Лаба 6

Федеральное агентство по образованию

ГОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Факультет технологии и исследования материалов

Кафедра физической химии, микро и нанотехнологии

Отчёт по лабораторной работе № 6

«Вязкость шлаковых расплавов»

по курсу «Физико-химические основы металлургических процессов»

Выполнил:

Студент гр. 3065/1 (подпись)

Нечепорук Э.Г. (дата)

Проверил:

Доцент (подпись)

В.В. Покровский (дата)

Санкт-Петербург

1. Цель работы

Определение зависимости коэффициента динамической вязкости расплавленного шлака от температуры.

2. Теоретическая часть

В пирометаллургических процессах, наряду с металлом, получают шлак- расплав, состоящий на 90-95 вес. % из оксидов. Оксиды, входящие в шлак, являются невосстановленными оксидами или вновь образовавшимися по ходу процесса. Для придания шлаку требуемых физико-химических свойств в него вводят добавки, называемые флюсами.

Согласно ионной теории жидкие шлаки состоят главным образом из простых ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, O^2-, S^2- и кремнекислородных анионов Si_xO_y^z- различной сложности.

Вязкость или величина, обратная ей – текучесть, является одной из наиболее важных характеристик расплавленных шлаков. Вязкость в значительной мере определяет скорость физико-химических процессов при производстве металлов.

Вязкость  (Па с) или динамическая вязкость характеризует силы внутреннего трения f_, возникающие между слоями жидкости, движущимися параллельно при наличии между ними градиента скорости du/dx = 1 с^-1 и площади соприкосновения слоев S = 1м²:

f_ =  (du/dx) S (1. 1)

Сила внутреннего трения возрастает с увеличением размера частиц и энергии их взаимодействия. Я.И. Френкель предложил уравнение:

 = А exp(E/RT) (1.2)

где А – постоянная интегрирования; E - энергия активации вязкого течения; R – универсальная газовая постоянная; T – температура.

Из уравнения (1.2) следует постоянство энергии активации вязкого течения, что подтверждается экспериментальными данными. Однако при повышении температуры кремнекислородные анионы разукрупняются, и это приводит к снижению E.

Влияние температуры на вязкость основных и кислых шлаков схематически изображено на рисунке 2.1: 1 – для основных шлаков; 2 – для кислых шлаков.

Рис. 2.1. Зависимость вязкости шлака от температуры.

При температурах значительно превышающих точку плавления вязкость основного шлака меньше вязкости кислого шлака, что объясняется тем, что анионы в основном шлаке значительно меньше анионов кислого шлака. При охлаждении вязкость основного шлака сначала медленно а затем резко возрастает с момента появления первых кристалликов. У кислых шлаков при охлаждении вязкость повышается более равномерно, что объясняется малой подвижностью крупных асимметричных кремнекислородных комплексов; шлаки, переохлаждаясь, без заметного развития кристаллизации переходят в стеклообразное состояние.

3. Установка и методика проведения опыта.

Рис. 3.1. Схема установки для изучения температурной зависимости вязкости шлаковых расплавов.

В работе используем вибрационный метод измерения вязкости, который дает возможность вести измерения в широком диапазоне вязкостей от 0,01 до 10 Па∙с, обладает высокой чувствительностью, позволяет работать с малым количеством шлака и дает возможность сравнительно легко автоматизировать запись результатов измерений.

Установка (Рис. 3.1) состоит из электрической печи для нагрева образца шлака и вискозиметра.

Нагрев печи 7 задают автотрансформатором 8, ток печи определяют по показаниям амперметра 10. Тигель со шлаком 5, 6 закреплен в горячей зоне печи. Снизу тигля подведена термопара 9, соединенная с электронным термометром-регулятором 9.

Вискозиметр вибрационного типа состоит из двух функциональных блоков - преобразовательно-измерительного 2 и электронного 3. Преоб­разовательно-измерительный блок - это электромеханическое устройство, состоящее из двух электромагнитов: возбуждающего колебания зонда - и приемного. По оси катушек электромагнитов размещается шток, изго­товленный из специального магнитомягкого материала, к нижней части которого присоединен зонд. Шток крепится к упругой мембране.

Электронный блок обеспечивает возбуждение и поддержание посто­янных по амплитуде колебаний зонда 4, а также обработку электрических сигналов с формированием и выдачей на индикаторы результатов измере­ния вязкости.

На катушку возбуждающего электромагнита из электронного блока подается переменное напряжение. Возникающие при этом колебания што­ка индуцируют в катушке приемного электромагнита ЭДС, зависящую oт их амплитуды.

При погружении зонда в вязкую среду происходит уменьшение амплитуды колебаний. Следовательно, и ЭДС в приемной катушке также уменьшается. Эти изменения в электронном блоке преобразуются в значе­ния коэффициента вязкости .

Методика проведения опыта:

1. Включаем нагрев печи, установив ручку трансформатора в положение 110В (≤4,75А).

2. При достижении температуры 890 ⁰С включаем измерительную установку.

3. При достижении температуры 900 ⁰С выключаем нагрев печи.

4. Записываем температуру образца и показания вязкости в процессе охлаждения.

5. Измерение вязкости производим до застывания шлака (при этом показания на процессоре вискозиметра становятся неизменными и равными «2200»).

6. Выключаем вискозиметр и вынимаем электрические вилки от приборов из розетки.

7. Показания на вискозиметре соответствуют 0,01 Пуаз.

4. Результаты эксперимента. Обработка данных.

Полученные результаты опыта приведены в виде таблицы (Таблица 4.1), построена графическая зависимость вязкости шлака от температуры (Рис. 4.1) и прологарифмированная вязкость шлака от обратной температуры (Рис. 4.2).

Температура шлака t, 0С	Вязкость шлака , Пуаз
900	2,5690
890	2,8032
880	3,1035
870	3,4121
860	3,7930
850	4,2349
840	4,7420
830	5,3898
820	6,0795
810	6,9075
800	7,9241
790	9,0828
780	10,456
770	12,171
760	14,137
750	16,485
740	18,845
730	21,045
725	22,000

Таблица 4.1. Экспериментальные данные.

Рис. 4.1. График зависимости  = f(T).

Рис. 4.1. График зависимости ln = f(1/T).

Измерения проводили в интервале температур t = 900–725⁰C, в этом интервале вязкость изменялась от 2,569 Пуаз до 22 Пуаз. Рассчитаем энергию активации на этом интервале через коэффициент линейной регрессии А:

A = (ln₂ – ln₁)/(1/T₂ – 1/T₁) = (0,943517 - 3,091042)/(1/998 – 1/1173) = 14365,8

Отсюда

E_ = A ∙ R = 14365,8 ∙ 8,314 = 199,437 кДж/моль

5. Выводы

В результате проведения опыта мы получили экспериментальные зависимости , . А также была рассчитана энергия активации перемещения ионов равная 199,437 кДж/моль.