Лабораторная работа № 2 изучение температурной зависимости вязкости шлаков

Цель работы: получить навыки проведения высокотемпературного эксперимента; научиться пользоваться измерительной аппаратурой; изучить температурную зависимость динамической вязкости расплавленных шлаков и установить механизм вязкого течения.

Теоретическое введение

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 =  S .

Коэффициент пропорциональности  в системе СИ имеет размерность (Па∙с), и называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Величина  является свойством жидкости и не зависит от условий течения. Численно коэффициент динамической вязкости  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:

Материал	вода	чугун	сталь	шлаки обычные
t,°С	25	1400	1600	1400-1600
, Па∙с	9∙10-4	15∙10-4	(20-30)∙10-4	0,1 – 0,5

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 е^Е/RT (распределение Больцмана), то и скорость активационного процесса изменяется с температурой по экспоненте:

 = А е ^Е/RT или

ln  = 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:

Материал	Fe	Pb	50%SiО2 +50%CaO	SiO2 (чистый)
Е, кДж/моль	35,6-54,4	7,5-7,8	142,0	562,0

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 Si_XO_Y^Z-, Al_XO_Y^Z- 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).



кислый

шлак

основной

шлак

Т

Ткр.

Рис.1. Зависимость вязкости от температуры шлаков.

При температуре кристаллизации в основных шлаках происходит резкое возрастание вязкости из-за нарушения гомогенности расплава и появления в жидкости кристаллов. В кислых шлаках ниже температуры кристаллизации вязкость плавно возрастает, образуется переохлажденный расплав. Образование кристаллической структуры таких шлаков сильно затруднено из-за наличия сложных анионных комплексов, которые должны переориентироваться в пространстве, заполненном вязкой жидкостью.

Введение в шлак таких оксидов, как FeO, MnO, MgO, снижает вязкость. Это связано с разукрупнением сложных анионов под воздействием сильных катионов железа, марганца, магния. Ниже приведены составы шлаков и их вязкость при 1350°С:

Состав шлака, %
CaO	43	47	50	24
SiO2	32	28	25	51
Al2O3.	5	10	15	20
FeO	20	15	10	5
, Па∙с:	0,5	3,0	5,0	10,0

В настоящей работе исследуется температурная зависимость вязкости расплавленного шлака.