Для нескольких медных штейнов плотность была определена также методом максимального давления в газовом пузырьке. Результаты, полученные различными методами, совпали. Это подтвердило надежность выбранной методики.
По данным таблицы 2.6 видно, что при изменении температуры от 1200 до 1300°С плотность всех исследованных расплавов немного снижается. Это позволяет предположить, что изменение температуры в указанном интервале не ведет к существенному объемному перестроению структуры расплава.
Интересно отметить, что плотность и молярный объем в системе Сu2S—РbS в зависимости от состава изменяются по линейному закону. Такое соответствие плотности и молярного объема расплавов этой системы поведению идеальных растворов указывает на то, что замещение меди на свинец в расплаве не ведет к значительному изменению энергии взаимодействия между структурными единицами расплава. Плотности сульфидов железа и меди составляют соответственно 4,01—4,02 и 5,70—5,75 г/см3.
Характер зависимостей молярного объема и плотности от состава при введении в сульфид железа сульфида меди и свинца указывает на то, что молярный объем выше, а плотность ниже, чем можно было ожидать по правилу аддитивности. Это можно объяснить разрыхлением структуры расплава и уменьшением энергии связи между структурными единицами расплава в соответствии с энергетическими характеристиками вводимых
металлов и сульфидов.
Результаты исследовани1 плотности расплавленных медно-свинцовых штейнов в интервале температур 1200-1300 в зависимости от состава приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 – Влияние температуры и состава на плотность и молярный объём медных и медно-свинцовых штейнов
Можно отметить, что введение сульфида свинца резко повышает плотность штейнов, имеющих низкое содержание сульфида меди. Для штейнов с высоким содержанием сульфида меди повышение плотности с введением сульфида свинца замедляется.
2.4 Методы измерения плотности расплавов
На современном этапе развития физической химии пока еще невозможно, зная молярные объемы чистых компонентов при комнатной температуре, рассчитать плотности и молярные объемы смесей в расплавленном состоянии. Напротив, замеры плотности и молярных объемов расплавов позволяют получить данные о строении жидкостей и способствуют выяснению природы межчастичного взаимодействия.
Из-за агрессивности расплавов измерять плотности шлаковых и штейновых систем очень трудно. При измерении плотности шлаковых расплавов используют следующие материалы: корунд, плавленный оксид магния, графит, железо, молибден, вольфрам, платину. Эти материалы наиболее устойчивы по отношению к шлакам. При работе со штейнами применяют кварц, графит, корунд. Исследования проводят в нейтральной или
восстановительной атмосфере.
Для измерения плотностей расплавов при высоких температурах разработан целый ряд оригинальных методик.
Большинство исследователей для определения плотностей расплавов пользуются методом измерения максимального давления в пузырьке газа при разных уровнях заглубления капилляра
Расчет величины плотности производят по формуле (2.4)
(2.4)
где р1 и р2 — показания манометра при разных уровнях заглубления капилляра, мм вод. ст.;
Δh — разность уровней заглубления измерительного капилляра, мм;
ρм — плотность манометрической жидкости, г/см3.
Измерительные трубки используют различных диаметров. Наиболее удобными для работы являются капилляры с внутренним диаметром 2—4 мм. Наилучшая воспроизводимость результатов измерений получается при заглублении измерительных капилляров не менее чем на 20—30 мм от поверхности расплава.
В качестве рабочего газа при измерении плотности расплавов этим методом чаще всего используется тщательно очищенный от кислорода инертный газ: азот, аргон или гелий. Значительное влияние на точность измерений оказывает скорость образования пузырька. Надо стремиться к тому, чтобы время образования пузырька в расплаве было бы не менее 3—5 мин.
Ошибка в измерении плотности различных расплавов методом максимального давления в пузырьке газа составляет по данным различных исследователей 0,5—3,0%.
Метод гидростатического взвешивания — более сложный метод измерения плотностей расплавленных сред. По этому способу груз из инертного по отношению к расплаву материала взвешивают сначала в воздухе при комнатной температуре, а затем в расплаве. Объем груза при различных температурах известен заранее. Плотность расплава при этих условиях может быть вычислена по формуле
(2.5)
где М1 — масса груза на воздухе, г;
М2 — масса груза в расплаве, г;
Vt — объем груза при температуре t, см3.
Груз, как правило, изготовляют из тугоплавких металлов: молибдена или вольфрама. Подвеской служит платиновая или вольфрамовая нить. К недостаткам данного метода следует отнести трудности, возникающие при герметизации рабочего пространства печи. В результате воздействия поверхностного натяжения масса груза оказывается несколько завышенной. Для устранения этой ошибки рекомендуется вводить в формулу (2.5) поправку, уменьшающую величину М2 на 0,0001 σ, где σ — поверхностное натяжение жидкости.
Точность метода гидростатического взвешивания достаточно высока. Для некоторых систем ошибка в измерении плотности расплавов составляет всего 0,4%.
Достаточно несложным в аппаратурном оформлении следует считать метод измерения плотностей расплавов фотографированием проекции капли определенной массы. Ф. Йохансен и В. Визе измеряли плотность шлаков медного производства, произведя приближенный расчет площади меридионального сечения шлаковой капли. Можно произвести более точные расчеты плотности расплавов по форме поверхности жидкой капли. Этот метод основан на использовании таблиц Башфорта и Адамса, которые в настоящее время, к сожалению, стали библиографической редкостью. С помощью этой методики наряду с измерением плотности расплава удается определять поверхностное натяжение.
В некоторых случаях, особенно при измерении плотности легколетучих соединений, целесообразно применять пикнометрический способ определения плотностей расплавов. Пикнометры изготовляют из прозрачного кварца и калибруют по ртути или воде. Контроль за перемещением жидкости в капилляре осуществляется визуальным наблюдением через смотровые окошки в печи или рентгеносъемкой. Газовые пузырьки, выделяющиеся при плавлении и адсорбирующиеся на стенках капилляра, создают серьезные трудности при использовании этого метода для измерения плотности расплавленных штейнов.
В. Бургон, Дж. Дердж и Дж. Паунд определяли плотность расплавленных сульфидов железа и меди по подъему жидкости в кварцевой трубке вследствие создания над поверхностью тигля определенного давления.
Плотность расплава рассчитывалась по формуле
ρphp = ρ∙p (2.6)
где ρр — плотность расплава, г/см3;
ρ — плотность манометрической жидкости, г/см3;
hр — разность уровней расплава в тигле и кварцевой трубке, мм;
h — высота столба жидкости в манометре, мм.
Разность уровней расплава определяли опусканием графитовых электродов до замыкания с поверхностью расплава. Следует отметить, что наличие на поверхности электродов изолирующей газовой пленки может внести серьезную ошибку при замерах величины hр.
3 ПОВЕРНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ РАСПЛАВОВ
3.1 Поверхностное натяжение и структура жидких силикатов
В любом агрегатном состоянии частицы вещества, находящиеся на границе раздела с другой фазой, неравноценны в энергетическом отношении по сравнению с частицами в массе вещества.
Чем больше сила взаимодействия частиц в жидкости, тем больше будет величина избыточной свободной энергии поверхностного слоя, больше поверхностное натяжение жидкости. Таким образом, величина поверхностного натяжения жидкости позволяет качественно оценить силу взаимодействия между частицами, составляющими жидкость.
Экспериментальные трудности, возникающие при определении энергии связи между структурными единицами металлургических расплавов, не позволили до настоящего времени накопить необходимый опытный материал. Поэтому данные по поверхностному натяжению расплавов, позволяющие хотя бы приближенно оценивать структуру жидких силикатов и штейнов и энергию взаимодействия между составляющими их частицами, представляют большой интерес. В таблице 3.1 приведены примеры, характеризующие взаимосвязь между природой сил связи в расплавах и величиной поверхностного натяжения.
Поверхностные свойства расплавов играют существенную роль во многих металлургических процессах, протекающих на границе раздела фаз. Ими в значительной мере определяются кинетика процессов окисления, восстановления и возгонки ценных металлов. Поверхностные свойства оказывают непосредственное влияние на потери металлов со шлаком, скорость растворения шихт и флюсов в металлургических расплавах, пропитывание и разъедание огнеупоров, вспенивание шлака и т. д.
Фактически все металлургические процессы, протекающие на границе раздела фаз, в той или иной степени определяются поверхностными свойствами расплавов. Поэтому не случаен тот интерес, который проявляют в последнее десятилетие металлурги к исследованию поверхностных свойств.
Таблица 3.1 – Взаимосвязь между величиной проверхностного натяжения и природой расплавов
В настоящее время разработан ряд методов, позволяющих определять поверхностное натяжение высокотемпературных жидкостей. Подробное рассмотрение этих методов приведено на страницах некоторых монографий.
Наиболее простые и надежные методы измерения поверхностного натяжения агрессивных металлургических расплавов следующие: метод измерения максимального давления в пузырьке газа, метод лежащей капли, метод отрыва кольца (цилиндра) и метод счета капель.
Измерение поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке осуществляется с помощью капилляра, погружаемого в расплав. Для измерения поверхностного натяжения шлаков капилляр изготовляют из корунда, железа, никеля и платины, а для исследования штейнов — из кварца или графита. Как правило, погружение капилляра ведут лишь до соприкосновения с расплавом, что упрощает в дальнейшем расчет величины поверхностного натяжения. Через капилляр с небольшой скоростью (время роста пузырька в расплаве 3—8 мин) пропускается какой-либо инертный газ (аргон, азот, гелий). Измеряя давление р, необходимое для продавливания пузырька газа через расплав, можно определить поверхностное натяжение σ по формуле
|
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)