КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Теоретическое введение. Цель работы: получить навыки проведения высокотемпературного эксперимента; научиться пользоваться измерительной аппаратурой; изучить температурную зависимость
ВЯЗКОСТИ ШЛАКОВ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Цель работы: получить навыки проведения высокотемпературного эксперимента; научиться пользоваться измерительной аппаратурой; изучить температурную зависимость динамической вязкости расплавленных шлаков и установить механизм вязкого течения. Равноправными участниками любого металлургического процесса являются металл и шлак. Создание шлака нужного состава и с необходимыми свойствами является такой же непременной заботой металлурга - литейщика, как и получение металла требуемого состава. Лишь только некоторые металлургические процессы могут быть отнесены к бесшлаковым, например, выплавка и обработка металла в вакууме. Знание природы шлака в твердом и, в особенности, в жидком состоянии, его свойств и поведения элементов шлака является важнейшей частью теории металлургических процессов. Исследования строения, состава и свойств шлаков проводится давно, и накоплено большое число опытных данных, которые позволяют достаточно точно прогнозировать характеристики шлака, полученного в тех или иных условиях. Основными составляющими твердых шлаков являются оксиды, сульфиды, фосфаты, в меньшей степени карбиды, нитриды и другие соединения. По своим химическим свойствам шлаки разделяются на основные: СаО, MgO, FeO, MnO; кислотные: SiO2, P2O5, TiO2; амфотерные или нейтральные: Al2O3. Одним из важнейших свойств жидких шлаков является вязкость. Скорость многих физико-химических процессов, протекающих в металлургических производствах, существенно зависит от вязкости шлаков. К ним относятся процессы межфазного распределения примесей, взаимодействия шлака с огнеупорной футеровкой, передачи тепла к металлу, насыщения металла газами и так далее. Для производства чугуна, стали, меди, других металлов и сплавов необходимо иметь в плавильных агрегатах жидкоподобные текучие шлаки. Такие шлаки хорошо покрывают металл, обеспечивают высокие скорости переноса вещества, поглощение неметаллических включений и так далее.
Вязкостью называется свойство жидкости сопротивляться внешним воздействиям для перемещения одного слоя относительно другого, то есть оказывать сопротивление сдвигу. При движении потока жидкости скорость течения различных слоев в нем неодинакова, и в жидкости происходят процессы, стремящиеся самопроизвольно выровнять скорость течения слоев. Эти процессы называются внутренним трением или вязкостью. Все реальные жидкости обладают определенной вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных слоев жидкости. Возникающая при этом сила сопротивления движению ƒ пропорциональна площади соприкосновения слоев S и градиенту скорости dw/dx по нормали к направлению течения различных слоев: f = h S . Коэффициент пропорциональности h в системе СИ имеет размерность (Па∙с), и называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Величина h является свойством жидкости и не зависит от условий течения. Численно коэффициент динамической вязкости h равен силе внутреннего трения f между двумя параллельными слоями жидкости площадью S, равной единице, перемещающимися относительно друг друга при градиенте скорости .= 1. Если сила в 1Н изменяет разность скоростей двух слоев жидкости с контактной поверхностью 1м2, отстоящих на 1м, на 1м/с, то вязкость жидкости равна 1Па∙с. В системе СГС вязкость измеряется в пуазах (пуаз = 1г см -1 с -1), 1Па∙с = 10 пуаз. В качестве примера приводим вязкость некоторых жидкостей:
Вязкость жидких шлаков представляет собой структурно чувствительную характеристику, и определяется природой и величиной сил межчастичного взаимодействия. Значение вязкости шлаков изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава и температуры. Вязкость шлака на два и более порядков больше вязкости жидких металлов, что объясняется присутствием в шлаке кремнекислородных комплексов различной степени сложности и крупности. Молекулярный механизм описывает вязкое течение, как перескок частиц одного слоя в вещество другого слоя.
Дополнительная информация Молекулярная теория развивалась многими поколениями ученых-металлургов. Она является широко распространенной, объясняет многие свойства шлаков, находит широкое применение в расчетах реальных шлаковых систем. Практически вся терминология в области шлаков сложилась под её влиянием. Такие термины, как кислый и основной шлак, карбидный шлак и другие, вытекают из её представлений. Достоинствами этой теории является её простота в объяснении термодинамических и кинетических закономерностей. Недостаток заключается в ее формальном описании шлака, несоответствии реальному строению шлака. В соответствии с этой теорией жидкий шлак состоит из свободных, недиссоциированных оксидов СаО, MgO, FeO, MnO, SiO2, P2O5, Al2O3 и других, которые, вступая во взаимодействие друг с другом, с серой и т.п., образуют силикаты, сульфиды, ферриты, алюминаты, сульфаты, флюориты. Между молекулами свободных и сложных оксидов и других компонентов имеется подвижное химическое равновесие. Ионная теория строения шлаков отражает реальную природу шлаков, позволяет во многом объяснить механизм процессов, протекающих в шлаке. Однако расчеты по этой теории значительно более сложнее и менее наглядны. В соответствии с ионной теорией шлак представляет собой расплавленный электролит, полностью или частично диссоциированный на ионы, из которых в основном сложен кристаллический шлак. Процессы между шлаком и металлом идут электрохимическим путем. Теория совершенных ионных растворов. Предполагается, что шлак полностью диссоциирован на ионы. Ионы одного знака статистически энергетически эквивалентны друг другу и при тепловом движении возможны перестановки только между ионами одного знака. В расплаве сохраняется подобие кристаллической решетки, где каждый катион окружен анионами. Расплав можно представить как бы состоящим из двух независимых идеальных растворов: катионного и анионного. Теория совершенных ионных растворов успешно применяется для расчетов относительно простых шлаков.
Теория регулярных ионных растворов. Эта теория более универсальна, чем теория совершенных ионных растворов. В этой теории шлаки являются регулярными ионными растворами и состоят из простейших атомных ионов (Fe+2, Ca+2, Si+4, P-5, S-2, O-2 и т.д.).
Для осуществления перескока из одного устойчивого положения в другое частица должна обладать энергией Е, называемой энергией активации вязкого течения, поэтому вязкое течение, как и многие другие процессы (химическая реакция, диффузия в конденсированных веществах, электроперенос в электролитах и т.д.), является активационным процессом. Так как число частиц, обладающих энергией большей Е, пропорционально еЕ/RT (распределение Больцмана), то и скорость активационного процесса изменяется с температурой по экспоненте: h = А е Е/RT или ln h = С + E/RT, где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы расплава; Е - энергия активации вязкого течения; С – постоянная величина. Чем мельче движущиеся частицы, тем меньше силы взаимодействия между ними, тем меньше энергия активации и больше текучесть жидкости. Естественно, что перескок более крупных частиц требует большей энергии Е. Если при понижении температуры происходит укрупнение частиц, например, образование более крупных комплексов, то энергия активации Е не останется постоянной, а будет возрастать. Ниже приведены некоторые значения энергии активации Е вязкого течения жидкостей:
Перемещение слоев состоит из последовательных перескоков всех частиц одного слоя к другому. В случае последовательных процессов суммарное сопротивление определяется сопротивлением наиболее трудных этапов подобно тому, как при последовательном соединении электрических проводников сопротивление цепи определяется, главным образом, сопротивлением того проводника, у которого оно наибольшее. Поэтому наибольший вклад в величину вязкости вносят крупные частицы, перемещение которых затруднено. Главными составляющими большинства металлургических шлаков являются окислы CaO, MgO, FeO, MnO, SiO2 и др. В расплавленном шлаке эти окислы находятся в ионной форме. В первом приближении полагают, что шлак состоит из простых катионов Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+ и сложных анионов типа SiXOYZ-, AlXOYZ- и др. Изучение структуры твердых силикатов позволило заключить, что сложные анионы имеет форму тетраэдров, цепочек, колец, состоящих из ионов кремния, алюминия, кислорода. Наличие в шлаке большого количества сложных анионов ведет к высокой вязкости расплава. Чем крупнее и сложнее анионы, тем больше вязкость шлака. Таким образом, величина вязкости шлака и её изменение с температурой отражают некоторые особенности в строении шлака. При высоких температурах основные шлаки более текучи и имеют меньшую вязкость, чем кислые, так как в основных шлаках меньше крупных анионов, чем в кислых (см. рис.1).
Дата добавления: 2014-12-16; Просмотров: 400; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |