Emissiveness of technical cadmium and zinc

Full Text

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

Металл	Марка	Массовая доля, не менее	Массовая доля примесей, не более
Кадмий	Кд1	99.93	Zn	Pb	Fe	Cu		Tl
			0.005	0.03	0.003	0.01		0.01
Цинк	Ц1	99.95	Cd	Pb	Fe	Cu	Sn	As	Al
			0.01	0.02	0.01	0.002	0.001	5·10–4	0.005

 

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

Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn
410	0.023	500	0.033	578	0.043	633	0.101	761	0.123
432	0.025	520	0.034	589	0.044	677	0.108	791	0.128
456	0.027	543	0.037	605	0.095	710	0.115	823	0.135
470	0.029	560	0.042	620	0.096	740	0.121	860	0.138

 

Таблица 3. Значения ε_tn цинка

Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn
405	0.022	565	0.033	680	0.042	730	0.121	847	0.147
427	0.024	621	0.036	690	0.043	751	0.127	890	0.151
465	0.027	638	0.038	700	0.110	774	0.132	905	0.154
533	0.032	665	0.039	710	0.113	818	0.141	943	0.155

 

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

λ. μm	кадмий	цинк
	Тэксп. = 582 К	Тэксп. = 685 К
	ελn
0.26	0.224	0.236
0.42	0.192	0.212
0.69	0.151	0.156
0.99	0.134	0.141
1.63	0.105	0.107
1.97	0.091	0.096
4.2	0.065	0.069
7.3	0.047	0.058
10.6	0.042	0.048

 

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.

About the authors

D. V. Kosenkov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “KNITU”

Author for correspondence.
Email: dmi-kosenkov@yndex.ru
Russian Federation, Kazan

V. V. Sagadeev

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “KNITU”

Email: dmi-kosenkov@yndex.ru
Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files