阅读说明：本技术 高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法 (Device and method for measuring contact angle between high-temperature liquid molten drop and wall surface ) 是由 朱恂 何先琰 王宏 谢震廷 丁玉栋 廖强 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法；高温液态熔滴与壁面接触角测量装置,包括高温熔炉、坩埚钳、坩埚、坩埚盖、待测工质、待测壁面、可控温实验台和高速摄像仪和计算机；其特征在于：所述坩埚由底座和锅体构成；底座位于锅体的下部；所述底座为圆柱型,底座的侧壁设置有第一方孔；所述锅体为圆锥型,该锅体的内部中空且顶部开有孔,同时锅体的内壁面为下小上大的锥形面；所述锅体的外壁面的上部设置为竖直面；所述坩埚盖设置在坩埚的上方,坩埚盖的外沿向下延伸,形成与坩埚的结合部,所述结合部通过螺纹与坩埚连接；坩埚盖的顶部设置有凸柄,凸柄的一侧设置有第二方孔；本发明可广泛应用在冶金、化工、能源等领域。(The invention discloses a device and a method for measuring the contact angle between a high-temperature liquid molten drop and a wall surface; the device for measuring the contact angle between the high-temperature liquid molten drop and the wall surface comprises a high-temperature smelting furnace, crucible tongs, a crucible cover, a working medium to be measured, the wall surface to be measured, a temperature-controllable experiment table, a high-speed camera and a computer; the method is characterized in that: the crucible consists of a base and a pot body; the base is positioned at the lower part of the pot body; the base is cylindrical, and a first square hole is formed in the side wall of the base; the pot body is conical, the inside of the pot body is hollow, the top of the pot body is provided with a hole, and the inner wall surface of the pot body is a conical surface with a small lower part and a large upper part; the upper part of the outer wall surface of the pot body is a vertical surface; the crucible cover is arranged above the crucible, the outer edge of the crucible cover extends downwards to form a combined part with the crucible, and the combined part is connected with the crucible through threads; a convex handle is arranged at the top of the crucible cover, and a second square hole is arranged at one side of the convex handle; the invention can be widely applied to the fields of metallurgy, chemical engineering, energy sources and the like.)

高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高温液态熔滴测量领域，特别是涉及一种高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法。

背景技术

矿石熔炼、煤粉燃烧及等离子喷涂过程中会产生大量的高温液态熔滴撞击和附着壁面现象。高温熔滴在壁面的浸润、铺展与粘/脱附等固液界面行为对冶炼、燃烧和喷涂工艺均具有重要影响，而熔滴与壁面的接触角是预测固液界面行为的重要参数。因此，获得高温液态熔滴与壁面接触角对相关工艺的设计和材料的选用具有重要指导意义。此外，在基础研究领域，受制于装置熔蚀和温度控制难等问题，高温熔体的气液固界面现象的研究仍存在较大不足，而体液滴与壁面的接触角是重要的表征参数。因此亟待开发适应高温液态工质的接触角测量技术。

将小液滴缓慢滴落在固体壁面上，可根据拍摄液滴侧面轮廓测量出液滴与壁面的接触角。但现有的接触角测量装置和技术无法满足相关过程中高温液态熔滴与壁面接触角的测量需求。一方面现有操作较易的液滴与壁面接触角测量装置均是针对低温液体，无测量装置对高温的耐受问题，因而可以方便控制液体和壁面的温度，实现液滴与壁面准静态接触，实现测量目的；另一方面已有高温液态熔滴与壁面接触角的测量设备只能将壁面置于熔滴产生装置中，测量前壁面将与高温工质一同被加热，即使对壁面底部进行冷却，壁面温度依然很高，因而只能测壁面处于高温状态下的接触角，而相关过程中涉及高温熔体与较低温度壁面接触时的接触角无法测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

高温液态熔滴与壁面接触角测量装置，包括高温熔炉、坩埚钳、坩埚、坩埚盖、待测工质、待测壁面、可控温实验台和高速摄像仪和计算机；其特征在于：所述坩埚由底座和锅体构成；底座位于锅体的下部；所述底座为圆柱型，底座的侧壁设置有第一方孔；所述锅体为圆锥型，该锅体的内部中空且顶部开有孔，同时锅体的内壁面为下小上大的锥形面；所述锅体的外壁面的上部设置为竖直面；所述坩埚盖设置在坩埚的上方，坩埚盖的外沿向下延伸，形成与坩埚的结合部，所述结合部通过螺纹与坩埚连接；在坩埚盖的结合部上设置有缺口；缺口位于第二方孔的左侧或者右侧；缺口的上方开有流出孔，流出孔与锅体的内部相通；坩埚盖的顶部设置有凸柄，凸柄的一侧设置有第二方孔，当坩埚盖与坩埚螺纹连接后，第二方孔与第一方孔位于同侧；坩埚钳的夹持端分别***第一方孔和第二方孔内。

待测工质置于坩埚内，坩埚盖通过螺纹与坩埚连接，坩埚置于高温熔炉内以加热熔化高温液态熔滴至设定温度，同时将待测壁面置于可控温实验台上，使待测壁面加热或冷却至规定温度；利用坩埚钳使坩埚从高温熔炉内移出并使坩埚侧翻，高温液态熔滴通过流出孔滑落至待测壁面上。

高速摄像仪拍摄高温液态熔滴滑落至待测壁面的图像，传输到计算机；计算机根据图像计算高温液态熔滴与壁面的接触角。

本发明通过设置第二方孔与第一方孔，保证坩埚在翻转过程中坩埚钳的稳定控制；锅体的内侧壁为锥形面，外壁面的上部设置为竖直面，使坩埚盖与锅体实现螺纹连接，同时便于熔滴在翻转过程中缓慢滑落至待测壁面。流出孔用于熔滴通过流出孔滑落至待测壁面上。

本发明可对高温液态熔滴和壁面温度进行调节，且熔滴从出炉到接触壁面的较短时间内，受到高温坩埚和坩埚盖防护有效避免了此过程中的温度下降，从而实现了不同温度的熔滴和不同温度壁面条件下的接触角的测量，此装置不同于熔炉内工质的接触角测量方法，克服了壁面温度难以调节的局限性。

根据本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置的优选方案，所述缺口为长条型孔，长条型孔的长度为坩埚盖周长的1/4至1/2。

本发明的第二个技术方案是：高温液态熔滴与壁面接触角测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一、制作坩埚和坩埚盖：所述坩埚由底座和锅体构成；底座位于锅体的下部；所述底座为圆柱型，底座的侧壁设置有第一方孔；所述锅体为圆锥型，该锅体的内部中空且顶部开有孔，同时锅体的内壁面为下小上大的锥形面；所述锅体的外壁面的上部设置为竖直面；所述坩埚盖设置在坩埚的上方，坩埚盖的外沿向下延伸，形成与坩埚的结合部；在结合部设置有缺口；缺口位于第二方孔的左侧或者右侧；缺口的上方开有流出孔，流出孔与锅体的内部相通；坩埚盖的顶部设置有凸柄，凸柄的一侧设置有第二方孔，当坩埚盖与坩埚螺纹连接后，第二方孔与第一方孔位于同侧。

第二、待测工质置于坩埚内，坩埚盖通过螺纹与坩埚连接，坩埚置于高温熔炉加热熔化成高温液态熔滴至设定温度。

第三、将待测壁面置于可控温实验台上，加热或冷却至设定温度。

第四、将坩埚钳的二端分别***第一方孔和第二方孔内，利用坩埚钳从高温熔炉中取出坩埚并置于待测壁面上方。

第五、转动坩埚钳使坩埚侧翻，高温液态熔滴通过流出孔缓慢滑落至待测壁面上；以保证熔滴在滑落于待测壁面时无明显形变。

第六、高速摄像仪拍摄高温液态熔滴滑落至待测壁面的图像，传输到计算机；计算机根据图像中的液滴轮廓计算高温液态熔滴与壁面的接触角。

根据本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量方法的优选方案，所述缺口为长条型孔，长条型孔的长度为坩埚盖周长的1/4至1/2。

本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法的有益效果是：本发明通过高温熔炉制取高温液态熔滴，通过可控温实验台设定待测壁面特征温度，利用坩埚钳夹持、翻转和打开坩埚与坩埚盖，使高温熔滴缓慢滑落至待测壁面上，同时用相机拍下液滴与壁面接触的侧面图像，根据图像中的液滴轮廓即测出高温熔滴与壁面之间的接触角，方法简单，实施方便，并可获得不同温度的熔滴和不同温度壁面条件下的接触角的测量方案，本发明能满足高温熔体与不同固体材料之间接触角的测量；此方法不同于熔炉内工质的接触角测量方法，克服了壁面温度难以调节的局限性；本发明可广泛应用在冶金、化工、能源等领域。

附图说明

图1是本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置结构示意图。

图2是本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置中坩埚钳与坩埚、坩埚盖外形结构及配合关系示意图。

图3是本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置中坩埚俯视图。

图4是图3的A-A向剖视图。

图5是本发明所述的高温液态熔滴与壁面接触角测量装置中坩埚盖俯视图。

图6是图5的B-B向剖视图。

图7a是本发明具体实施例中拍摄的高温液态熔滴躺滴在壁面的侧面图像。

图7b是具体实施例中液滴尺寸测量示意图。

图7c是具体实施例中测量得到的高温液态熔滴与壁面夹角。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：参见图1至图6，高温液态熔滴与壁面接触角测量装置，包括高温熔炉1、坩埚钳2、坩埚3、坩埚盖4、待测工质5、待测壁面6、可控温实验台7和高速摄像仪8和计算机9；所述坩埚3由底座31和锅体32构成；底座位于锅体的下部；所述底座为圆柱型，底座31的底部中空，便于减轻重量和便于控制坩埚3。底座的侧壁设置有第一方孔33；第一方孔33为通孔，将底座前后惯通；所述锅体32为圆锥型，该锅体32的内部中空且顶部开有孔，同时锅体32的内壁面为下小上大的锥形面；所述锅体32的外壁面的上部设置为竖直面34；所述坩埚盖4设置在坩埚3的上方，坩埚盖4的外沿向下延伸，形成与坩埚3的结合部42，所述结合部42通过螺纹与坩埚3连接；在坩埚盖4的结合部上设置有缺口44；缺口44位于第二方孔43的左侧或者右侧；缺口44的上方开有流出孔45，流出孔45与锅体32的内部相通；坩埚盖4的顶部设置有凸柄41，凸柄41的一侧设置有第二方孔43，第二方孔43为通孔，将凸柄41前后贯通；当坩埚盖4与坩埚3螺纹连接后，第二方孔43与第一方孔33位于同侧；坩埚钳2的夹持端分别***第一方孔33和第二方孔43内。

待测工质置于坩埚3内，坩埚盖4通过螺纹与坩埚3连接，坩埚3置于高温熔炉1内以加热熔化高温液态熔滴至设定温度，同时将待测壁面6置于可控温实验台7上，使待测壁面6加热或冷却至规定温度；利用坩埚钳2使坩埚3从高温熔炉1内移出并使坩埚3侧翻，高温液态熔滴通过流出孔45滑落至待测壁面6上。

高速摄像仪8拍摄高温液态熔滴滑落至待测壁面6的图像，传输到计算机9；计算机9根据图像计算高温液态熔滴与壁面的接触角。

在具体实施例中，所述缺口44为长条型孔，长条型孔的长度为坩埚盖4周长的1/4至1/2。坩埚3和坩埚盖4均采用石墨材料制成。待测壁面6采用氮化铝陶瓷板。设置缺口44是为了减重，同时便于控制坩埚3和坩埚盖4翻转。

实施例2.高温液态熔滴与壁面接触角测量方法，该方法包括如下步骤：

第一、制作坩埚3和坩埚盖4：所述坩埚3由底座31和锅体32构成；底座位于锅体的下部；所述底座为圆柱型，底座的侧壁设置有第一方孔33；所述锅体32为圆锥型，该锅体32的内部中空且顶部开有孔，同时锅体32的内壁面为下小上大的锥形面；所述锅体32的外壁面的上部设置为竖直面34；所述坩埚盖4设置在坩埚3的上方，坩埚盖4的外沿向下延伸，形成与坩埚3的结合部42；在坩埚盖4的结合部上设置有缺口44；缺口44位于第二方孔43的左侧或者右侧；缺口44的上方开有流出孔45，流出孔45与锅体32的内部相通；坩埚盖4的顶部设置有凸柄41，凸柄41的一侧设置有第二方孔43，当坩埚盖4与坩埚3螺纹连接后，第二方孔43与第一方孔33位于同侧。

第二、待测工质置于坩埚3内，坩埚盖4通过螺纹与坩埚3连接，坩埚3置于高温熔炉1加热至630℃，使待测工质熔化成高温液态熔滴至设定温度。

第三、将待测壁面6置于可控温实验台7上，加热或冷却至设定温度。

第四、将坩埚钳2的夹持端分别***第一方孔33和第二方孔43内，利用坩埚钳2从高温熔炉1中取出坩埚3并置于待测壁面6上方。

第五、转动坩埚钳2使坩埚3向缺口44方向侧翻，使高温液态熔滴通过流出孔45缓慢滑落至待测壁面6上；且高温液态熔滴5在落于待测壁面6时无明显形变。

第六、高速摄像仪8拍摄高温液态熔滴滑落至待测壁面6的图像，传输到计算机9；计算机9根据图像计算高温液态熔滴与壁面的接触角。

在具体实施例中，所述缺口44为长条型孔，长条型孔的长度为坩埚盖4周长的1/4至1/2。

在具体实施例中，高速摄像仪8的型号为Phantom V5.1,Vision Research Co，图7a为高速摄像仪8拍摄的高温液态熔滴躺滴在壁面的侧面图像，是与壁面接触侧面轮廓图，推荐使用半高法进行液滴接触角计算，根据图7b液滴尺寸测量示意图，即θ＝2arctan(2h/D)，其中θ为接触角，h为熔滴在壁面上的高度，D为熔滴浸润壁面的直径，图7c中获得的接触角测量结果为87°。

本发明实现了温液态熔滴与壁面接触角的准确测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。