3.3.Балқытылған қождың тұтқырлығы. Қату температурасы.

Тұтқырлық-бұл құрам мен температураға тәуелді сұйықтықтардың сезімтал сипаттамалары. Кейбір жағдайларда тұткырлықты ішкі ысылу коэффициенті деп те атайды. Ньютонның біржақты ағын үшін теңдігі тұтқырлықтың физикалық қасиетін түсіндіреді:

SF= nSdv/dx (4)

Мұндағы F-басқаға қарағанда бір жақты қозғалыс жасайтын сұйықтықтың қабатына әсер ететін күш, S-қабаттардың ауданы, dv/dx-жылдамдық градиенті, n-динамикалық тұтқырлық және жай ғана тұтқырлық деп аталатын пропорциональды коэффициент. Динамикалық тұтқырлық Па*с немесе Н*с/м2-пен өлшенеді.

Осы нұсқада, S=1 және dv/dx=1 деп алсақ, онда тұтқырлық әрекет етеді. Кері тұтқырлықтың көлемі аққыштық деп аталады,ал сұйыктықтың қалындығынан тұтқырлықтың бөлінуі кинематикалық тұтқырлық деп аталады. Металлургиялық процестердің практикасында сұйық фазалардың өтіп кетуі,металдағы қышқылсыздандыру кезіндегі заттардың қалқу жылдамдығына байланысты болады.

Я.И.Френкель сұйықтықтар мен қатты денелердің жақындасуы әсерінен температураға тәуелді тұтқырлықтың теңдігін жасаған болатын:

n=Aexp (En/RT) (5)

мұндағы: А-константа, En-бір жағдайдан екінші жағдайға бөлшектердің өтуі үшін керек энергия.

En мағынасы ln n-нің 1/Т-ға тәуелділік графигіне байланысты алынады. Қарапайым сұйықтықтар үшін оның ішінде металдық және қождық балқу үшін температураның жоғарылауының кезінде ешқандай өзгеріс болмайды немесе бөлшектер арасындағы байланыстың әлсіреуі, ln n мен 1/Т арасындағы тәуелділікте болады.

Тыныш сұйықтықтағы қатты бөлшектердің қалқып шығуы немесе тұнба түрінде болуы Стокс формуласымен сипатталады:

U= 2gr2/9*p-p/n; U= 2/9*gr2*(p-p)/n (6)

Мұндағы: U-қалқудың жылдамдығы, r-бөлшектердің радиусы, р,р-қатты бөлшектер мен сұйықтықтардың қалыңдығы, n-сұйықтықтардың тұтқырлығы.

(6) формула қатты бөлшектердің тұнба түріне айналу жылдамдығын есептеу үшін арналған,бірақ бұл теңдікпен сұйық болаттағы қышқылсыздандыру арқылы бөлшектердің жоқ болып кету жылдамдығын есептеу жоғары нәтижемен пайдаланылады.

Стокс заңының астыңғы шегін дисперсті фазадағы бөлшектердің мөлшері 0.1...0.5мкм-ге жеткенде қолданады. Стокс заңының жоғарғы шегінің дисперсті фазадағы тұнба бөлшектерінің мөлшері 100 мкм-ге дейін шек қойғанда қолданылады. Бөлшектердің мөлшері 100мкм-ден артық болғанда тұнба кезіндегі фаза біріншілік дәрежеге пропорционалды емес,тұнбаның жылдамдығының квадратына тең болады. Бұл шек шартты болып келеді. Себебі,соңғы тұнба жылдамдығы,яғни Стокс заңы қолданылуы қате болуы мүмкін,өйткені ол тек бөлшектердің көлемімен ғана емес,сонымен қатар сұйықтықтардың физикалық қасиеттеріне байланысты болады.

Сұйықтықтағы қатты бөлшектерінің тұнбаға айналуын есептеу үшін алынған Стокс теңдігін қож балқытудағы сұйық тамшы тұнбалар үшін есептеуге болады. Тамшылардың мөлшері 100мкм-ден аспайтын болса деформациясы маңызды болмайды. Сол себепті Стокс теңдігі арқылы есептеу сенімді болады.Себебі,тамшылардың тұнбалары қатты бөлшектердің тұнбаларына тең деп есептелінеді.

Көміртекті феррохром өндірісіндегі сұйық қождағы тамшы тұнбаларын Рыбчинский мен Адамар теңдігі арқылы есептеуге болады. Бұл негізінен бөліп тұрған фазалардың тұтқырлығын есептейтін Стокс теңдігі:

U1=2/3*gr2*p-p/n*n+n/2n+3n (7)

Өте ірі тамшылар үшін келесі теңдік қолданылады:

U2= (8)

(7) және (8)-ші теңдіктегі : g-ауырлық күшінің жылдамдығы,р,р-металл мен қождың тығыздығы, n және n-металл мен қождың тұтқырлығы, r-тамшының радиусы,k-ортаның қарсыласу коэффициенті(k=1). ІрІ шөгінділердің жылдамдығы келесідей анықталады:

U3= (9)

Мұндағы:G12-фазаралық металл-қож шекарасының керілуі,ал қалғаны (7) және (8) теңдікте көрсетілген.

Металл мен қожды науаға шығарғанда,балқудағы бөліну жүреді.Әр түрлі мөлшердегі металл тамшыларының шөгуі әр турлі жылдамдықпен жүреді. Қождың тұтқырлығы және фазааралық керілу металл мен қож бөліну процесінің анықтайтын параметрі болып табылады. 29-суретте феррохром тамшыларының шөгуінің жылдамдығының қождың тұтқырлығына тәуелділігі көрсетілген.

Қож балқытудағы әр т үрлі мөлшердегі тамшылардың шөгу жылдамдығы кезіндегі тұтқырлық 0.025-тен 0.6 Па*с интервалында,тамшының радиусы 0-ден 0.5 см-ге дейін болса,ол (7) формуламен анықталады. Тамшының мөлшерінің үлкеюіне байланысты қож балқытудағы кедергі тамшының мөлшері және жылдамдықтың квадратына пропорциональды түрде үлкейеді. Тамшының шөгу жылдамдығындағы есептеу (8) формула бойынша 0ав сызығын береді. Бұдан ірі тамшылар өздерінің сфералық түрін сақтамай деформацияланады.Шөгу жылдамдығы оның мөлшеріне тәуелді болмай,қож бен металл балқытудағы фазааралық қарым-қатынаспен анықталады. Ірі тамшылардың шөгу жылдамдығы (9)формула арқылы есептеліп,қисық вс сызығын береді.Шөгу режимі жүретін тамшының радиусын (7) және(8) формулаларды қолдану арқылы табады:

R1= (10)

(8) және (9) формулалардың қолданылуы арқылы r2 тамшының радиусы анықталады:

R2=(gkG12/(p-p)g) (11)

Көміртекті феррохромды қождың тұтқырлығы 1700...1750 С температурада шығарылуы кезінде 0.1 Н*с/м2-қа тең болады. Металл тамшысының радиусы 0.18 см-ден кіші болмайтын (7) теңдікпен дәл сол тұтқырлықтағы қождың шөгу жылдамдығы анықталады. Мөлшері 0.18≤ r≤0.29 болатын бөлшектердің шөгу жылдамдығы (8) теңдікпен анықталады. r>0.29 см болатын тамшының шөгу жылдамдығы олардың мөлшері тәуелді болмайды. “Феррохром-кож” жуйесі үшін тамшының радиусы 0.44 см-ге тең. Бұл радиуста оның ұсақталуы жүреді.

0.21 Па*с тұтқырлықтан аз мөлшердеғі тамшылардың шөгуі r к ауқымына байланысты (7) және (9)-шы формулаларға сәйкес келетін барлық 3 режимде жүреді. Қождың тұтқырлығы 0.21<n<0.46 Па*с аралықта болса,феррохром тамшыларының түсуі 1-ші және 3-ші режимде жүреді,ал n>0.46 Па*с болса, тек қана 1-ші режимде жүреді.

(7) және (9) формулалар нәтижесінде қождың белгілі қалыңдық қабатындағы тамшылардың шөгу уақытын есептей аламыз:

T=h/U (12)

Мұндағы:t-металдың шөгу уақыты,h-қож қабаттарының қалыңдығы.

Қождағы металл тамшыларының шөгуін науадағы қождың жоғарғы қабатының горизантальды ауысуға кеткен уақытымен байланыстыруға болады. Науаның жұмыс жасау анализінде оның тек қана балқытудағы сыйымдылығын ғана емес,сонымен қатар металл мен қож бөлінуіндегі тұндырғыш екенін де ескеру қажет.

Тұндырғыш ретіндегі науаның жұмысын қарастырайық. 30-суреттегі қож қабаты қожға құйылған уақытта металл тамшысы болмау қажет. Тұндырғыштың өнімділігі келесідей анықталады:

V=Fh/t (13)

Мұндағы: V-өнімділік, F-ковштың көлемі, h-қож қабатының қалыңдығы, t-тұндыру уақыты.

Белгіленген қалыңдықтағы қож қабатының тұндыру ұзақтығы қождағы металл тамшысының тұндыру жылдамдығына тәуелді және ол (11) формуламен есептелінеді. (12) және (13) формулалар түрленіп келесі түрге келеді:

V=Fh/t =FU (14)

(14)-ші формуладан тұндырғыш өнімділігі оның биіктігіне тәуелді емес екенін көреміз. Тұндырудың көлемі (14)формула арқылы анықталады:

F=V/U (15)

Қож бен металл бөлінуін бағалаудағы (13)-ші формуланы қож санын және қабаттар қалыңдығын білу үшін қажет.

Нәтижесінде (14) және (15) формулаларды балқудың физико-химиялық қасиеттері және технологиялық параметрлер-металл мен қождың фазаралық қарым-қатынасы,қож тұтқырлығы,қождың қату температурасы,қож саны байланыстырады.

Көміртекті феррохромның шығындалуының анализі кезінде металдың негізгі мөлшері қожбен бірге жоғалады. Қож құймасын зерттеу нәтижесінде маңызды нәтиже жасалды-металл түріндегі қоспалардың құрамы металл құймаларының құрамымен бірдей.Кейбір балқытуда қорытпаның шығуында металл шығыны 7.7%-ға дейін жетті.

1.3 кестеде қождағы металл шығынының сортталған құрамы көрсетілген.

Кесте 13

Фракция, мм	Қиыршықтар							Қалдық (скрап)
	0,25 0,5	0,5 1,0	1,0 2,0	2,0 3,0	3,0 5,0	5,0 7,0	8,0 10,0		10,0 20,0	50 Одан артық	құйма
Мөлшері,%	3,46	11,71	16,91	42,2	15,14	10,54	2,05		10,02	21,8	66,06

Металдардың қалдықтармен жоғалуына толығырақ анализ жасағанда металлдардың қождармен бірге кетуі 2 топқа бөлінеді:күлде мұздатылып қалған тамшы түрінде және сынықша. Металлдар арасында қождардан шыққан рең 2-3 мм диаметрге ие,балқытылған металлдардың химиялық құрамы іс жузінде рең қалдықтарының химиялық құрамымен сәйкес. Металлды тұрақтау және қалдықтары төменгі шағын жазық жолақтарды қалыптастыру тамшы болып табылады. Ғылыми зерттеу нәтижелері скиммер кәрізі қож ағынының тамшы тұндыру жағдайларын қамтамасыз ету ожауды геометрия өзгерту қажеттігін көрсетеді.

Металл мен қож бөліну процесінің егжей-тегжейлі анализін металл мен қож арасындағы фазааралық қарым-қатынастан байқауға болады. Қождың тұтқырлығы металл тұндырғышының маңызды қасиеті болып табылады.

Қож балқыту тұтқырлығының 1450...1675 С температурасы интервалындағы зерттеулері MgO/Al2O3=1 қатынастағы 35% SiO2,30...35% MgO және Al2O3 құрайтын қождың физикалық қасиеттеріне әкелінеді.

Қазіргі уақытта хром рудаларының қажетті түрлерінің тапшылығы әсерінен бұл нұсқауларды орындау қиын.

1500,1600,1700 және 1800 С температурадағы қождың тұтқырлығы 31-суретте көрсетілген.

Әрі қарайғы зерттеулер MgO-SiO2-Al2O3 жүйесіндегі MgO-ның көп мөлшеріндегі балқуына жүргізілген. Жоғары магнезиальды құрамдағы MgO-SiO2-Al2O3 диаграммасы аумағы магний оксидінің хром рудасындағы құрамының бірден көп болып кетуі зерттелген. Зерттелген балқулардың құрамы және олардың тұтқырлығы 32 және 33-суретте көрсетілген.

Жоғарғы магнезиальды балқудың MgO/Al2O3=3.0...3.5 қатынасындағы 1750...1900 С температура интервалындағы тұтқырлығы 0.10...0.15 Па*с-ке тең,бірақ бұл қождардың қату температурасы жоғары болып келеді. MgO-SiO2-Al2O3 жүйесіндегі MgO/Al2O3=2.0...3.5 қатынастағы SiO2 мөлшерінің 26-дан 36%-ға дейін болуы тұтқырлығын өзгертпейді.

Қож режимін меңгеруде CaO,Na2O,K2O,Cr2O3,FeO оксидетерінің ықпалын зерттеу қажет.

CaO-ны қосу тұтқырлықты төмендетеді.

Құрамында 30.0....32.2% SiO2 бар қожға CaO-ны қосқанда тұтқырлығы өзгермейді,бірақ қату температурасы 75..100 С температура интервалында кеңейеді.

MgO/Al2O3=0.4...0.6 қатынастағы қож феррохром өндіруге тән емес, CaO-ны қосу тұтқырлығын төмендетеді.

57.1% SiO2-нің жоғарғы концентрациясында,бірақ MgO/Al2O3=3 жоғары қатынастағы қожға 10%-ға дейін CaO-ны қосу тұтқырлығын өзгертпейді.

34-суретте,қожға 5 және 10% CaO-ны қосқанда оның қождың тұтқырлығына әсері тигізбейтіндігі,бірақ балқу температурасын төмендететіні көрсетілген.

Көміртекті феррохромның зерттелген қожына сілтілік оксидтерді Na2O және K2O қосу балқу температураларын түсіреді және аққыштық интервалын кеңейтеді (35-сурет).Натрий оксидінің балқу температурасына әсері калий оксидінің әсеріне қарағанда күштірек.

MgO-SiO2-Al2O3 жүйесінің тұтқырлыққа әсерін хром оксидін қосудың 3 қос кесіктің 4 диаграммалы MgO-SiO2-Al2O3-Cr2O3 келесі параметрлерде зерттелген:

MgO/Al2O3=1.0 30...60% SiO2 0...12 Cr2O3

MgO/Al2O3=0.5 10...50% Al2O3 0...12 Cr2O3

MgO/Al2O3=0.5 10...50% MgO 0...12 Cr2O3

36 және 37 суретте MgO-SiO2-Al2O3-Cr2O3 жүйесіндегі тұтқырлықта зерттеудің нәтижелері көрсетілген.

Зерттеулер нәтижесінде мынадай қорытынды жасалды: шпинелдин кристаллизациясына жауап беретін аймақтағы балқуда хром Cr3+ түрінде болады және кешенді алюмохромкөміртекті анион қалыптасу нәтижесінде тұтқырлық үлкейеді. Пештің қалыпты жұмысы кезінде қождағы Cr2O3-тің мөлшері 2-3% аралығында болады және оның қождағы мөлшері пештегі қайта қалпына келтіру процестерін көрсетеді. Бірақ қожды қыздыру кезінде балқу руданың қалпына келуін озып кетеді,пеште хромның жоғары мөлшері бар қож пайда болады. Бұл жағдайда хромның қалыптасуы кокс пен металдың көміртектенуімен жүреді және диффузионды процестер маңызды рөл ойнайды.

Ұзақ мерзімдегі зерттеулер нәтижесінде көптеген авторлар келесідей тұжырымдамаларды жасады:

Қождың құрамы руданың химиялық құрамымен анықталады.Қазіргі уақытта құрамындағы MgO-ның өсуімен анықталады.

Қож балқымаларының қату температурасы құрамға тәуелді,тұтқырлыққа қарағанда сезімтал сипаттама болып келеді және қождың сұйық күйде болу уақытымен анықталады.

Қождың тұтқырлығы қалпына келген металдың ванна пешіндегі тұну уақыты мен науадағы металдың бөлінуін анықтайтын қиын функция болып табылады.

CaO,Na2O,K2O-ні қосу қождың тұтқырлығын өзгертпейді,бірақ қождың қату температурасын төмендетеді. Айта кетерлік жайт,жоғары магнезиальды қождар аумағында қож режимін өзгерту үшін қожға кварцит қосу қате және ол электрэнергиясының шығынының артуына әкеліп соғады.Бұл аумақта қождағы SiO2-ні өзгерту арқылы MgO/Al2O3 қатынасын төмендету керек.

Үйінді қождағы хромның мөлшері металл сынды өнімдер мен металл шығарудағы қожбен шығарылған өнімдер арқылы анықталады.

Ферроқорытпа пешін басқарудың оңтайлы тәсілі – бұл қож режимінің мәселесі мен қатар басқа да технологиялық процестер мәселесі шешілетін рудалардың комбинация жұмысы.