Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 3.
«Определение вязкости шлакового расплава»
1. Цель и содержание работы:
Цель работы – изучение влияния температуры на вязкость шлакового расплава. В работе ставится задача получить количественную зависимость вязкости модельного шлакового расплава от температуры.
Для изучения закономерности влияния температуры на вязкость модельного шлакового расплава применяется экспериментальный метод – «метод крутильных колебаний».
В расплавленный шлак погружают цилиндр, подвешенный на упругой нити. Вязкость оценивают по степени затухания крутильных колебаний. Вследствие тормозящего влияния вязкой среды величина последних уменьшается в геометрической прогрессии, что выражается равенством отношений предыдущих колебаний к последующим:
где – величина начальной амплитуды в угловых единицах; , , амплитуды 1, 2, ..n-го колебаний; K – знаменатель прогрессии. Для затухающих колебаний – логарифмическим декрементом затухания.
Прибор для измерения вязкости называется вискозиметр. Вискозиметр предварительно градуируют по жидкости с известной вязкостью, например, по касторовому маслу, зависимость вязкости которого от температуры изучена. Определив опытным путем значения логарифмического декремента затухания в касторовом масле при нескольких температурах, строят для данного вискозиметра градуировочную кривую .
2. Основы теории
Вязкость – одно из наиболее важных свойств металлургических расплавов, жидких шлаков и металлов. С величиной вязкости непосредственно связана скорость протекания металлургических процессов. Чем больше вязкость, тем медленнее идут процессы диффузии, медленнее протекают процессы переноса различных веществ и элементов из металла и шлака в металл. Так, например, процессы десульфурации и дефосфорации металла сильно замедляются при образовании в печи вязких шлаков.
Чем больше вязкость, тем ниже теплопроводность шлаков. Пониженная теплопроводность шлаков приводит к замедлению процесса нагрева металлической ванны и к замедлению протекания химических реакций между металлом и шлаком, идущих с выделением или поглощением тепла.
Шлак высокой вязкости трудно удалять из металлургических агрегатов, и при работе с ними возрастают потери металла в виде капель, запутавшихся в шлаке.
Примерные вязкости жидкостей Таблица 1
|
Жидкость |
Температура, ºС |
Вязкость |
|
|
Пз |
Па·с |
||
|
Вода |
25 |
0,009 |
0,0009 |
|
Глицерин |
25 |
5,0 |
0,5 |
|
Машинное масло |
25 |
0,8 |
0,08 |
|
Жидкая сталь |
1600 |
0,025 |
0,0025 |
|
Жидкий чугун |
1400 |
0,015 |
0,0015 |
|
Жидкотекучий шлак |
1600 |
0,020 |
0,002 |
|
Средний шлак |
1600 |
0,20 |
0,02 |
|
Густой шлак |
1600 |
2,0 |
0,2 |
Свойства вязкости жидкости обуславливается внутренним трением между слоями и частицами жидкости. Согласно уравнению Ньютона:
где – сила внутреннего трения между слоями жидкости, перемещающимися с различной скоростью; – площадь соприкосновения слоев; – коэффициент вязкости (или вязкость) зависящий от природы и температуры жидкости.
Физический смысл коэффициента вязкости – сила внутреннего трения, приходящая на единицу площади, возникающая между параллельными слоями жидкости, расстояние между которыми равно единице, при разности скоростей между ними, равной единице.
Из уравнения (1) размерность коэффициента вязкости в системе СГС = Г·с/см2 . В системе СИ = Н·с/м2 Па·с.
Единица измерения вязкости в системе СГС носит название пуаз. Вязкостью в 1 пуаз обладает такая жидкость, у которой при градиенте скорости 1 см/c·см на площади 1 см2 возникает сила внутреннего трения, равная 1 дин. Соотношение между размерностями вязкости: 1 пуаз (Пз) равен 0,1 Па·с.
Величина вязкости зависит от температуры, с увеличением температуры вязкость уменьшается по экспоненциальной зависимости:
где - коэффициент вязкости; - постоянная величина для данной жидкости; - энергия активации, т.е. энергия, необходимая для перемещения частиц из одного устойчивого состояния в другое при вязком течении.
Для шлаков зависимость вязкости от температуры обычно более сложная, чем это следует из выражения (2). Это вызывается разукрупнением сложных комплексных анионов, что приводит к уменьшению энергии активации. Однако в небольшом интервале температур, в первом приближении, можно принять постоянной и пользоваться соотношением (2).
Логарифмирование (2) приводит к выражению
где и
Выражение (3) является более удобным для практического использования.
3. Описание установки.
Установка (рис. 1) состоит из печи 1; тигля с расплавленным шлаком 2; в который опущен графитовый шпиндель вискозиметра 3. Последний подведен через стальной стержень 4 и стальную упругую нить 7 к штативу 8. Для отсчета угла закручивания нити служат стрелка-указатель 6; неподвижно закрепленная на стержне 4 и диске 5 с делениями.
|
Рис.1. Вискозиметр: 1 – печь; 2 – тигель; 3 – шпиндель; 4 – стержень; 5 – диск; 6 – стрелка; 7 – упругая нить; 8 – штатив. |
4. Порядок выполнения работы
1. Нагреть печь с тиглем до заданной температуры и добиться ее постоянства.
2. Опустить в шлак шпиндель вискозиметра 3 на глубину 20 мм.
3. Дождаться прекращения колебаний стрелки и подвести под нее нулевое деление диска 9.
4. Стрелу со шпинделем отклонить на 180º, отпустить ее и произвести отсчет количества амплитуд затухающих колебания по одну сторону от нулевого деления шкалы.
5. Повторить операцию 4 при 6-7 различных температурах в интервале от комнатной температуры до 60ºС.
5. Обработка результатов
1. Результаты непосредственных измерений для всех температур занести в таблицу.
Результаты измерений Таблица 2
|
Температура опыта |
Количество колебаний |
Угол закручивания нити, α |
||
2. Для каждой температуры вычислить среднее арифметическое значение логарифмического декремента затухания и, пользуясь градировочным графиком (рис. 2), определить вязкость шлака . Результаты представить в табл. 3.
|
Рис. 2 График зависимости - |
Таблица3
|
Температура шлака |
Вязкость опытная , Па·с |
||||
3. Пользуясь методом наименьших квадратов, вычислить коэффициенты и в уравнении типа (см приложение).
4. Вычислить величину энергии активации, используя соотношение
5. По полученному уравнению вычислить значения при тех же температурах, что и в работе, и построить по ним график 1 в координатах . На график нанести опытные значения .
6. По уравнению типа (3) провести прямую в координатах - - (график 2) и нанести на диаграмму опытных значений .
7. Дать объяснение полученным результатам.
6. Контрольные вопросы
1. Что такое вязкость? В каких единицах измеряется коэффициент вязкости?
2. Как влияет температура на вязкость шлака?
3. Схема устройства вискозиметра и принцип его работы.
4. Как определяется вязкость при помощи вискозиметра?
5. Влияние вязкости шлака на протекание металлургических процессов.
6. Каковы величины вязкости шлаков, чугуна и стали по сравнению с водой?
7. Техника безопасности
1. Включение силовой установки производится инженером или лаборантом.
2. Запрещается самостоятельное включение электроприборов.
3. Запрещается ускоренное охлаждение нагревательных устройств.
4. Категорически запрещается заглядывать вовнутрь нагревательных устройств во время их работы.
Приложение к работе №3
Применение способа наименьших квадратов для обработки экспериментальных данных рассмотрим на примере. Измерения дали следующие результаты.
|
tºC |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
|
0,75 |
0,63 |
0,55 |
0,50 |
0,45 |
Преобразуем выражение температурной зависимости
Приняв , , получим
По методу наименьших квадратов:
где - коэффициент корреляции.
Необходимые для расчетов данные представлены в таблице.
|
n |
|||||
|
3,41 |
0,75 (0,68) |
11,6281 |
0,5625 |
2,5575 |
1 |
|
3,36 |
0,63 (0,63) |
11,2996 |
0,3969 |
2,1168 |
2 |
|
3,30 |
0,55 (0,57) |
10,8900 |
0,3025 |
1,8150 |
3 |
|
3,25 |
0,50 (0,52) |
10,5625 |
0,2500 |
1,6250 |
4 |
|
3,19 |
0,45 (0,46) |
10,1761 |
0,2025 |
1,4355 |
5 |
|
2,88 |
1,7144 |
=5 |
Таким образом, зависимость вязкости от температуры имеет вид:
Величина коэффициента корреляции
=0,85 свидетельствует об удовлетворительном совпадении измеренных и вычисленных значениях логарифма коэффициента вязкости
8. Рекомендуемая литература.
1. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. Учебное пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1988. 288 с.
2. Теория металлургических процессов. Учебник для вузов /Рыжонков Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В. и др. – М.: Металлургия. 1989. 392 с.