Диссертация (1025572), страница 6
Текст из файла (страница 6)
По своей физической сущности процесс послойногоформирования модифицированного ледового массива имеет больше аналогий спроцессом инееобразования. Вносимые соединения, аналогично парам влаги,распределяются не только по поверхности льда, но и диффундируют внутрь36массива.Такимобразом,получитьаналитическоерешениезадачикристаллизации не представляется возможным на данном этапе. Определитьпервоначальное распределение модификаторов в массиве льда возможнотолько экспериментально.Подтверждает данный вывод анализ научно-технической литературы поочистке воды от примесей вымораживанием.
Структура льда и его химическийсостав определяются сценарием кристаллообразования. Аналогично процессуинееобразования, в зависимости от скорости охлаждения и направлениятеплоотвода кристаллизация может проходить с образованием плоского фронтаили с образованием дендритов. При этом наибольшая степень очистки водыпри ее замораживании наблюдается при отсутствии образования дендритов нафронте кристаллизации.
В статье 2009 года [42] рассмотрена эффективностьочистки воды от примесей в зависимости от доли образующегося льда искоростизамораживания.Замораживаниеобразцоввэкспериментепроводилось в цилиндрических формах в холодильной камере (объемноезамораживание). Согласно экспериментальным данным кристаллизация собразованием плоского фронта идет при скорости замораживания менее0,05 см/ч (0,00014 мм/с), а образование дендритов начинается при скорости0,10 см/ч (0,00030 мм/с).В иностранной статье 2013 [43] представлены экспериментальныеданные, согласно которым при кристаллизации льда с образованием плоскогофронта линейная скорость движения фронта замораживания составляетот 0,01 до 0,10 мм/с.
При замораживании со скоростью более 1,00 мм/скристаллизация осуществляется с образованием дендритов (Рисунок 1.14). Входе эксперимента формирование льда осуществлялось на охлаждаемойповерхности в условиях практически одномерного теплоотвода.Представленные различные количественные оценки скорости движенияфронта замораживания в условиях отсутствия образования дендритов нафронте кристаллизации связаны, вероятнее всего, с различной физическойкартинойтеплоотвода:либоодномерныйтеплоотвод,либообъемное37охлаждение.Припроведенииэкспериментальныхисследованийкристаллизации чистого водного раствора (дистиллированной воды) в условияходномерного теплоотвода авторы зафиксировали изменение структуры льда,повторяющеефизическуюкартинуинееобразования.Первоначальнопроизошло образование дендритов у теплопередающей поверхности, а вдальнейшем по мере удаления кристаллизация происходила с образованиемплоского фронта.
По мнению авторов, изменение сценария кристаллизацииопределяетсявеличинойлокальногопереохлажденияжидкости.Экспериментальные данные представлены на Рисунке 1.15.дендритыпереохлаждение, ΔºСРисунок 1.14. Зависимость сценария кристаллизации от скоростизамораживания [43]Рисунки 1.15. Изменение сценария кристаллизации чистого льда [43]381.2.3. Образование льда в гляциологииВ гляциологии изучаются особенности кристаллизации водных растворовв реальных условиях. В процессе формирования возможны флуктуациитемпературного режима и химического состава воды, влияют различныевнешние механические воздействия, ветра и т.д.
Возможны также нарушениягоризонтальной послойности образующегося льда вследствие разломов иторошения. Это обусловливает определенную стохастичность и различия вструктуре и химическом составе льда.ВмонографииэкспериментальныеИ.С.данныеПесчанскогоо структуре[44]широкои текстурепредставленыприродного льда(пресноводного и морского) с рассмотрением условий их льдообразования.Рассмотрены основные закономерности физики льда (процесс кристаллизацииводы, тепловой баланс ледового покрова, условия роста льда), при этомвпервые учитывается географический фактор. Автор выделяет порядка десятиосновных типов природного льда в зависимости от гидрологического режимаводоема. Аллотриоморфнозернистую структуру (Рисунок 1.16, а) имеет лед,образованный при сильном перемешивании замерзающей воды и быстромохлаждении.
Кристаллы льда неправильной формы, без выраженных граней,оптическиеосикристалловориентированыхаотически.Столбчатаягипидиоморфнозернистая структура (Рисунок 1.16, б) характерна для пресногольда, образующегося в озерах и реках со слабым течением. Ориентацияоптических осей кристаллов вертикальная, т.е. по тепловому потоку.Кристаллы имеют вертикальное развитие и, как правило, утолщаются к низу.При схожем спокойном замерзании, но уже морской воды с большойсоленостью, образуется агрегатная структура (Рисунок 1.16, в). Грани болееизвилистые и изрезанные, каждый кристалл состоит из вертикальных брусков.Оптические оси кристаллов ориентированы горизонтально. В процессе ростаможет происходить излом и сдавливание природного льда.
Так радиально-39лучистая структура (Рисунок 1.16, г) характерна для льда, образующегося втрещинах и при повторном смерзании обломков пресного льда.а)б)в)г)Рисунок 1.16. Структура природного льда [44]Помимоструктурыльдаавторрассматриваеттекстурульда(пространственное распределение во льду различных включений). Форма ихарактер распределения включений во льду, а также их количествоопределяются условиями льдообразования. Смена условий намерзания льда вприродеприводиткярусномурасположениювключений.Еслиледобразовывался при сильном волнении поверхности водоема, то он содержитбольшое количество пузырьков воздуха круглой, овальной или неправильнойформы.
Такой лед называется «пузыристым». В речных и озерных льдахвоздушные включения имеют вид цилиндров, трубок, капилляров. Включенияпреимущественно расположены по границам кристаллов. Представленнаяклассификация льда условна, так как чаще всего лед имеет более сложнуюструктуру со смешением перечисленных различных типов. Несмотря накажущуюся монолитность, структура ледников чаще всего меняется наразличных уровнях горизонта. На протяжении всей книги автор отмечаетнеобходимость использования выводов смежных наук для полного описания40столь сложного объекта исследования, как ледяной покров. В качестве методовисследования структуры природного льда выделяются фотографирование льдапри различном увеличении, в поляризованном свете и с применениемкрасителей.Химический состав природного льда определяется химическим составомводы и скоростью замерзания [22]. Необходимо напомнить, что распределениепримесей во льду меняется на разных уровнях горизонта.
В работе авторприводит экспериментальные данные по зависимости концентрации некоторыххимических элементов в поверхностном слое льда толщиной от 0,5 до 1,0 мм ив исходной воде (Таблица 3).Таблица 3.Влияние исходного состава водыХимическийКонцентрация вОтношение концентрации в верхнем слоеэлементверхнем слое, мг/лк концентрации в исходной водеНатрий27,03Калий11,74Видно, что химический состав льда и исходной воды существенноотличается. Чем больше скорость кристаллизации, тем больше солейсодержится во льду (Таблица 4).
При низкой температуре скорость образованияльда возрастает, а миграционные процессы замедляются. Автор проводит лишькачественную оценку общих закономерностей формирования химическогосостава льда при разных температурах кристаллизации водных растворов.Таблица 4.Влияние температуры замерзанияТемпература замерзанияКонцентрация ионов, мг/лНатрийКалий-55,864,56- 207,305,5341В работе [23] большое внимание уделено обобщению экспериментальныхданных по исследованиям химического состава образующегося природногольда.
Морская вода состоит из большого количества компонентов, доликоторых могут отличаться на порядки друг от друга. Выделяется девятьосновных компонентов: непосредственно вода и ионы Na+ , Mg2+, Ca2+, K+, Cl–,SO2–, HCO3–, CO2–. В работе представлен график зависимости отношенияконцентраций различных ионов во льду (Kjл) и в исходной воде (Kjв) отскорости кристаллизации (Рисунок 1.17). Для экспериментальных данныхавторы приводят две расчетные кривые: 1 – расчетная кривая для Ca2+;2 – расчетная кривая для остальных ионов. Однако нигде не представленочисленное выражение данной зависимости, что делает проблематичнымиспользовать данные результаты при количественном решении каких-либосхожих задач.Рисунок 1.17. Химический состав природного льда в зависимости от скоростикристаллизации [23]Сравнениеэкспериментальныхрезультатовпосоотношениюконцентрации солей во льду и исходной воде в двух разных работах показываетих существенное различие.
В одной работе концентрации основных солевыхкомпонентов близки или несколько ниже концентраций в исходной воде, а подругим данным наблюдается различие в сторону увеличения концентрации.42Стольпротиворечивыеданныесвязанысзависимостьюсоотношенияконцентраций от возраста льда и его термического режима «жизни».1.3. Исследования по кристаллизации в металлургииВ основе принципа направленного воздействия на формируемуюструктуру льда лежат знания фундаментальных закономерностей процессакристаллизации. При создании модифицированного ледового покрытия важнополучитьледсминимальнымколичествомдефектовиобладающийидентичными по всей поверхности механическими и физическими свойствами.Схожиеисследованиязатвердеваниясвязизанимаюттехнологическиеструктурыцентральноемероприятия,твердойместоизменяющиефазывсусловиямиметаллургии.сценарийВсеформированияструктуры как льда, так и металлов, производятся при температурах, близких ктемпературеплавлениязаключаютсявтом,обеихчтосубстанций.впоследствииПринципиальныевсеметаллическиеотличияизделияэксплуатируются в зоне существенно более низких температур, и заметныхвнутренних структурных преобразований больше не происходит, а ледовыепокрытия в течение всего периода эксплуатации продолжают находиться в зонетемператур, близких к плавлению.
При этом, безусловно, наблюдаетсянекотораяпреемственностьвразвитииисследованийнаправленноговоздействия на физико-механические свойства природного льда и металлургии.Ниже представлены основные направления исследований в металлургии:описаны основные закономерности кристаллизации металлов и сплавов,приведены основные экспериментальные методы исследования процесса.В работе [45] аналогично представлено описание двух сценариевкристаллизации металлов (сплавов): с образованием плоского фронта и собразованием дендритов. Структура исследуемого образца может бытьопределена по изображению свободной верхней поверхности (Рисунок 1.18).При кристаллизации с образованием плоского фронта на поверхности43наблюдается характерная сетчатая структура.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
