一种液态金属密度测量设备及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种液态金属密度测量设备及测量方法，适用于绝大多数金属、合金 或其它非金属材料在烙融态下密度的测量。
【背景技术】
[0002] 密度作为描述物质状态的一个重要序参量，无论是对于空间长程有序的固体晶 体，还是对于长程无序的液体和气体，其重要性都不言而喻。在液态金属或合金中，密度是 反映体系原子堆积状态的最直接的参数，其数值大小直接决定了表征烙体空间原子结构的 径向分布函数的大小。在液-液转变、液-固相转变等现象中，密度是构建相关理论的基 础。在讨论液态金属的基本行为和性质时，密度更是不可缺少的基本物理量，液态金属所有 的基本性质，如粘度、表面张力等都与液态金属密度息息相关。
[0003] 在工程应用的方面，液态金属的密度广泛应用于提炼过程中物质平衡，金属-烙 渣的反应动力学，冶炼炉中传热计算等。对于液态金属和炉渣的分离过程，非金属夹渣物在 液态金属中上浮的速度主要取决于液态金属和炉渣两相的密度差。此外，液态金属或合金 体积变化的规律及微观机制对理解凝固过程具有重要意义。因此无论从工程技术方面还是 科学研究方面来看，获得精确的液态金属或合金的密度数据都具有非常重要的意义。
[0004] 对于常溫下固态金属密度的测量非常简单方便，已有前人做过大量工作。然而与 常溫固态金属情形不同，对于高溫金属或合金烙体的密度，迄今为止还没有方便、快捷的测 量手段。在过去的几百年间，人们已经测量和积累了部分的液态纯金属和二元合金密度的 数据，但由于技术条件的限制，比较可靠的数据还仅限于普通的低烙点金属及其合金，对于 其他金属或合金，由于金属化学活性太强或烙点太高，精确的烙体密度值还有待测量。总而 言之，已有的液态金属或合金的密度数据，无论是精度上还是数量上都还远不能满足科学 研究和工程应用的要求。 阳〇化]在液态金属和合金密度的测量技术方面，目前比较常见的测量方法主要有Archimedean法、密度计法和膨胀计法等。但运些方法都有不同程度的缺陷和不足。如 Archimedean法要求液态金属实验的体积较大，而且实验辅助材料的选取困难，限制因素较 多；而对于膨胀计法，表面张力的存在毫无疑问会影响实验的测量精度。因此，为了促进液 态金属和合金相关理论和应用的发展，获得更多、更精确的液态金属和合金的密度数据，需 要开发出一种操作简单方便、测量范围广、测量精度高的烙体密度测量设备及测量技术。
【发明内容】
[0006] 本发明为了克服现有技术存在的不足之处，提出了一种液态金属密度的测量设备 及测量方法，W期能利用操作简单、测量方便的测量设备获得精确度高的液态金属和合金 的烙体密度数据，从而能为液态金属和合金的相关理论研究和工程应用提供可靠的技术支 持和数据支撑。 阳007] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[000引本发明一种液态金属密度测量设备的特点是包括：顶板、上端石英管、待测试金属 样品、下端石英管、固定石墨块和滑动块；
[0009] 由所述顶板、滑动块和固定石墨块按从上到下的顺序构成主体模块；所述滑动块 在所述顶板和固定石墨块之间为水平可移动结构；
[0010] 在所述滑动块的轴向位置处设置有所述上端石英管；在所述固定石墨块的中屯、沿 轴向位置处设置有所述下端石英管；在所述固定石墨块内，处于所述下端石英管的下方设 置有调节顶杆；
[0011] 所述上端石英管与所述下端石英管能在所述滑动块的作用下形成第一工作位和 第二工作位；
[0012] 所述第一工作位为：所述上端石英管与所述下端石英管在互相对接的位置处，从 而能形成一整体空腔；在所述整体空腔内设置有所述待测试金属样品；
[0013] 所述第二工作位为：所述上端石英管与所述下端石英管在互相错开的位置处。
[0014] 本发明一种液态金属密度测量设备的应用的特点是应用于真空测量系统中；所述 真空测量系统包括：计算机、加热电路和测溫电路、真空腔体、金属加热台、T字头推杆、冷 却循环系统、真空系统W及通讯溫控仪和交流变压器组合电路；
[0015] 在所述真空腔体内设置有所述金属加热台，在所述金属加热台中设置有所述液态 金属密度测量设备；
[0016] 所述T字头推杆贯穿所述真空腔体的侧壁；并与所述滑动块固定连接，从而利用 所述T字头推杆使得所述滑动块能在所述主体模块中滑动，从而形成第一工作位与第二工 作位；
[0017] 所述真空腔体分别与所述冷却循环系统和所述真空系统相连通；
[0018] 所述通讯溫控仪和交流变压器组合电路与所述计算机相连通，并通过所述加热电 路和测溫电路与所述金属加热台相连通；
[0019] 所述真空测量系统是通过所述计算机设置所述通讯溫控仪和交流变压器组合电 路的加热溫度，并通过所述加热电路和测溫电路传递给所述金属加热台；所述加热电路和 测溫电路还实时反馈液态金属密度测量设备的溫度给所述计算机；同时通过所述计算机设 置所述真空腔体的真空度，并控制所述真空系统获得所述真空度；通过所述冷却循环系统 控制所述真空腔体和所述待测试金属样品的溫度；从而获得冷却后的待测试金属样品。
[0020] 本发明一种液态金属密度测量设备的测量方法的特点是按如下步骤进行：
[0021] 步骤、称量下端石英管的重量，记为Ml;
[0022]步骤、将已知密度为P1的乙醇溶液注满所述下端石英管中，并称量总质量，记为 M2；
[0023] 步骤3、利用式（1)获得所述下端石英管的内腔体积V:
[00巧]步骤、设置滑动块与固定石墨块处在第一工作位上，并将待测试金属样品置于对 接后的整体空腔内，并使得所述待测试金属样品的高度位于所述上端石英管高度的一半W 上；
[00%] 步骤、在计算机中设置真空腔体的真空度，所述待测试金属样品的加热溫度T及 其加热方式；
[0027] 步骤、利用所述真空系统将所述真空腔体抽真空至所设定的真空度；
[002引步骤、利用加热电路和测溫电路将待测试金属样品加热至所设定的加热溫度T，并 保溫t时间；从而获得液态的待测试金属样品；
[0029] 步骤、利用所述T字头推杆推动所述滑动块至第二工作位；从而在所述上端石英 管和所述下端石英管中分别形成有所述液态的待测试金属样品；
[0030] 步骤、通过所述冷却循环系统冷却所述液态的待测试金属样品，从而分别凝固为 上端固态的待测试金属样品和下端固态的待测试金属样品；
[0031] 步骤、称量所述下端石英管和所述下端固态的待测试金属样品的总质量，记为Ms;
[0032]步骤11、利用式（2)获得所述待测试液态金属样品的密度P，从而实现液态金属 密度的测量：
[0034] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0035] 1、本发明测量设备操作简单，测量方便；同时本测量设备具有很好的移植性，测 量环境容易搭建；此外，本发明的测量范围非常广，一方面，被测量系统的复杂程度对本发 明不构成限制，本发明不仅能方便地获得一般纯金属烙体的密度数据，而且能测量二元、= 元及多组元合金构成的烙体系统；另一方面，本发明能测量的溫度、成分范围都非常广，除 了一般的低烙点金属及其合金，对于高烙点、高化学活性的金属或合金同样能进行有效测 量； 阳036] 2、本发明通过测量指定体积的高溫烙体的质量来获得相应液态金属和合金的密 度数值，其测量过程不受表面张力的影响，因此，测量数据的精度高，获得的液态金属和合 金的密度数据值准确；
[0037] 3、本发明测量过程中对被测样品的限制少，实验辅助材料选取常见已知密度的液 体如水或乙醇即可，实验辅助材料易于选择，即实验测量易于进行，便于本发明进行大量推 广和应用。
【附图说明】
[003引图la为本发明一种实施例的第一工作位示意图；
[0039] 图化为本发明一种实施例的第二工作位不意图；
[0040] 图Ic为本发明另一种实施例的第一工作位示意图；
[0041] 图Id为本发明另一种实施例的第二工作位示意图；
[0042] 图2为W本发明测量设备构成的测试系统示意图；
[0043] 图中标号：1顶板；2上端石英管；3待测试金属样品；4下端石英管；5固定石 墨块；6滑动块；7计算机；8加热电路和测溫电路；9真空腔体；10金属加热台；11T字 头推杆；12冷却循环系统；13真空系统；14通讯溫控仪和交流变压器组合电路。
【具体实施方式】
[0044] 为了对本发明做进一步的论述，下面将结合两个四兀合金CewAlin化19.5〔〇〇.5和 Ce^Ali。化isC〇2的液态密度测量实例进行具体说明。 W45] 本发明实例样品均由纯度为99. 99%的A1、化和Co及99%的Ce的原材料配制而 成。配制完成后，需利用空烙炼炉吸铸为2mm的棒状样品，测量实验进行前需将样品表面抛 光、打磨保证样品能放入内径为2mm的石英管中，吸铸过程采用氣气保护，为了保证成分均 匀，样品在真空烙炼炉内需至少烙炼5次。
[0046] 本发明中提出的用于测量液态合金〔67。411。化19.5〔〇。.5和〔6 7。411。〇11沁〇2的密度的 设备包括如下特征：顶板1、上端石英管2、待测试金属样品3、下端石英管4、固定石墨块5 和滑动块6,如图1所示，其中上端石英管2和下端石英管4的内径为2mm;
[0047] 由顶板1、滑动块6和固定石墨块5按从上到下的顺序构成主体模块；滑动块6在 顶板1和固定石墨块5之间为水平可移动结构；在后续测量过程中，能通过滑动块6在主体 模块中的水平滑动，实现第一工作位与第二工作位之间的切换，从而获得待测液态金属或 合金在指定体积下质量，进而得到金属或合金烙体的在指定溫度下精确的密度数值；
[0048] 在滑动块6的轴向位置处设置有上端石英管2;在固定石墨块5的中屯、沿轴向位 置处设置有下端石英管4 ;在固定石墨块5内，处于下端石英管4的下方设置有调节顶杆；
[0049] 上端石英管2与下端石英管4能在滑动块6的作用下形成第一工作位和第二工作 位；
[0050] 第一