Теория металлургических процессов (стр. 12 из 13)
(17.3)
Коэффициент уравнения k, получивший название постоянной вискозиметра, зависит от размеров тигля и шпинделя, а также от упругих свойств струны. С уменьшением диаметра струны чувствительность вискозиметра увеличивается.
Рисунок 5 – Схема установки для измерения вязкости:
1 – тигель, 2 – исследуемый расплав, 3 – головка шпинделя,
4 – шпиндель, 5 – струна, 6 – верхняя часть установки, 7 – диск,
8 – шкала, 9 – электромотор, 10 – стрелка, 11 – печь, 12 – трансформатор,
13 – устройство регулировки температуры,14 – термопара.
Для определения постоянной вискозиметра k в тигель помещают жидкость с известной вязкостью – раствор канифоли в трансформаторном масле. В этом случае в опыте при комнатной температуре определяют ∆φ0. Затем, зная вязкость (η0) эталонной жидкости при данной температуре, вычисляют k по формуле:
(17.4)
Найденное значение k используют для вычисления коэффициента вязкости оксидного расплава.
2.5.3 Порядок проведения работы
Для знакомства с вязкостными свойствами металлургических шлаков в данной лабораторной работе изучается расплав Na2O · 2B2O3. Измерения проводят в интервале температур 850– 750 оС. После достижения первоначальной температуры (850 оС) стрелку вискозиметра устанавливают на нулевой отметке. Затем включают электромотор и фиксируют стационарный угол закручивания струны ∆φт. He выключая вискозиметра, повторяют измерение ∆φт при других температурах. Опыт прекращают, когда угол закручивания струны начнет превышать 720о.
2.5.4 Обработка и представление результатов измерений
По результатам измерений заполняют следующую таблицу.
Таблица 1. Температурная зависимость вязкости
| t, °C |  , усл.ед. | T, K |  , Па | с | 103/T, K-1 | ln( ) |
В таблице первые два столбца заполняют по результатам ручной записи показаний температуры на экране монитора и угла закручивания нити по шкале вискозиметра. Остальные столбцы являются вычисляемыми.
Для проверки выполнимости экспоненциального закона изменения коэффициента вязкости с температурой (17.2) строят график в координатах «Ln(η) – 103/T». Энергию активации находят с применением функции LINEST() (OpenOffice.Calc) или ЛИНЕЙН() (MicrosoftOffice.Exel), применяя их к пятому и шестому столбцам таблицы.
В выводах сопоставляют полученные данные η и Eη с известными для металлургических шлаков, обсуждают характер температурной зависимости вязкости, ее связь со структурными изменениями в расплаве.
Порядок обработки результатов
1. Провести измерения на калибровочной ячейке и вычислить постоянную установки
2. Ввести результаты ручной записи информации в файл электронных таблиц.
3. Вычислить значения вязкости.
4. Построить на отдельном листе график зависимости вязкости от температуры.
5. Вычислить логарифм вязкости и обратную абсолютную температуру для всего набора результатов измерений.
6. Найти методом наименьших квадратов коэффициенты b0, b1 уравнения, аппроксимирующего зависимость логарифма вязкости от обратной температуры, и вычислить энергию активации.
7. Построить на отдельном листе график зависимости логарифма вязкости от обратной температуры и привести аппроксимирующую зависимость Зачетные результаты:
1. В книге электронных таблиц, представленной на проверку, на первой странице с названием «Результаты» должна быть представлена следующая информация:
a. В ячейке «А1» -исходная температура, в ячейке «В1» - единицы измерения;
b. В ячейке «А2» - конечная температура, в ячейке «В2» - единицы измерения;
c. В ячейке «А3» - энергия активации вязкого течения при низких температурах, в ячейке «В3» - единицы измерения;
d. В ячейке «А4» - предэкспоненциальный множитель в формуле температурной зависимости электропроводности при низких температурах, в ячейке «В4» - единицы измерения;
e. В ячейке «А5» - энергия активации вязкого течения при высоких температурах, в ячейке «В5» - единицы измерения;
f. В ячейке «А6» - предэкспоненциальный множитель в формуле температурной зависимости электропроводности при высоких температурах, в ячейке «В6» - единицы измерения;
g. Начиная с ячейки «А7» должны быть четко сформулированы выводы по работе.
В ячейках А1-А6 должны быть ссылки на ячейки на других листах книги электронных таблиц, на которых выполнены вычисления с получением представленного результата, а не сами числовые значения! При невыполнении этого требования программа проверки дает сообщение «Ошибка представления информации».
2. Правильно оформленные графики зависимостей вязкости от температуры и логарифма вязкости от обратной температуры, полученной по экспериментальным данным (точки) и аппроксимированной полиномом (линия), на отдельных листах электронных таблиц со всеми необходимыми подписями обозначениями. Контрольные вопросы
1. В каком виде находятся компоненты оксидного расплава, состоящего из СаО, Na2O, SiO2, B2O3, Al2O3?
2. Что называют коэффициентом вязкости?
3. Как изменится температурная зависимость вязкости шлака при добавлении в него основных оксидов?
4. В каких единицах измеряется вязкость?
5. Как определяют постоянную вискозиметра?
6. Чем определяется энергия активации вязкого течения?
7. Какова причина снижения вязкости с ростом температуры?
8. Как вычисляют энергию активации вязкого течения?
2.6 Восстановление марганца из оксидного расплава в сталь
(Работа № 18)
2.6.1 Общие закономерности электрохимического взаимодействия металла и шлака
Процессы взаимодействия жидкого металла с расплавленным шлаком имеют большое техническое значение и протекают во многих металлургических агрегатах. Производительность этих агрегатов, а также качество готового металла в значительной степени определяются скоростью и полнотой перехода тех или иных элементов через границу фаз.
Одновременное протекание значительного числа физических и химических процессов в различных фазах, высокие температуры, наличие гидродинамических и тепловых потоков затрудняют экспериментальное изучение процессов взаимодействия фаз в производственных и лабораторных условиях. Столь сложные системы исследуются с помощью моделей, которые отражают отдельные, но наиболее существенные стороны рассматриваемого объекта. В настоящей работе математическая модель процессов, протекающих на границе металл – шлак, позволяет проанализировать изменение объемных концентраций компонентов и скорости их перехода через межфазную границу в зависимости от времени.
Восстановление марганца из оксидного расплава происходит по электрохимической полуреакции:
(Mn2+) + 2e = [Mn]
Сопутствующие процессы должны быть процессами окисления. Очевидно, это может быть процесс окисления железа
[Fe] = (Fe2+) + 2e
или примесей в составе стали, например, кремния. Поскольку четырехзарядный ион кремния не может находиться в шлаке этот процесс сопровождается образованием кремнекислородного тетраэдра в соответствии с электрохимической полуреакцией:
[Si] + 4(O2-) = (SiO44-) + 4e
Независимое протекание только одной из приведенных электродных полуреакций невозможно, т.к. это приводит к накоплению зарядов в двойном электрическом слое на границе раздела фаз, препятствующему переходу вещества.
Состояние равновесия по каждой из них характеризуется равновесным электродным потенциалом ()
(18.3)
где – стандартный потенциал,
– активности окисленной и восстановленной форм вещества, z – число электронов, участвующих в электродном процессе, R – универсальная газовая постоянная, F – постоянная Фарадея, Т – температура.Восстановление марганца из шлака в металл реализуется в результате совместного протекания не менее двух электродных полуреакций. Скорости их устанавливаются такими, чтобы не происходило накопления зарядов на межфазной границе. В этом случае потенциал металла принимает стационарное значение, при котором скорости генерации и ассимиляции электронов одинаковы. Разность между фактическим, т.е. стационарным, потенциалом и его равновесным значением, называется поляризацией (перенапряжением) электрода, . Поляризация характеризует степень удаления системы от равновесия и определяет скорость перехода компонентов через границу фаз в соответствии с законами электрохимической кинетики.
С позиций классической термодинамики в системе в том или ином направлении происходят процессы восстановления марганца из шлака растворенным в железе кремнием:
2(MnO) + [Si] = 2[Mn] + (SiO2) Н = -590 кДж/моль