Министерство образования Украины

Приазовский Государственный Технический Университет

Кафедра ТМП

 

 

ОТЧЁТ

 

По курсовой научно-исследовательской работе:

«Исследование вязкости шлаков, применяемых в

спецэлектрометаллургии, методом вибровискозиметрии».

 

 

 

Выполнил  студент группы МФХ-96  Милянюк А.Н.
Проверил профессор, д.т.н. Макуров С.Л.

 

г. Мариуполь, 2000г.

 

 

Реферат.

 

Данная курсовая научно-исследовательская работа содержит описания теоретических основ вибрационной вискозиметрии, расчёты вязкости синтетических шлаков и сравнение полученных расчётных данных с экспериментальными данными, полученными методом вибрационной вискозиметрии.

 

  Таблиц 8, рисунков 6, страниц 32.

 

 

Ключевые слова: синтетический шлак, компонент, мольная доля, атомная доля,  температура, основность, оксид, вязкость, колебания, структурно-чувствительные характеристики, зонд, ось, плотность, амплитуда, частота, фаза.

Содержание.

 

Реферат. 2

Содержание. 3

Введение. 4

1.     Теоретические основы вязкости металлургических расплавов. 5

1.1.      Общая характеристика явления вязкости. 5

1.2. Вязкость металлургических шлаков и её особенности. 6

2.     Модели для прогнозирования физико-химических и технологических свойств металлургических расплавов. 10

2.1.      Эмпирические модели вязкости жидких шлаков. 10

2.2.      Модель Э.В. Приходько. 11

3.     Вискозиметрия металлургических расплавов. 17

3.1.      Методы измерения вязкости металлургических расплавов. 17

3.2.      Метод капиллярного истечения. 18

3.3.      Метод движущегося в жидкости тела. 18

3.4.      Ротационные методы. 19

3.5. Методы крутильных колебаний. 20

3.6. Противоречивость данных по вязкости шлаковых расплавов. 21

4.     Расчёт вязкости металлургических шлаков по теории  Э.В. Приходько. 23

4.1.      Модель шлака как системы неполяризованных ионных радиусов. 23

4.2.      Сопоставление данных по вязкости шлаков, полученных по теории Э.В. Приходько, с данными, полученными на вибровискозиметре. 24

5.     Выводы. 31

Список использованной литературы. 32

 

Введение.

 

В условиях современных сталеплавильных цехов, как правило, име­ющих в своей программе производство сталей ответственных назначе­ний, приходится иметь дело со шлаками, предназначенными для особо глубокой десульфурации, раскисления стали и удаления из нее неметал­лических включений. Это — известково-глиноземистые синтетические шлаки, предназначенные для ковшовой (внепечной) обработки метал­ла; шлаки, образующиеся при сгорании экзотермических смесей или при плавлении теплоизоляционных смесей в изложницах на поверхности жидкого металла, и шлаки электрошлакового переплава. Для эффектив­ного действия этих шлаков не только их химический состав, но и вязкость также имеют большое значение.

Вязкость шлаков, находящихся в контакте с металлической фазой, помещённых в металлургический агрегат, оказывает огромное влияние на протекающие в агрегате физико-химические процессы. В частности влияние вязкости на скорость протекания многих физико-химических реакций является решающим. Это связано с тем, что лимитирующей стадией таких реакций, как, например, десульфурация, обезуглероживание, усвоение легирующих элементов, раскисление стали, является диффузия и другие виды массопереноса. Это видно из формулы Стокса-Эйнштейна, которая в первом приближении показывает связь между коэффициентом диффузии D и коэффициентом динамической вязкости η диффундирующей частицы, радиусом r:

          (1)

Кроме того, вязкость оказывает значительное влияние на скорость всплывания неметаллических включений в стали, которые ухудшают механические свойства металла. Это влияние можно оценить формулой Стокса с применением поправки Адомара-Рыбчинского, если неметаллическое включение жидкое:

,   (2)

где ρ₁ и ρ₂ - плотности металла и шлака соответственно; η₁ и η₂ - вязкости металла и шлака соответственно; r – радиус частицы.

Газопроницаемость металлургических шлаков сильно зависит от их вязкости. Поэтому наведение вязкого шлака в ковше-сталевозе, а также в промежуточном ковше МНЛЗ уменьшает загрязнение металла газами, отрицательно влияющих на его механические свойства, в частности азотом. Это влияние можно оценить по кинетическому уравнению:

,         (3)

где [N] – содержание азота в металле; (N)_пов - содержание азота на поверхности раздела шлак-газ; (N)_гр. - содержание азота на границе раздела шлак-сталь; S – площадь поверхности взаимодействия фаз; τ – время; β – коэффициент массопередачи азота через шлак к металлу. Причём, .

Также наведение вязкого шлака в ковше-сталевозе, а также в промежуточном ковше МНЛЗ препятствует остыванию металла в ковше, так как возникает добавочное тепловое сопротивление на пути теплового потока с зеркала металла в окружающую среду.

1.    Теоретические основы вязкости металлургических расплавов.

1.1.   Общая характеристика явления вязкости.

 

При течении жидкости или газа относительно быстро движущиеся слои увлекают за собой более медленные. В результате скорость первых уменьшается, а вторых — увеличивается, т.е. происходит выравнивание скоростей в этих слоях. Такое явление называется внутренним тре­нием, или вязкостью и так же, как диффузия и теплопро­водность, обусловлено тепловым движением молекул, которое обеспечивает возможность передачи скорости от одного движущегося слоя к другому.

Под потоком импульса П, подобным диффузион­ному потоку, понимают сумму импульсов отдельных мо­лекул, пересекающих единичную площадку  за единицу времени. Таким образом:

,              (4)

где - градиент скорости течения; η— коэффициент динамической вязкости.

Разделим обе части уравнения (4) на плотность жидкости  ρ

                                             ,              (5)

Так как поток П представляет собой изменение неко­торого суммарного импульса за 1 с, то   характеризует быстроту выравнивания скорости пото­ка в единице объема.

Отношение  называется кинематической вязкостью. Из механики известно, что изме­нение импульса за единицу времени представляет собой силу, в рассматриваемом случае силу трения. Эта сила действует по касательной к направлению движения жид­кости.

На поверхности между твердым телом и жидкостью дей­ствуют силы молекулярного притяжения. Это приводит к тому, что более или менее тонкий слой жидкости закрепляется на поверхности твердого тела и де­лается неподвижным. В свою очередь он тормозит дви­жение следующего слоя жидкости и т. д. Такое же явле­ние может иметь место и на границе двух жидкостей или на границе жидкость - газ.

1.2. Вязкость металлургических шлаков и её особенности.

 

Особенностью металлургических шлаков является то, что они представляют собой оксидный расплав. Рентгеноструктурные исследования твердых оксидов и силика­тов показали, что основные оксиды имеют решетку типа NаС1. Элементарной ячейкой различных модификаций SiO₂ является тетраэдр, в центре которого расположен катион кремния, а по вершинам — четыре аниона кислорода. Таким образом, кристал­лические оксиды имеют ионное строение. Значительная доля ковалентной связи обусловливает высокую стабильность кремнекислородных тетраэдров. Кристаллические силикаты и силикат­ные стекла также имеют ионное строение, причем заряды ионов кислорода оказываются различными в зависимости от того, какие катионы их окружают.

Поскольку в общем случае в многокомпонентном растворе оценка зарядов ионов затруднена, а на границе с металлом ионы обмениваются целым числом электронов, равным их валентностям, то вместо зарядов ионов в твёрдых и расплавленных силикатов принимают их валентности, например, Ca²⁺, O^2-.

Эти данные позволяют заключить, что жидкие шлаки представ­ляют собой ионные расплавы, состоящие из одноатомных катионов металлов, вносимых основными оксидами, анионов кислорода О^2- и многоатомных кремнекислородных анионов  различной степени сложности: от простейшего тетраэдра  при малых концентрациях SiO₂ до цепочек большой протяженности и дру­гих сложных структур, получающихся полимеризацией тетра­эдров при высоких содержаниях SiO₂.

Сера находится в шлаках в форме одноатомного аниона, окру­женного катионами основных металлов.

C увеличением мольной доли SiO₂ увеличивается доля громоздких многоатомных кремнекислородных анионов  и увеличивается вязкость шлака. Наоборот, если увеличиваются мольные доли анионов кислорода и фтора, то это приводит к разукрупнению многоатомных кремнекислородных анионов  и снижению вязкости шлака.

С увеличением температуры вязкость шлака быстро снижается. Обычно зависимость вязкости шлака от температуры описывается уравнением Френкеля:

                                                                (6)
где Е_h- энергия активации вязкого течения. Иногда эту зависимость представляют в виде:

                                                         (7)
Причём зависимость вязкости шлака от температуры неодинакова для кислых и основных шлаков. Характер этой зависимости приведен на рис.1.2.1. Это связано с тем, что основные шлаки образуют кристаллические структуры при охлаждении которых система становится гетерогенной и вязкость шлака возрастает скачком. Кислые шлаки, в отличие от основных, структура аморфные. При понижении температуры происходит медленная полимеризация, и вязкость шлака снижается плавно.

Плавление и затвердевание многофазной кристаллической системы (шлака) происхо­дит постепенно, соответственно с этим в интервале температур изме­няется и вязкость. При этом в интервале плавления ее вещество, пред­ставляет собой смесь твердых и жидких фаз (чаще всего твердая фаза образует скелет или остов) и вязкость не имеет определенного значе­ния, а система может обладать пластичностью. После расплавления пос­ледней кристаллической фазы вязкость жидкости с повышением тем­пературы изменяется по некоторой плавной кривой. У ти­пичных стекол, к которым относятся и многие шлаки, изменение вяз­кости от так называемой температуры стеклования Тр, при которой вязкость примерно равна 0,1 П Па • с, до температуры ликвидуса происходит в весьма широком диапазоне температур, при этом на кри­вой              никаких аномалий не наблюдается. Известно бо­лее 20 характерных точек на этой кривой, имеющих особый теоретичес­кий или прикладной интерес, в частности за точку видимой теку­чести стекла считают величину порядка 0,1 М Па • с.

Таким образом, при добавлении основных оксидов в кислый шлак происходит снижение вязкости. При дальнейшем добавлении основного оксида вязкость шлака начинает увеличиваться. Также вязкость шлака возрастает при добавлении в него  свыше 10% МgO. Разжиителями шлака обычно служат СаF₂, Al₂O₃. Зависимость вязкости алюмосиликатных расплавов от температуры и состава приведена на рис.1.2.2. Диаграмма вязкости шлаков системы СаО-SiO₂-FeO- Al₂O₃ при 1300°С и 10% Al₂O₃ приведена на рис. 1.2.3.

 

2.    Модели для прогно­зирования физико-химических и технологических свойств металлургических расплавов.

 

2.1.                   Эмпирические модели вязкости жидких шлаков.

 

Все модели вязкости шлаков можно разделить на три группы:

1)      Эмпирические или стохастические модели.

2)      Полуэмпирические модели.

3)      Теоретические модели.

Эмпирические модели с помощью методов математической статистики обобщают экспериментальные данные и не включают в себя никакой теоретической основы. Обычно эти модели связывают вязкость шлака с составом и температурой. В полуэмпирических моделях за основу берут данные, полученные в результате эксперимента. Далее эти данные интерпретируются в константы и постоянные величины с помощью принятой теоретической зависимости.

Модельные уравнения часто получают путём разложения вязкости в функциональный ряд Тейлора:

                                          (8);
где х_i-мольная доля компонента в шлаке; b₀, b_i, b_ij- эти коэффициенты находят путём обработки экспериментальных данных в результате регрессионного анализа.

Примером может служить следующая модель пятикомпонентного шлака, приведённая в таблице 1.

Таблица 1. Пример шлаковых систем.

Вязкость каждого из этих 100 шлаков измеряли при 4-х различных температурах. Для каждой температуры составили уравнение и получили эмпирические коэффициенты. Например, для 1500°С эта зависимость такова:

h=-124,1+4,98Х₁+2,39Х₂-12,53Х₃+1,34Х₄+13,03Х₅                                 (9);

Для разливочных шлаков, получающихся из шлакообразующих смесей в кристаллизаторе МНЛЗ французским исследователем Рибо были получена полуэмпирическая зависимость на основе следующих предположений:

 , где                                                                     (10);

Коффициенты A и B связывают с составом шлака и находят связь их с составом шлака:

 ,Па×с/К    (11);

 , К  (12);

Точность этих формул, однако, невелика: ±1,5 Па×с.

Японские исследователи предложили формулу:

                                                                                             (13);

lnA=-0.242(Al₂O₃)-0.061(CaO)-0.121(MgO)+0.063(CaF₂)-0.19(Na₂O)-4.816   (14);

B=-92,59(SiO₂)+283.186(Al₂O₃)-165.635(CaO)-413.646(CaF₂)-455.103(Li₂O)+ +29012,564                                                                (15);

Эти коэффициенты получены на основе 483-х шлаков с экспериментальным определением вязкости.

Установлено, что коэффициент корреляции r=0.96 и этой моделью.

В жидком состоянии по современным воззрениям шлак – это ионный расплав силикатного типа. С увеличением мольной доли кремнезёма увеличивается доля громоздких кремнекислородных анионов и увеличивается его вязкость и наоборот, если увеличивается и , то это приводит к разукрупнению кремнекислородных комплексов и снижению вязкости шлака.

Был введён коэффициент структуры анионов КСА:

                                                                               (16);

Далее было предложено связать коэффициенты A и B с КСА:

                                                                                          (17);

                                                                          (18);

                                                                            (19);

Возможно другое использование КСА (прямое влияние на вязкость):

                                                                                    (20);

На основе этого было получено две формулы, позволяющие прогнозировать вязкость шлаков:

 при t=1300°С                                            (21);

 при t=1350°С                                                           (22);

 

2.2.                   Модель Э.В. Приходько.

 

Существующие теории строения металлургических расплавов, методы расчета их свойств и результатов взаимодействия отличаются большим много­образием. Несмотря на большое число исследований в этой области, проблема еще не изучена в той мере, чтобы общие физико-химические положения теории жидкого состояния можно было использовать для прогнозирования конечных результатов технологических процессов.

В основе подхода, с позиций которого  рассматривается указанная проблема, лежит теория физико-химического моделирования рас­плавов, разработанная Э.В. Приходько. Ее отправным положением является представление об изменчивости зарядового состояния атомов каждого из ком­понентов как шлакового, так и металлического расплавов в зависимости от их конкретного кристаллохимического окружения. При этом металлургические рас­плавы рассматриваются как химически единые системы, изменение состава которых влияет на комплекс их физико-химических свойств и реакционную спо­собность через сопутствующее изменение параметров их структуры и харак­теристик межатомного взаимодействия.

Разработана и реализована методика расчета и ис­пользования новых критериев этих моделей, что существенно расширило воз­можности использования этой методологии в разных областях теории метал­лургических процессов.

Основными парциальными параметрами модели железоуглеродистых расплавов являются (табл.1) эффективные заряды компонентов, ( ) определя­емые для каждой пары реагентов ( )и среднестатистические значения (ZI_Ср), характеризующие зарядовое состояние каждого из компонентов в расплаве.

 

Таблица 2. Составы металлических расплавов основных металлургических пе­ределов.

 

	Химсостав металла, %						Интегральные параметры и средние заряды  Эi ральньге параметры и средние заряды Э»
№	С	Si	Мn	S	Р	Fe	d	ZY	Zc	ZSi	ZMn	ZS	Zp	ZFe
1	4.56	0.79	0.21	0.019	0.050	94.22	2.34	1.41	-2.745	-1.089	0.319	0.166	-0.444	0.281
2	4.56	2.20	0.20	0.024	0.056	92,78	2.33	1.44	-2.732	-1.073	0.337	0.180	-0.428	0.298
3	4.85	0.64	0.22	0.010	0.048	94.22	2.32	1.41	-2.717	-1.057	0.352	0.195	-0.413	0.313
4	4.85	0.65	0.22	0.009	0.047	94.21	2.32	1.41	-2.717	-1.057	0.352	0.195	-0.413	0.313
5	0.09	-	0.07	0.021	0.009	99.71	2.81	1.15	-3.459	-	-0.54	-0.59	-1.236	-0.541
6	0.20	-	0.19	0.025	0.008	99.49	2.79	1.16	-3.431	-	-0.51	-0.56	-1.206	-0.509
7	1.45	2.40	90.6	0.030	0.310	5.11	2.68	1.50	-3.199	-1.585	-0.18	-0.27	-0.913	-0.193
8	1.30	2.30	90.3	0.030	0.300	5.67	2.70	1.50	-3.226	-1.616	-0.21	-0.30	-0.942	-0.224

Примечание: Точки 1-2-чугуны ДП "ТулаЧермет"; 3,4 - чугуны ДП ЧерМК; 5,6 - конвертерная сталь завода им.Петровского; 7,8 - ферросплавы.

 

Интегральными характеристиками электронной структуры расплава как химически единой системы являются ее химический эквивалент (Z^Y) суммиру­ющий данные о зарядах компонентов с учетом вероятностей образования связей разного типа, и структурный параметр (d), характеризующий средне­статистическое расстояние между атомами в квазихимическом приближении.

Базовая модель структуры шлаковых расплавов была разработана по подобию моделей упорядоченных структур кристаллических и молекулярных соединений.

Основными параметрами модели при приведении расплава к виду КрА, где r -показатель стехиометрии, определяемый отношением числа катионов
К (Fе, Сr, Аl, Si, Mn ....) к числу анионов А (О, S, F....) в 100г расплава являют­ся: значения средневзвешенных зарядов и радиусов катионов в подсистеме К, анионов в подсистеме А, а также в направлении связи К-А и А-К, которые рассчитываются по формулам:

                                            (23);

                                            (24);

                                            (25);

                                            (26);

здесь индексы к и а указывают на связь катиона К и аниона А, m - количество катионов, n - количество анионов, М_ki и М_ai - соответственно их атомные доли.

Интегральными характеристиками расплавов являются: показатель сте­хиометрии r, параметр Dе, характеризующий взаимодействие в связи катион-анион, вычисляемый как:

                                               (27);

среднестатистическое межъядерное расстояние d (табл.2) и показатель инди­видуальности катионной подрешетки расплава  (tga- табулирован для каждого элемента таблицы Менделеева).

 

Таблица 3. Составы шлаков, соответствующие составам металла табл.2.

 

Использование этих параметров оказалось, как показывает анализ, весь­ма эффективным средством "свертки" информации о составе многокомпонен­тных оксидных расплавов при изучении закономерностей формирования их свойств. В результате первого этапа этих исследований были получены уравнения для расчета вязкости (h) при различных температурах, поверхностного натяжения (s), электропроводности (k), плотности (d), плавкости (Т) шлаков доменного передела. Методология физико-химического моделирования шлаковых и металличе­ских расплавов программно реализована в подсистемах "Шлак" и "Металл".

Разность химических потенциалов любого компонента в шлаке и металле является движущей силой процесса, определяющей полноту перехода веще­ства из одной фазы в другую и существенно влияющей на скорости процессов. В связи с этим определению химических потенциалов и связанных с ним активностей (а_i) компонентов в теории металлургических процессов уделяется осо­бое внимание.

Для большинства протекающих на границе "металл-шлак" реакций конс­танты равновесия получены экспериментальным путем, и выражения для их расчета зависят от выбора авторами модельных представлений о механизме взаимодействия структурных частиц в расплавах. При относительно небольшом содержании примесей в расплавах железа (до 6-10%), к числу которых отно­сятся большинство марок сталей и чугунов, принято считать, что активность железа в металлургическом расплаве равна единице а_[Fe]=1, а для остальных компонентов в практике металлургии наибольшее распространение получили расчеты активностей по параметрам взаимодействия (параметрам Вагнера). Для шлаков наиболее часто используют модель регулярных ионных растворов (РИР) В. А. Кожеурова, модель шлака, как фазы с коллективными электронами А. Г. Пономаренко (КЭ), а также полимерную модель.

По мере накопления в базе "Шлак-Металл-Газ" данных о термодинамиче­ских свойствах шлаковых и металлических расплавов был выполнен анализ су­ществующих подходов к прогнозированию активностей компонентов в шлако­вых расплавах. На примере выполненного В.К. Новиковым с соавторами расчета активности оксида марганца в многокомпонентных алюмосиликатных систе­мах MnO-CaO-SiO₂, MnO-Al₂O₃-SiO₂, MnO-CaO-SiO₂-Al₂O₃, MnO-CaO-SiO₂-FeO-MgO проведен сравнительный анализ указанных моделей с разработанной нами с точки зрения точности описания экспериментальных значений активности МnО.

В ходе анализа впервые была установлена необходимость учета, наряду с интегральными параметрами De и r, при решении задач такого уровня парци­альных параметров взаимодействия - в данном случае заряда марганца Z_Mn.

Использование сочетания интегральных и парциальных физико-хими­ческих критериев позволило объединить все составы вышеупомянутых систем в единую выборку и получить модель для прогнозирования активности МnО в шестикомпонентной системе MnO-CaO-SiO₂-FeO-MgO- Al₂O₃:

      R=0.99            (28);

где К - коэффициент корреляции.

Из представленных в работе результатов следует, что при сравнительно небольших содержаниях SiO₂ и Al₂O₃ (Al₂O₃<10% и SiO₂<30%)  все четыре модели удовлетворительно описывают экспериментальные данные во всем изученном интервале составов. При переходе к системам с высоким содержанием SiO₂ и Al₂O₃ расчет активности по методу РИР и КЭ дает значительные отклонения от опыта.

Аналогичные результаты получены при сравнительном анализе расчетов активностиFеО:

          R=0.95                        (29);

Таким образом, главное преимущество свертки химического состава шла­кового расплава в виде модельных параметров (Dе, r, ), отражающих его структуру, состоит в том, что их использование позволяет учитывать при оценке активности компонентов их химическое (зарядовое) состояние и свойства сре­ды в виде ( ) = f(Dе, r, ).

Как показали проведенные исследования, параметры Dе, r,  достаточно точно описывают активность компонентов в расплавах для равно­весных или нейтральных условий.

По мере же отклонений взаимодействующих систем от равновесия воз­растает роль заряда элемента Z_Э и параметра перезарядки (DZ_Э=Z_{Э мет}-Z_{Э шл.)}, который характеризует изменение электронного состояния компонента при пе­реходе из одной фазы в другую.

Так, при исследовании накопленных в базах ретроспективных производ­ственных данных по показателям выплавки фосфористого и малофосфористого чугунов 25 металлургических предприятий мира установлено существенное влияние зарядового состояния на химическую активность диффундирующего элемента. В качестве его критерия рекомендуется оперировать величиной перезарядки DZ_Э.

Таким образом, совместное влияние интегральных (Z^Y, Dе, r) и парциаль­ных (DZ_i) параметров структуры обеспечивает высокую точность (R>0.9) про­гнозных моделей типа:                   

                               (30);

                                (31);

                                               (32);

Проведенные расчетно-аналитические исследования показали, что взаи­модействие в системе Металл-Шлак приводит к изменению активности компо­нентов шлака и металла. Этот результат представляется логичным при трак­товке взаимодействия расплавов как кооперативного ионообменного процесса.

Накопленные в базах данные   создали репрезентативную инфо­рмационную среду для выбора физико-химических критериев с целью оценки рафинирующих свойств шлаков по параметрам физико-химической модели структуры шлаковых расплавов и позволили проделать сравнительный анализ различных методик определения рафинирующей способности шлаков по раз­личным соотношениям между концентрациями основных и кислых оксидов в шлаке.

Рассмотрены также разные подходы к расчету серопоглотительной спо­собности шлаков с позиций термодинамики, включая использование оптической основности l.

В итоге этих исследований показано, что функции показателя "основ­ности" переходят к сочетанию величины Dе и r.

В результате анализа литературных данных по серопоглотительной спо­собности шлаков (С_S) нами было показано, что она определяется сочетанием интегральных критериев Dе и r, а так же, как показал пофакторный анализ средствами АСОД, среднестатистическим зарядом анионов в связи анион-катион.

    R=0.98            (33);

Предложенная прогнозная модель была проэкзаменована на массиве экспериментальных данных Г.И. Жмойдина для системы СаО-Аl₂O₃-SiO₂-CaF₂. Точность аппроксимации экспериментальных данных для указанных шлаков прогнозной зависимости (18) характеризуется коэффициентом корреляции R=0.96. Широкий охват концентраций разных компонентов шлаковых расплавов и диапазона их изменения позволяет рекомендовать полученную зависимость (18) для оценки серопоглотительной способности промышленных шлаков всех металлургических переделов.

Для обоснования выбора физико-химических критериев, для оценки рафи­нирующей способности шлаков в качестве иллюстрации по аналогичной схеме рассмотрены составы синтетических шлаков, нашедших применение в ковше­вой металлургии. Поскольку достоинства и недостатки каждой из используемых композиций во многом определяются конкретными условиями их применения и целями, поставленными исследователями, теоретическое обобщение нако­пленного опыта отсутствует.

Используемые критерии Dе и Z^Y характеризуют расплавы как гомогенные системы. Это допущение в известной мере идеализирует состояние их структуры. Поиск путей дополнительного учета влияния её микронеоднородности на свойства расплавов позволил установить, что такой системный учет можно обеспечить, рассчитав избыточные значения параметров Z^Y и d. Соответ­ствующие значения DZ^Y и Dd определяются как разница между Z^Y и d, рассчи­танными для расплава как химически единой cсистемы, d_см и  для смеси соответствующих компонентов.

Разработанная методика учета потенциальной микронеоднородности структуры оксидных расплавов базируется на количественном определении степени отклонения химического эквивалента (Dе) и структурного параметра (d) реальных расплавов от вычисляемых для механических смесей исходных ком­понентов, записанных в виде k_ia_i:

                                                           (34);               

здесь k_ia_i - соединения типа FеО, СаО, SiO₂ и т.д.;  - формализованная за­пись катионной и анионной подрешеток. Параметр Dd вычисляется аналогично.

На примере прогнозирования энтальпии смешения DН хорошо изученных двухкомпонентных систем СоО-МgО, СоО-МnО, NiO-MgO и NiO-MnО для объ­единенного массива данных (n=68) получено уравнение (R=0.97):

(35);

Учет параметров микронеоднородности DDе и Dd_ш существенно повы­шает точность описания указанной характеристики от R=0.63 при DН=f(De_ш, d_ш) до R=0.97 по формуле (20).

В процессе актуализации баз данных были уточнены модели для вязкости, плавкости, поверхностного натяжения, плотности шлаковых расплавов доменного и сталеплавильного производств.

Была установлена целесообразность индивидуального рассмотрения от­дельных групп шлаковых расплавов, характерных для разных сырьевых усло­вий работы предприятий.

В частности, проанализированы экспериментальные данные о вязкости при различных температурах и плавкости синтетических и промышленных титансодержащих шлаков по данным Н.Л . Жило с сотрудниками:

 Па×с           R=0.86            (36);

Алгоритмы на основе этих уравнений включены в программу расчета со­става и свойств титансодержащих шлаков для доменных печей Нижне­тагильского меткомбината.

Характерной особенностью доменных шлаков ЗСМК является повышенное содержание в них оксидов алюминия (до 20%) и магния (до 25%). Наличие в шлаках "наследственных" твердофазных магнезиальных соединений обуслав­ливает гетерогенность расплавов, вследствие чего повышается их вязкость и плавкость и ухудшается шлаковый режим доменной плавки.

Сравнение рассчитанных" по этой формуле значений  магнезиально-глиноземистых шлаков с экспериментальными  по данным работ В.П. Горбечева с сотрудниками свидетельствует о достаточной для практических целей точности прогнозирования

                        R=0.74                                               (37);

Полученные модели заложены в основу алгоритма для прогнозирования состава и свойств первичных и конечных шлаков по составу подачи для шихто­вых условий доменных печей ЗСМК.

Анализ экспериментальных данных о свойствах шлаков, накопленных в базе "Шлакообразующие смеси", позволил получить прогнозные модели для расчета с достаточной для практических целей точностью комплекса свойств, характеризующих технологическую пригодность шлакообразующих смесей.

Вязкость при различных температурах. Па×с:

                                        (38);

                                           (39);

                                      (40);

                                        (41);

3.    Вискозиметрия металлургических расплавов.

3.1.                   Методы измерения вязкости металлургических расплавов.

В основе теории любого метода вискозиметрии лежит рассмотрение системы, в которой происходит движение жидкости или тела, с ней кон­тактирующего. В результате решения соответствующей гидродинами­ческой задачи находят связь вязкости с экспериментально определяемы­ми параметрами, характеризующими это движение. При этом прини­мают, что:

1)      жидкость гомогенна (однородна) и в ней нет никаких посторонних возмущений — конвективных токов, всплывания пузырь­ков газа и т.п.;

2)      скорость относительного движения тело—жидкость настолько мала, что устанавливается ламинарное течение в регулярном режиме;

3)      независимо от степени смачивания скольжение между жид­костью и поверхностью тела отсутствует (хоть это в общем случае стро­го не доказано);

4)      движение несжимаемой жидкости описывается урав­нениями Навье-Стокса. При анализе вискозиметрических данных всегда следует помнить об этих ограничениях.

Надежная теория метода вискозиметрии должна допускать как абсо­лютный (с аналитической зависимостью вязкости от измеряемых вели­чин), так и относительный (сравнительный, градуировочный) варианты.

Реальные жидкости часто не подчиняются уравнению Ньютона (1) в классическом его понимании, когда принимается, что h = const. В таком случае говорят об аномалии вязкости и соответственно об аномально вязкой (неньютоновской) жидкости. График зависимости между  и напряжением сдвига  для ньютоновских жидкостей — прямая, для неньютоновских — кривые, все они называются кривыми те­чения. Металлургические расплавы (металлы и шлаки) принято пока считать ньютоновскими жидкостями.

Таким образом, вязкость металлургических расплавов может нахо­диться в диапазоне 0,001 — 10 Па • с, и заманчиво охватить его с по­мощью одного устройства при небольшой погрешности. Задача эта, и при нормальных условиях непростая, осложнена тем, что при температу­рах металлургии число конструкционных материалов резко сокращается и выше 1400°С их набор очень ограничен. Но и они всегда в той или иной степени взаимодействуют с исследуемым расплавом. Так что важнейшей проблемой высокотемпературной вискозиметрии является подбор под­ходящего материала, предназначенного контактировать с изучаемым ве­ществом, и учет возможных последствий от их взаимодействия.

Кроме того, признано необходимым осуществлять контроль за содер­жанием газов, как в самом расплаве, так и в газовой фазе над ним, если не в течение опыта, то хотя бы до и после него. Это позволяет правильно интерпретировать полученные результаты. Ну и, само собой разумеется, что измерения вязкости нужно осуществлять по всем строгим прави­лам высокотемпературного теплофизического эксперимента.

Указанные обстоятельства ограничивают число методов вискозимет­рии, пригодных для изучения вязкости металлургических расплавов.

 

3.2.                   Метод капиллярного истечения.

 

Cамый старый и традиционный метод вискозиметрии основан на законе Пуазейля (1840):

                                                                         (42),

где r — радиус капилляра длиной l; Dp — постоянный перепад давлений на его концах; V — вытекающий объем жидкости за время t (измеряемая в опыте величина).

Вопреки установившемуся мнению лежащая в основе метода теория не до конца строга: необходимо введение ряда поправок, которые часто имеют неопределенный характер, поскольку связаны с особенностями течения исследуемой жидкости в капилляре и на выходе ее из резервуа­ра. При точных измерениях учитывают также неидеальность формы ка­пилляра, поверхностное натяжение жидкости и т.п. В общей сумме по­правки могут составлять до 20 % измеряемой величины вязкости, осо­бенно если последняя мала. Тем не менее, в силу абсолютности, просто­ты и удобства для обычных температур метод капиллярного истечения силами многочисленных исследователей доведен до высокой степени совершенства. Во многих странах эталонные вис­козиметры представлены именно капиллярными приборами. Но даже и для них погрешность определения вязкости оценивается небольшой величиной (до 0,3 %) лишь при исследовании маловязких жидкостей типа воды. Сравнение больших вязкостей с вязкостью воды (эталонной величиной) производится через ряд последовательных приборов и про­межуточных жидкостей, что приводит к возрастанию погрешности из­мерения на порядок и выше по мере увеличения вязкости жидкости.

Значительно хуже обстоит дело с применением капиллярного метода для изучения вязкости высокотемпературных расплавов. Как пока­зали многочисленные исследования, главные затруднения здесь чисто технические и определяются выбором материала для капилляра, его изготовлением, способом регистрации движения расплава в непрозрач­ном вискозиметре, оседанием на его стенках нерастворимой примеси, разъеданием стенок капилляра (r⁴) и т.д. Поэтому в настоящее время применение метода капиллярного истечения для измерений вязкости расплавов при высоких температурах ограниченно.

 

3.3.                   Метод движущегося в жидкости тела.

 

Он основан на законе Стокса (1850) :

                                                                          (43),

где F_h — сила вязкого сопротивле­ния, действующая на шар радиусом r, движущийся в бесконечной жид­кости со скоростью v (измеряемая величина). Если шар имеет плот­ность r₂, а жидкость r₁, то при падении его под действием силы тяжес­ти:

                                                            (44).

Теория метода также требует введения поправки на краевой эффект, возникающий из-за влияния стенок сосуда с жидкостью. Известен ряд вариантов ее математических выражений: Ладенбург (1907), Факсен (1920), Френсис (1933). Процесс измерений осложнен тем, что долж­но пройти некоторое время, прежде чем начавшийся двигаться шар дос­тигнет своей постоянной конечной скорости. При этом трудно выпус­тить в жидкость шар без сообщения ему толчков, влекущих к откло­нению от осевого направления при его падении в сосуде и без воздейст­вия спускового устройства на начальную скорость падения. Есть и еще ряд тонкостей экспериментального характера, делающих метод не та­ким простым, как кажется на первый взгляд.

Использование данного метода при высоких температурах сопряжено с еще более значительными неудобствами, к которым относятся: вынуж­денно большая длина сосуда с расплавом и вытекающие из этого труд­ности поддержания равномерной температуры по его объему; точность изготовления идеальных шаров весьма малого диаметра, сложность на­блюдения за движением шара в непрозрачном сосуде (например, с по­мощью рентгеновских лучей, изотопов, электромагнитных полей) и т.п. Метод не применяют для исследования расплавов металлов, так как наиболее надежные результаты получаются в области вязкостей 0,001 — 10 МПа • с. Для измерения вязкости шлаков и стекол этот ме­тод чаще всего используют в модификации, заключающейся в вытя­гивании шарика из расплава под действием определенной нагрузки. Специфическими недостатками варианта являются необходимость уче­та влияния сил поверхностного натяжения, действующих на нить, к которой прикреплен шарик, а также возможности налипания на нее застывающего расплава.

 

3.4.                   Ротационные методы.

 

Они основаны на законе те­чения жидкости, находящейся в зазоре между двумя соосными телами (цилиндрами, конусами, сферами, их сочетаниями), причем одно из тел (ротор) вращается, а другое неподвижно. Вязкость определяют по измеренному крутящему   моменту при заданной угловой скорости (вариант Маргулеса—Куэтта, 1881—1890) или по угловой скорости при заданном крутящем моменте (вариант Сирля, 1912). Так, в предположении, что между соосными цилиндрами находится ламинарный поток, вязкость рассчитывают по уравнению Навье (1823):

                                                                               (45),

где М — крутящий момент (измеряемая величина); R — радиус наруж­ного цилиндра; r—радиус внутреннего цилиндра; w — угловая скорость вращения наружного цилиндра; L — высота вращающегося слоя жид­кости.

Уравнение (45) получено для случая бесконечно длинных цилиндров; на практике необходимо учитывать влияние концов внутреннего цилинд­ра и дна внешнего, для чего существует несколько способов.

Ротационный метод, или, как его еще называют, метод коаксиаль­ных (концентрических) цилиндров, получил чрезвычайно широкое рас­пространение в науке и технике. В высокотемпературной вискозимет­рии, особенно для шлаков и стекол, он также пользуется вниманием, несмотря на то, что в этом случае весьма затруднительно выполнить одно из основных требований теории метода — обеспечить высокую соосность поверхностей при незначительной величине зазора между ними, необхо­димого для соблюдения условия однородности поля напряжения сдвига деформируемой жидкости. Это более всего касается разновидности ме­тода, в котором погружаемое в расплав неподвижное тело закрепля­ется на упругой нити и не имеет жесткости в горизонтальной плоскости.

Малая вязкость металлических и некоторых шлаковых расплавов и, следовательно, небольшой по величине вращающий момент, который должен быть передан от одного цилиндра к другому, ощутимая и непостоянная по величине сила трения в подшипниках вискозиметра огра­ничивают по нижнему пределу измерений вязкости возможности этого метода (порядка 10 мПа×с). Общая его погрешность при нормальных температурах оценивается обычно в 3—5 %, при температурах стале­плавильных процессов она будет значительно больше.

 

3.5. Методы крутильных колебаний.

 

 Метод крутильных колебаний тела вращения в жидкости ооснован на решении внешней гидродинамической задачи (Стоке, 1850). Для расчета вязкости на основании ряда теоретических допущений, из­мерения логарифмического декремента затухания крутильных свобод­ных колебаний тела вращения в жидкости и обмера его используют громоздкие формулы, полученные для диска Мейером (1861) и для шара Вершаффельтом (1915), в которые необходимо вводить крае­вые поправки.

Метод крутильных колебаний шара, несмотря на сложность матема­тической обработки, неоднократно применяли для определения вязкос­ти стали, чугуна, алюминия, олова и других металлов. Полученные дан­ные в ряде случаев не были позднее подтверждены другими методами. В работе дан анализ источников экспериментальных ошибок и оце­нены возможности рассматриваемого метода. Основной источник погрешностей усматривается в том, что на колебания тела, подвешенного на проволоке, поверхностная пленка металла оказывает трудно учитываемое тормозящее воздействие. Кроме того, чтобы быть подвешенным на проволоке, шар должен тонуть в исследуемой жидкости. Этого не всегда можно достигнуть без применения дополнительной нагрузки в не погруженной части колебательной системы. При повышении же центра тяжести система подвержена прецессионным движениям, динамической неус­тойчивости, что ведет к искаженным значениям декремента затухания. По этим причинам в настоящее время этот метод почти не применяют в вискозиметрии металлургических расплавов.

Метод крутильных колебаний сосуда с жидкостью основан на решении внутренней гидродинамической задачи. Для цилиндрического стаканчика, заполненного жидкостью и совершающего затухающие кру­тильные колебания вокруг своей оси, решение дано Мейером (1891) и более строго и корректно Швидковским (1944—1953), а также Роско (1958). Для сферы с жидкостью задачу впервые решил Вер-шаффельт (1915), а более подробно и строго решили Андраде (1936— 1952) и Роско. Оказалось, что измеряемая в методе величина — лога­рифмический декремент затухания — в зависимости от величины вяз­кости исследуемой жидкости изменяется неоднозначным образом: при больших вязкостях он сначала возрастает, с уменьшением вязкости и, пройдя через максимум, при дальнейшем уменьшении вязкости падает. Чувствительность метода к изменению вязкости в области максимума логарифмического декремента резко снижается. Поэтому решение гид­родинамической задачи дается отдельно для сильно-, средне- и слабо­вязких жидкостей.

В случае колебаний шара расчетная формула сравнительно несложна. Но из-за технических трудностей реализации требований теории (изго­товление геометрически правильной шаровой поверхности определенно­го внутреннего диаметра, который в расчетную формулу входит в треть­ей степени, обеспечение возможности свободного расширения расплава при изменении температуры и т.п.) сегодня эта разновидность метода для экспериментальной металлургии представляет лишь исторический интерес.

Технологичнее и проще в отношении реализации при высоких темпе­ратурах разновидность метода затухающих крутильных колебаний ци­линдрического сосуда (стаканчика). За последние десятилетия с его помощью выполнено подавляющее число исследований кинематической вязкости расплавленных металлов. Методу посвящены специальные монографии, поэтому не будем на нем останавливаться. Отме­тим лишь, что общепринятая оценка его погрешности в 3 — 5 %, а тем более в 1 %, по-видимому, излишне оптимистична. С помощью мо­делирования на ЭВМ авторы работы показали, что даже для идеаль­ного вискозиметра рассматриваемого типа, полностью отвечающего симметрии гидродинамической задачи, ошибка в измерении n существен­но зависит от ее абсолютной величины и может составлять от 6 до 10 % в интервале n= 10^-6 –10^-4 м²/с. В реальных условиях измерения всег­да сопровождают побочные процессы (взаимодействие расплава с мате­риалом тигля и газовой фазой, выделение газовых пузырьков из распла­ва, часть из которых покрывает внутреннюю поверхность тигля, всплывание неметаллических включений, нецилиндричность и децентровка тигля и т.п.), приводящие к нарушению симметрии гидродинамической задачи. При этом ошибка эксперимента возрастает до 20 — 30 %.

Метод поступательных колебаний тела в жидкости (вибрационный ме­тод) основан на решении внешней гидродинамической задачи, восходящем к Стоксу (1850) и Буссинеску (1878). Как метод виско­зиметрии оформился после работ Вудворда (1952), Лескова и Шев­ченко (1956), заслуги в его развитии принадлежат советским уче­ным: Росину (1960-1966), Соловьеву и Каплуну (1970), Крутину (1973,1985). Суть метода состоит в нахождении функцио­нальной связи между вязкостью и плотностью жидкости и измеряемыми параметрами поступательных колебаний погруженного в нее тела. При завлекающей внешней простоте устройств для реализации метода мате­матически установить эту связь совсем не простое дело, тем более что в большинстве случаев требуется введение граничных условий. По чувст­вительности же к измеряемой величине вязкости вибрационный метод в принципе вне конкуренции. Другие достоинства: широкий диапазон измеряемых с помощью одного и того же устройства вязкостей (10^-3 - 10³ Па×с), возможность проведения измерений при самых высоких температурах и повышенных давлениях. И, кроме того, вибрационный метод, пожалуй, как никакой другой, поддается автоматизации.

Известное недоверие к рассматриваемому методу объясняется пе­чальным опытом неоправданно широкого использования в исследова­ниях неудачных конструкций вибрационных вискозиметров, плохим знакомством экспериментаторов с его основами (даже зонд вибровис­козиметра называют шпинделем) и, наконец, недостаточной теоретичес­кой разработанностью этих основ.

Как показал анализ состояния вопроса вибрационной вискозимет­рии металлургических расплавов, достаточно грамотно вибрацион­ный метод применен лишь к расплавам некоторых металлов. Огромное число работ по изучению шлаковых расплавов данным методом, в том числе включенных в справочные издания, выполнено с теми или иными видимыми методическими дефектами, поэтому полученные в них результаты вызывают сомнение.

 

3.6. Противоречивость данных по вязкости шлаковых расплавов.

Уже первые результаты исследований вязкости доменных шлаков, по­лученные в 1917— 1931 гг. различными американскими авторами, не согласовались между собой. Даже для простых бинарных смесей (например, СаО- SiO₂) получалось такое разногласие, что невозможно было сделать какие-либо общие заключения о соответствии изотерм вязкости диаграммам состояния. Все эти авторы пользовались почти одинаковой методикой, осуществляя  принцип закручивания погру­женного в расплав на проволоке тела (цилиндра) вращающимся тиглем. Одна из причин расхождения результатов могла быть связана с приме­нением графита в качестве материала цилиндра. Как отмечали сами ав­торы, в экспериментах наблюдали проскальзывание расплава относи­тельно графита. Очевидно, вследствие окисления его шлаком на поверх­ности цилиндров выделялись многочисленные пузырьки СО, их прослой­ка и вызывала эффекты скольжения.

К настоящему времени в литературе накоплен обширный эксперимен­тальный массив данных по вязкости различных шлаковых расплавов и родственных им по природе жидких стекол. Гра­фит уже почти не используется для изготовления тиглей и рабочих ор­ганов, конструкции вискозиметров и методики измерений гораздо более совершеннее, чем в начале века. Однако практически нет такого шлака, данные по вязкости которого у различных исследователей, его изучав­ших, согласовались бы друг с другом в пределах сообщаемой погреш­ности методов. Зачастую несходимость результатов очень велика. Так, по данным восьми авторов, значения вязкости расплава состава 80 % FеО и 20 % SiO₂ (по массе) колеблются в диапазоне 3-30 мПа×с, т.е. отличаются на порядок величины. Для расплава СаF₂; это расхож­дение уже почти два порядка. Иногда различия носят не только количественный, но и качественный характер. Например, выводы ав­торов работ о влиянии добавок кремнезема на вязкость известково-глиноземистых расплавов диаметрально противоположны. Оценить же, насколько публикуемые результаты экспериментов несут Достоверную информацию о вязкости изученных систем, большей частью невозможно — к сожалению, авторы почти не приводят описания дета­ли методического характера.

4.    Расчёт вязкости металлургических шлаков по теории Э.В. Приходько.

4.1.  Модель шлака как системы неполяризованных ионных радиусов.

 

Модель получила название: система неполяризованных ионных радиусов (СНИР). Шлаковый расплав тут трактуется как химически однородная система. Влияние состава на структуру и свойства является функцией характеристик межатомных связей в непрерывном анионном каркасе (подрешётке). На основании определения эффективных зарядов z и радиусов ионов Ru^z  c использованием данных о межионных расстояниях d составляется и решается система уравнений, которая позволяет вычислить и использовать при прогнозировании свойств расплава ряд среднестатистических параметров, которые характеризуют композицию как химически единое целое. Например, в случае взаимодействия ионов A и B на заданном расстоянии d получаем систему:

                                          (46),
где эффективные заряды включают сферическую (z_min) и направленную (De/2) компоненты, т. е.  и . Причём эти эффективные заряды являются дробными. Тут De — среднестатистическое число электронов, локализуемых на связующих орбиталях в направлении связи металл — анион. Этот параметр выполняет функции химического эквивалента системы. Существуют и другие модельные параметры — r и tga. Параметр r ¾ это зарядовая плотность, которая может быть объёмной и сферической. Параметр tga. определяет индивидуальность катионной подрешётки шлака. Введение четырёх параметров De,r, d, tga  позволило обобщить опытные данные на базе использования уравнений СНИР, т. е. эти параметры заменяют и отражают состав шлака.

Используя эти параметры и результаты исследования различных свойств шлаковых расплавов, Э. В. Приходько установил корреляционные связи между комплексами этих параметров и свойствами шлаков в виде уравнений для динамической и кинематической вязкости, электропроводности, поверхностного натяжения, плотности, температур начала и конца кристаллизации, температуры плавления, коэффициентов активности компонентов по Раулю и для многих других физико-химических свойств.

4.2.   Сопоставление данных по вязкости шлаков, полученных по теории Э.В. Приходько, с данными, полученными на вибровискозиметре.

 

Для проверки правдоподобности данных, получаемых путём расчётов по различным модельным теориям жидких шлаков их необходимо сопоставить с данными, получаемыми путём экспериментальных исследований на вискозиметрах различных конструкций. Наиболее удобно использовать данные, полученные методом вибровискозиметрии, так как данные полученные этим методом, отличаются наименьшей противоречивостью и более точны, чем данные получаемые другими методами измерения вязкости. Особенно это касается измерения вязкости металлургических шлаков, которые являются высокотемпературными жидкостями.

Расчёты были проведены по теории Э.В. Приходько, так как это одна из немногих теорий, в рамках которой возможно вычисление вязкости шлака полуэмпирическим путём. Собственно сам расчёт был осуществлён по данным из [13] на программе «Шлак-металл» на ЭВМ. В программу вводятся число расчётных точек, компоненты шлаков, химический состав этих шлаков в массовых процентах. Далее программа производит расчёт по модели Э.В. Приходько и возвращает вязкости шлаков при фиксированных температурах: 1500, 1400, 1300°С. Данные вибровискозиметрических исследований шлаков того же состава приведены там же [13]. Исходные данные для расчёта приведены в таблицах 4.2.1.-4.2.3. Результаты расчётов приведены в таблицах 4.2.4.-4.2.5.

Таблица 4.2.1. Химический состав и вязкостно-плавкостные свойства шлаков из смесей на основе цемента.

№	Содержание, %мас.							Основн	h1300	h1500
ШОС	CaO	SiO2	Аl2O3	MgO	CaF2	Na2O	MnO	CaO/ SiO2	Па×с	Па×с
1	27,86	36,75	4,90	, 3,83	15,6	4,35	0,78	1,12	0,28	0,08
2	31,40'	37,3	3,55	1,54	14,0	6,5	0,60	1,11	0,35	-
3	34,00	36,2	3,0	1,15	10,9	7,25	-	1,16	0,48	0.19
4	24,22	34,1	10,15	3,1	18.57	5,65	0,3	1,05	0,50	-
5	25,90	32,52	9,30	1,46	18,55	6,40	-	1,21	0,49	0,12

 

Таблица 4.2.2.  Химический состав и вязкостно-плавкостные свойства шлаков из производственных смесей на основе шлаковых отходов электропечного производства марганцевых сплавов.

№	Содержание, %мас.								h1300	h1500
ШОС	СаО	SiO2	Аl2O3	MgO	CaF2	Na2O	MnO	FeO	Па×с	Па×с
6	26,15	32,90	3,60	1,81	10,88	2,05	19,60	1,81	0,45	0,09
7	22,86	36,84	3,03	1,19	12,44	5,17	15,72	-	12	-

 

Таблица 4.2.3.  Химический состав и вязкостно-плавкостные свойства шлаков из смесей, содержащих основной или кислый шлаки производства марганцевых сплавов.

№	Содержание, %мас.							Основн	h1300	h1500
ШОС	CaO	SiO2	Аl2O3	MgO	CaF2	Na2O	MnO	СаО/ SiO2	Па×с	Па×с
8	28,25	34,10	3,45	1,75	14,0	5,2.5	6,85	1,123	0,50	0,17
9	30,60	34,15	2,90	1,40	14,0	6,25	4,50	1,12	0,41	0,12
10	29,62	35,65	4,16	2,93	14,0	4,76	4,78	1,115	0,89	0,15
11	27,65	37,3	4,85	3,66	14,0	4,48	3,50	1,012	0,87	0,25
12	31,13	35,23	3,70	1,61	10,5	6,18	6,10	1,098	0,39	0,12

 

Таблица 4.2.4. Вязкости шлаков, Па×с, состава, соответствующего шлакам табл. 4.2.1-4.2.3., при различных температурах, полученные расчётом по программе "Шлак-металл".

 

Таблица 4.2.5. Сравнение вязкости шлаков полученных расчётом и экспериментом.

5.    Выводы.

 

Из графиков на рис. 4.2.1. видно, что с понижением температуры вязкость шлака быстро увеличивается. Это, очевидно, связано с укрупнением кремнекислородных комплексов в шлаке.

Из графиков на рисунках 4.2.2. - 4.2.3. видно, что экспериментальные данные, полученные методом вибровискозиметрии, совершенно не согласуются с данными, получаемыми расчётом по системе неполяризованных ионных радиусов (теория Э.В. Приходько).  Об этом говорят крайне низкие значения коэффициентов детерминации между данными, полученными в результате расчёта, и в результате эксперимента. В частности, коэффициент детерминации между данными, полученными в результате расчёта, и в результате эксперимента при 1300°С равен R= 0,0169, а при 1500°С R= 0,001.

Такое разногласие приводит к тому, что по этим данным практически невозможно сделать какое-либо общее заключение. Погрешности могут проистекать как из самого эксперимента, так и из-за некорректного подбора полуэмпирических констант в модели Э.В. Приходько. Следует заметить, что практически нет такого шлака, данные по вязкости которого, полученные различными исследованиями, или расчётом по различным теориям, согласовались бы друг с другом в пределах сообщаемой погрешности методов. Оценить же, насколько публикуемые результаты экспериментов несут достоверную информацию о вязкости изученных систем, большей частью не возможно.

Список использованной литературы.

 

1. Теория металлургических процессов / Под ред. Рыжонкова Д. И.
    М.: Металлургия, 1989.-392 с.
2. Приходько Э. В. Металлохимия многокомпонентных систем.
   М.: Металлургия, 1995.-320 с.
3. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987.-272 с.
4. Кудрин В. А. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1989.-560 с.
5. Расчеты металлургических процессов на ЭВМ / Рыжонков Д. И.,
   Падерин С. И., Серов Г. В., Жидкова Л. К. М.: Металлургия,
   1987. –231с.
6. Физико-химические расчёты электросталеплавильных
    процессов / Григорян В. А., Стомахин А. Я., Пономаренко А. Г. и др.
    М.: Металлургия, 1987.-272 с.
7. Приходько Э. В. // Сталь. 1990. №10. С.14-21.
8. Металлургия стали /Явойский В.И., Левин С.Л., Меджибожский М.Я. и др. М.: Металлургия,1973. –815с.
9. Физико-химические методы исследования металлургических процессов / Филипов С.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В. и др. М.: Металлургия,1968. –553с.
10.  Шварцман Л.А., Жуховицкий А.А.,  Начала физической химии для металлургов. М.: Металлургия,1974. –350с.
11. Гладкий В.Н., Вискозиметрия металлургических расплавов. М.: Металлургия,1989. –95с.
12.  Приходько Э.В., Тогабицкая. //Вестник ПГТУ. 1999. №7. с. 12-16.
13. Харлашин П.С., Кирюшкин Ю.И., Чернуха О.Е. Исследование физико-химических характеристик шлакообразующих смесей с целью оптимизации их составов. // Вестник ПГТУ, 1998, №6, с. 15-20.