, па­ раллельную оси абсцисс. Через дифференциальную кри­ вую проводят также нулевую линию, параллельную оси абсцисс. Температуры начала, максимума и конца тер­ мических эффектов проставляют непосредственно на фо-

169