где Q — объем жидкости, протекающей через цилиндр в единицу времени, см3/сек;
R — радиус капилляра, см;
η — динамическая вязкость, пз;
(p1—p2) — разность давлений на концах капилляра, дин/см2;
l — длина капилляра, см.
Приняв р = р1—р2, последнее выражение можно записать в виде
(4.8)
Этот простой метод пригоден лишь для жидкостей, не взаимодействующих с материалом капилляра и имеющих сравнительно невысокую вязкость. Данный метод не учитывает краевой эффект у концов капилляра, что искажает результаты. Этот метод не нашел широкого применения для измерения таких высокотемпературных жидкостей значительной вязкости, как металлургические шлаки.
Метод падающего шарика — один из наиболее совершенных и дает хорошую воспроизводимость при вязкости более 0,5 н∙сек/м2 (5 пз). Вязкость жидкости определяется по формуле Стокса:
(4.9)
где r — радиус шарика, см;
ρ1 и ρ2 — плотность шарика и исследуемой жидкости соответственно, г/см3;
v — скорость равномерного движения шарика, см/сек.
По этому методу необходимо соблюдать соотношение r≤0,6η/gv, что сравнительно легко достижимо в лабораторных условиях.
Скорость падения шарика в вязкой среде измеряют различными способами. Контроль за временем прохождения шариком определенного отрезка пути может быть осуществлен с помощью электрической схемы замыкания, в результате пропускания через расплав жестких рентгеновских лучей или регистрации излучения из источника, заключенного внутри шарика, в результате использования коротковолнового колебательного контура или схем с автоматическим отсчетом времени.
При использовании вместо твердого шарика несмeшивающихся с исследуемой жидкостью капель расплава большей плотности для вычисления вязкости необходимо использовать формулу Стокса с поправками Адамара и Рибчинского:
(4.10)
где η1 — вязкость более плотной капли;
η2 — искомая вязкость среды.
Измерения вязкости металлургических шлаков методом падающего шарика проводили сравнительно редко из-за сложности установок по контролю движения шарика в вязкой среде.
Для измерения вязкости металлургических шлаков довольно часто используют метод коаксиальных цилиндров. По этому методу измеряют усилия, возникающие при вращении цилиндра, подвешенного внутри цилиндрического тигля, заполненного исследуемым расплавом.
Величину вязкости определяют по углу закручивания нити, нагрузке на мотор или скорости вращения цилиндра при определенной нагрузке. Вязкость рассчитывают по формуле
(4.11)
где М — крутящий момент, Г∙см2;
R1 и R2 — радиусы тигля и цилиндра соответственно, см;
l — длина погруженной в шлак части цилиндра, cм;
ω — угловая скорость вращения, рад/сек.
Нередко при определении вязкости пользуются градуировкой прибора по жидкостям с известной вязкостью. Схематическое изображение одной из возможных конструкций ротационного вискозиметра приведено на рис. 4.7.
Теория нестационарных методов измерения вязкости расплавов была подробно разработана Е. Г. Швидковским. Расчет вязкости по методу измерения крутильных колебаний ведерка, заполненного исследуемым расплавом, достаточно сложен. В последние годы появились интересные методы измерения вязкости расплавов с помощью электрического вибрационного и ультразвуковых вискозиметров.
Рисунок 4.7 Устройство вискозиметра ротационного типа
1-измерительный шпендель; 2-предохранительая крышка; 3- графитовый стержень; 4- крышка; 5- струна; 6-вращающаяся шкала; 7-электропривод; 8-вал; 9-стрелка; 10- гайка; 11-тигель с расплавом
5 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
5.1 Двойной электрический слой на границе шлак - штейн
Взаимодействие на границе раздела фаз в металлургии имеет, как правило, электрохимическую природу. Электрохимическими процессами определяется кинетика многих реакций, протекающих при высоких температурах, и растворимость ценных компонентов в шлаках. В значительной мере эти явления определяют также образование тонкой механической взвеси металлов в шлаке, скорость и эффективность коалесценции мелкодисперсных штейновых и металлических частиц в силикатных расплавах. Изучение электрохимических процессов на границе раздела расплавленных фаз применительно к проблемам цветной металлургии начато лишь сравнительно недавно. Это объясняется большими экспериментальными трудностями, с которыми приходится сталкиваться исследователям при применении к высокоагрессивным, сложным по составу продуктам цветной металлургии методов классической электрохимии растворов. Особенно скудны данные, касающиеся строения границы раздела расплавов штейн — шлак, сульфид — шлак. Значительно больше исследований в этой области выполнено для систем черной металлургии.
Двойной электрический слой, возникающий при соприкосновении проводящих фаз, наиболее полно изучен в водных растворах на границе раздела со ртутью. Результаты исследования строения межфазной границы раздела металл — расплавленная соль изложены в некоторых монографиях. Большое внимание изучению межфазной границы раздела системы силикатный расплав — металл уделяла школа уральских исследователей,
возглавляемая О. А. Есиным.
В общем случае причин, приводящих к образованию двойного электрического слоя, может быть несколько. В частности, при соприкосновении двух фаз его образование может быть обусловлено тем, что заряженные частицы переходят из одной фазы в другую в неэквивалентных количествах. При этом в узком слое на поверхностях раздела накапливаются заряды, противоположные по знаку и при установлении равновесия равные по величине.
Так происходит, например, образование двойного электрического слоя при нагревании металла в вакууме или в инертной газовой среде. При не особенно больших температурах, когда упругость паров металла имеет еще незначительную величину, а термоэмиссия электронов уже значительна, поверхность металла будет заряжаться положительно в результате, потери части электронов. Электроны со стороны газовой фазы будут постепенно накапливаться у поверхности раздела в результате притяжения положительным зарядом поверхности металла. Между металлом и газовой фазой возникает скачок потенциала, препятствующий дальнейшему развитию эмиссии электронов. По истечении определенного времени в системе наступает равновесие, характеризуемое определенной плотностью заряда двойного слоя и некоторым расстоянием между центрами частиц, несущих противоположные заряды. Протекание химических реакций на поверхности раздела жидких фаз и взаимная растворимость компонентов могут привести к переходу из одной фазы в другую не электронов или дырок, а тех или иных ионов. Двойной электрический слой в этих случаях будет расположен на поверхности двух контактирующих фаз.
В этом простейшем случае двойной электрический слой можно уподобить плоскому конденсатору и для определения его характеристики применить уравнение емкости конденсатора:
(5.1)
где С — емкость слоя, ф/см2;
ε — плотность заряда на поверхности металла, к/м2;
φ — разность потенциалов между металлом и электролитом, B;
D — диэлектрическая постоянная среды между обкладками конденсатора, ф/м;
l — расстояние между центрами частиц, несущих противоположные заряды, м.
Причиной образования двойного электрического слоя может служить и специфическая адсорбция частиц на поверхности одной из фаз. В результате адсорбции, определяемой силами молекулярного взаимодействия, у поверхности раздела со стороны одной фазы избирательно расположатся ионы одного знака, что вызовет появление в этой же фазе слоя ионов противоположного знака. В реальных металлургических расплавах при образовании двойного слоя принимают участие оба указанных фактора, что значительно усложняет общую картину строения поверхности раздела.
Строение двойного электрического слоя в водных растворах изучалось целым рядом крупнейших исследователей. Первые теоретические положения относительно строения двойного электрического слоя были высказаны еще в 1878 г. Р. А. Колли. В дальнейшем эти исследования были продолжены Гельмольцем, М. Гоуи, Д. Чипманом, О. Штерном. Большой вклад в создание современной теории строения двойного электрического слоя внес советский академик А. Н. Фрумкин.
В основу современных взглядов на природу и строение двойного электрического слоя положены следующие рассуждения. Предполагается, что ионы обладают конечными размерами и не могут приблизиться к поверхности металла ближе чем на расстояние ионного радиуса. Ионную обкладку двойного слоя можно условно считать разбитой на две части. Одна часть ионов плотно прилегает к поверхности электрода, образуя так называемый плотный или гельмгольцевский слой. Другая часть ионов в результате молекулярного или теплового движения образует диффузионную размытую часть двойного слоя. Специфическая адсорбция ионов на поверхности раздела фаз накладывает отпечаток на строение межфазной границы. Адсорбционный потенциал, управляющий этим процессом, можно характеризовать работой переноса одного иона из глубины электролита к поверхности раздела фаз с вычетом электростатической составляющей этой работы, равной zеψ' (где z — валентность иона, ψ' — разность потенциалов в диффузионной части двойного слоя, е — заряд электрона).
Таким образом, величина заряда ионной обкладки двойного слоя со стороны электролита состоит из двух слагаемых, одно из которых выражает заряд ионов, притянутых к поверхности раздела электростатическими силами, другое — заряд ионов, выведенных к границе раздела адсорбционными силами. Толщина диффузионного слоя обратно пропорциональна квадратному корню из концентрации. Диффузность двойного слоя увеличивается при повышении температуры и возрастании диэлектрической постоянной.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 |
Основные порталы (построено редакторами)