2.2.Вязкость шлаков

Вязкость (обратная ей величина – 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 – это свойство жидких тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Понятие вязкости строго применимо только к гомогенным системам. Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:

F = ∙(du/dx)∙S, (1.1)

где F – тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости относительно друг друга, H; S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг, м²; du/dx – градиент скорости движения слоев жидкости по нормали к направлению потока, с^-1; η – коэффициент динамической вязкости, характеризующий сопротивление жидкости смещению её слоев, Па∙с.

Зависимость вязкости шлаков от температуры описывают уравнением:

 = В∙exp (E_ /R∙T) (1.2)

где В – предэкспоненциальный множитель, значение которого постоянно для определенных жидкостей, E_ - энергия активации вязкого течения, Дж/моль, R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К), T – температура, К.

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_.

В лияние температуры на вязкость основных (1) и кислых (2) шлаков схематически изображено на рис.2.2.

Рис.2.2

При температурах, значительно превышающих точку плавления, вязкость основного шлака меньше вязкости кислого шлака. Это 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.

В многокомпонентных металлургических шлаках характер вязкого течения еще более сложен, чем описан выше, и экспериментально полученное значение E_ следует рассматривать как коэффициент в уравнении температурной зависимости вязкости:

ln = lnА + E_ /R∙T (1.3)

3. Методика исследования и экспериментальная установка

В работе используется вибрационный метод измерения вязкости. Опыт проводим на установке, схема которой представлена на рис.3.1.

С хема установки для изучения температурной зависимости вязкости шлаковых расплавов

Рис. 3.1

Установка состоит из электрической печи для нагрева образца шлака и вискозиметра.

Нагрев печи 8 задают автотрансформатором 11, ток печи определяют по показаниям амперметра 10. Тигель со шлаком 7 закреплен в горячей зоне печи. Снизу тигля подведена термопара 9, соединенная с электронным термометром-регулятором 12.

Вискозиметр вибрационного типа состоит из двух функциональных блоков – преобразовательно-измерительного 1 и электронного 13. Преобразовательно-измерительный блок – это электромеханическое устройство, состоящее из двух электромагнитов: возбуждающего колебания зонда 2 и приемного 4. По оси катушек электромагнитов размещается шток 3, 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 6, а также обработку электрических сигналов с формированием и выдаче на индикаторы результатов измерения вязкости 14, 15, 16.

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 η.