Дәріс: Металлургия балқымаларының тұтқырлығын өлшеу әдістері.

Тұ тқ ырлық ты анық тау ә дістері. Сұ йық металдар мен оксидті балқ ымалардың тұ тқ ырлық ты сипаттамалары. Сұ йық тардың ең маң ызды физикалық қ асиеті болып, оның ішінде балқ ытылғ ан металдың, қ ождың жә не штейндердің, олардың тұ тқ ырлығ ы немесе ақ қ ыштығ ы табылады. Сұ йық тың тұ тқ ырлығ ы оның қ ұ рылымыменбайланысты жә не бө лшектер аралық ө зара ә рекеттесумен анық талады, сондық тан оны зерттеу, басқ ада физика-химиялық қ асиеттермен қ атар, металдық жә не қ ождық балқ ымалардың қ ұ рылысын, табиғ аты мен балқ ымадағ ы компоненттер аралық ө зара ә рекеттесу кү штерін, сонымен қ атар қ атты мен сұ йық кү йдің арасындағ ы байланысты бағ алауғ а мү мкіндік береді.

Шлактар мен сұ йық тардың тұ тқ ырлағ ы кө п жағ дайда ә ртү рлі физика-химиялық процестердің, ә сіресе балқ ымадағ ы диффузиялық қ ұ былыстардың жылдамдығ ын анық тайды. Бірқ атар жағ дайларда қ ождың тұ тқ ырлығ ы металлургиялық агрегаттардың дұ рыс жұ мысын анық тайды, атап айтқ анда, келесідей қ ұ былыстарды шарттайды: температуралардың таралуы, шахталық типті пештердегі шикіқ ұ рамдық материалдардың қ озғ алысын, қ ождың отқ а тө зімділермен ө зара ә рекеттесуін, шығ ару кезінде қ ожбен металдың жоғ алуын жә не тағ ы басқ аларды. Тұ тқ ырлық тың мә ніне алынатын металдың тазалығ ы тә уелді болады: газ мен металдық емес қ осылыстардың аласталу жылдамдығ ы балқ ыманың тұ тқ ырлығ ына кері пропорционал. Металдың тұ тқ ырлығ ы қ ұ ю режимін таң дауғ а ық пал етеді, кесектің қ алыптасу жағ дайын анық тайды, қ алыптардың толуына ә сер етеді. Сұ йық металдың тұ тқ ырлығ ы мен оның кристалдану процесінің арасында байланыс бар, демек, қ атты металл қ асиеттеріменде.

Тұ тқ ырлық туралы мә ліметтер, сұ йық металды айдау жә не тасымалдау ү шін қ ызмет ететін қ ұ рылғ ыларды есептеуге, металл жылутасығ ышты жылуалмастырғ ыштарды есептеуге қ ажет. Сұ йық тың тұ тқ ырлығ ының сипаттамасы ретінде тұ тқ ырлық коэффициенті η қ абылданғ ан, ол динамикалық тұ тқ ырлық деп аталады. Бұ л коэффициенттің мә ні, сұ йық тың табиғ атына тә уелді, бір-біріне ә ртү рлі салыстырмалды жылдамдық та қ озғ алатын сығ ылмайтын сұ йық тың екі қ абатының арасында пайда болатын ішкі ү йкеліс кү шінің ө згеру заң дылығ ынан шығ арып анық тауғ а болады. Осындай сұ йық тың қ алыптасқ ан ағ ыны ү шін келесі тең деу қ олданбалы:

F= η Sdv/dx (31)

мұ нда F- екі қ озғ алушы қ абаттың ө зара ә рекеттесу кү ші, Н; S – қ абаттардың жанасу ауданы, м²; dv/dx – ағ ын бағ ытына нормальмен сұ йық қ абаттарының жылдамдық градиенті, с^-1.

СИ жү йесінде динамикалық тұ тқ ырлық коэффициентінің η ө лшем бірлігі ретінде Па с қ абылданғ ан. Динамикалық тұ тқ ырлық коэффициенті қ алыптасқ ан ағ ынның импульсының бір жерден екіншісіне берілу жылдамдығ ын анық тайды. Жылдамдық массағ а бө лінген импульке тең болғ андық тан, ағ ынның жылдамдығ ын тең естіру тездігі келесі қ атынаспен анық талады η /d ( d— тығ ыздық, яғ ни сұ йық кө лемінің бірлігінің массасы). Мына шаманы

ν = η /d (32)

кинематикалық тұ тқ ырлық коэффициенті деп атайды.СИ жү йесінде кинематикалық тұ тқ ырлық тың ө лшем бірлігі м²/с болады.

Сұ йық металдар тұ тқ ырлығ ы мен Д.И.Менделеевтың элементтердің периодтық жү йесіндегі олардың жағ дайы арасында байланыс бар. Металдардың тұ тқ ырлығ ы атомдық нө мірдің периодтық функциясы болып табылады: ө тпелі металдар тұ тқ ырлық тың жоғ ары мә ніне ие, ал сілтілілер — тө менгі. Сұ йық тардың тұ тқ ырлығ ы температураның жоғ арылауымен заң далық ты тө мендейді. Тұ тқ ырлық тың температуралық тә уелділігі сұ йық тардағ ы тұ тқ ырлы ағ ыстың механизмінің теориясынан шығ ады, мұ ны бә рқ атар зерттеушілер ұ сынады.

Тұ тқ ырлық ты ө лшеу ә дістерінің жалпы сипаттамасы. Сұ йық тардың тұ тқ ырлығ ын ө лшеу ә дістері, оның ішінде металлургиялық балқ ымалардың, тұ тқ ырлық пен функционалды байланысты ә ртү рлі параметрлерді ө лшеу процесінде тіркеуге негізделген. Бұ л эксперименттік анық талатын параметрлер мен динамикалық жә не кинематикалық тұ тқ ырлық арасындағ ы байланыс ә дістердің математикалық теорияларына негізделеді. Ә дістердің теориясын қ ұ ру кезінде сұ йық пен жалғ асатын сұ йық тың немесе денелердің қ озғ алысы ө тетін жү йені қ арастырудан бастайды. Есептеу тең деулерін ә зірлеуде келесі ережелерді қ абылдайды: 1) сұ йық – қ атты дене жанасу бетінде сырғ анау толығ ымен болмайды, яғ ни толық сулану орын алады; 2) сұ йық тың қ озғ алысы Навье – Стокстың сығ ылмайтын сұ йық қ а арналғ ан тең деуімен жеткілікті дә режедегі дә лдікпен сипатталады; 3) жү йе қ алыптасқ ан, сұ йық тың немесе қ атты дененің сұ йық та ретті қ озғ алысында қ арастырылады.

Бірінші шарт тұ тқ ырлық ты ө лшеудің барлық ә дістерінің негізінде жатыр, сондық тан есептеулерде сұ йық – қ атты дене шекарасындағ ы қ озғ алыстың салыстырмалы жылдамдығ ын нө лге тең деп қ абылдайды. Бұ л шарт қ атты дененің сұ йық пен сулану дә режесіне тә уелсіз орындалады жә не сулану болмағ ан жағ дайдың ө зінде қ атты денеге қ атысты сұ йық тың сырғ анауы болмайды деп болжанады.

Екінші шарт қ озғ алыс кезінде тығ ыздығ ы ө згермейтін сұ йық тарғ а қ атысты, яғ ни сығ ылмайтын сұ йық тарғ а. Бұ л сұ йық тардың тұ тқ ырлық қ асиеттері ығ ыспалы динамикалық тұ тқ ырлық коэффициентімен барынша толық сипатталады.

Ү шінші шартта вискозометрияда жалпы қ абылданғ ан шарт болып табылады, ол эксперименттік тұ рғ ыдан қ атаң сақ талуды талап етеді. Есептеулерде тек қ ана ө лшенетін параметрлер мә ндері алынуы керек, олар сұ йық пен жү ретін, сұ йық немесе жү йе қ озғ алысының орнық қ ан режиміне сә йкес болуы қ ажет.

Бірқ атар ә дістер сә йкес тең деулер бойынша тікелей есептеу жолымен ө лшенетін параметрлер негізінде сұ йық тың динамикалық немесе кинематикалық тұ тқ ырлық тарын анық тауғ а мү мкіндік береді. Кейбір ә дістерде ө лшеу процесіндегі математикалық теорияның кү рделілігі немесе қ осалқ ы қ ұ былыстармен байланысты, ә ртү рлі тү зетулердің қ иындығ ы салдарынан, тұ тқ ырлық ты оны бақ ыланатын параметрлермен байланыстыратын градустелген қ исық тар бойынша анық тайды. Сұ йық металдармен жә не шлактармен жұ мыс істеу кезінде жоғ ары температураның қ ажеттілігінен, жә неде балқ ымалардың ө лшеу процесінде жанасатын отқ а тө зімді материалдарғ а жә не қ ондырғ ы атмосферасына қ атынасы бойынша активтілігінің жоғ арылығ ынан, вискозиметр қ ұ рылысына ерекше талаптар қ ойылады жә не бірқ атар жағ дайларда ө лшеу процесі қ иындайды. Осығ ан қ арамастан қ азіргі кезде температуралардың мә нді интервалдарында сұ йық металдар мен шлактардың тұ тқ ырлығ ын ө лшеу ү шін табысты қ олданылатын бірқ атар қ ондырғ ылар ә зірленген, оларда қ ажет болғ ан жағ дайда вакуумды, бейтараптылық ты немесе бақ ыланатын атмосфераны қ олдануғ а болады. Кейбір ә дістерді кө бінесе ә лсізтұ тқ ырлы балқ ымалардың тұ тқ ырлығ ын анық тау ү шін қ олданады, сұ йық металдарда осы қ атарғ а жатады. Басқ а ә дістерді вискозиметрияда кү шті тұ тқ ырлы қ ождық балқ ымаларда қ олданады.

Қ абылданғ ан сыныптамағ а сә йкес тұ тқ ырлық ты ө лшеу ә дістері екі негізгі топқ а бө лінеді: қ алыптасқ ан жә не қ алыптаспағ ан. Бірінші топқ а капиллярлық ағ ып ө ту, қ ұ лама шарик, айналмалы цилиндрлер жә не дірілді ә дістер жатады. Екінші топқ а зерттелетін сұ йық пен жү ретін, жү йенің айналмалы тербелісін бақ ылауларғ а негізделген ә дістер жә не айналудың параболоиды ә дісі жатады.

Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің қ алыптасқ ан ә дістері.

Капиллярлық ағ ып ө ту ә дісі. Ә діс капиллярдағ ы сұ йық қ озғ алысының заң дылық тарын сипаттайтын белгілі Пуазейль заң ына негізделген. Тү пкілікті мө лшерлері капилляр арқ ылы тұ тқ ырлығ ы η сұ йық тың қ алыптасқ ан ағ ыны ү шін гидродинамика тең деуі келесі тү рде болады:

Q = π R² p/8η l, η = π R² p/8Ql (33)

Q— уақ ыт бірлігінде капилляр арқ ылы ағ ып ө тетін сұ йық мө лшері, м³/с; R— капилляр радиусы, м; l — капилляр ұ зындығ ы, м; η — тұ тқ ырлық, Па с; р = р₁— р₂, яғ ни, капилляр соң ындағ ы қ ысымдар айырымы, Па. Пуазейль тең деуі сұ йық – капилляр қ абырғ асы шекарасында сырғ анау болмағ ан кездегі сұ йық тың ламинарлық ағ ыны ү шін дұ рыс. Капиллярдағ ы сұ йық қ озғ алысының сипаты, яғ ни ағ ын ламинарлық па немесе турбуленттік пе, кө п жағ дайда кинематикалық тұ тқ ырлық пен анық талады. Сұ йық тың кинематикалық тұ тқ ырлығ ы аз болғ ан сайын (бұ л сұ йық металдар ү шін сипатты), тө менгі жылдамдық тарда қ озғ алыстың турбуленттік сипаты пайда болады, демек, тең деудің (33) дұ рыстығ ы жойылады. Тең деу (33) динамикалық тұ тқ ырлық ты анық тауғ а қ олданыла алмайды, ө йткені нақ ты жағ дайларда ө лшеу кезінде шеткі эффектілерді, сұ йық жылдамдығ ы мен беттік керіліс кү шін жең уге кететін энергия шығ ынын ескеру талап етіледі. Капиллярлық ағ ып ө ту ә дісі кезінде сұ йық бір ыдыстан қ ысымдардың айырымының ық палынан рбелгілі бір кө лденең қ ималы жә не ұ зындық ты капилляр арқ ылы екінші ыдысқ а ағ ып кетеді. Бұ л ыдыстар капиллярғ а қ арағ анда кө птеген ретке ү лкен қ ималы болады, сондық тан сұ йық тың ыдыстағ ы қ озғ алысының жылдамдығ ы капиллярдағ ығ а қ арағ анда ондағ ан ретке аз болады, жә неде қ ысымның барлық мө лшері сұ йық тың тұ тқ ырлы кедергісін жең уге кетпейді, оның бір бө лігі кинетикалық энергияның біршама мө лшерінің сұ йық пен байланысуына жұ мсалады. Осығ ан байланысты тең деуге (33) кинетикалық энергияғ а тү зетулер енгізу қ ажеттігі туады (Хагенбах тү зетуі), яғ ни:

η = (π R² p/8Ql) — (nQd/8π l), (34)

мұ ндағ ы n— бірге жақ ын коэффициент; d— тығ ыздық.

Кинематикалық тұ тқ ырлығ ы > 10^-6 м²/с органикалық сұ йық тар тұ тқ ырлығ ын ө лшеу кезінде кинетикалық энергияның тү зетуі пайыздың ү лесін қ ұ райды. Сұ йық металдардың кинематикалық тұ тқ ырлық тарының мә нінің 10^-7 м²/с аздығ ы салдарынан, тү зету 10—15 % жетуі мү мкін, жә неде ол тек қ ана кинематикалық тұ тқ ырлық мә ніне тә уелді емес, сонымен қ атар экспериментті жү ргізу жағ дайына да тә уелді. Кинематикалық энергия тү зетуін эксперименттік жолмен орнық тыруғ а болады, оны қ ысым айырмаларының р ә ртү рлі мә ндері кезінде ө лшеу жү ргізу арқ ылы белгілейді. Жә не бұ л кезде радиусы Rкапилляр арқ ылы белгілі бір сұ йық кө лемі V ағ ып ө тетін уақ ыт τ анық талады. Ары қ рай тең деу негізінде

η = (π R⁴/8lV) р τ — (mV/8π l)(d/ τ) = А (рτ) — В (d/τ) (35)

р1/τ -қ а тә уелділігінің графигі тұ рғ ызылады. Осы графикте алынғ ан тік тең деуінен шығ а отырып, А мен В коэффициенттерінің мә ндері анық талады.

Екінші тү зету «аяқ қ ы» эффектіні ескереді, ол капиллярдың бастапқ ы бө лімінің сұ йық тың қ озғ алыс сипатына ық палын айқ ындайды. Капиллярдың резервуармен қ осылғ ан жерінде, сұ йық тың ағ ып кететін жері, қ ұ йынды қ озғ алыс пен қ ұ йындату пайда болуы мү мкін. Бұ л эффект капиллярдың нағ ыз ұ зындығ ының l орынына кө рінетін ұ зындық ты l' енгізу жолымен ескеріледі:

l'= l+n R (36)

мұ ндағ ы n — коэффициент, ~ 1 тең, оны 1-дің ә ртү рлі мә ндері кезіндегі ө лшеу негізінде экспериментті анық тайды.

Салыстырмалы жоғ ары емес температура жағ дайларында (< 500°С) сұ йық металдар тұ тқ ырлығ ын ө лшеу кезінде, «Пирекс» қ иын балқ итын шыныдан жасалғ ан капилляр қ олданылады, жоғ ары температуралар кезінде — кварцтан. Тө менгі активті жә не жең іл балқ итын металдар ү шін платинадан жасалғ ан капиллярлар жарамды болады. Капиллярлар мө лшері (ұ зындығ ы мен диаметрі) ө лшенетін тұ тқ ырлық тың мә німен анық талады.

Негізі капиллярлық ағ ып ө туден тұ ратын вискозиметрлер қ ұ рылысы бойынша кө лденең, тік жә не шиыршық типті капиллярлармен орындалады.

Сұ йық ерітінділердің тұ тқ ырлығ ын ү здіксіз анық таудың дифференциалдық капиллярлық ә дісі кө ң іл аудартады.Бұ л ә діс еретінділердің тұ тқ ырлығ ын анық тау ү шін ғ ана емес, сонымен қ атар тұ тқ ырлық мә нінің негізінде олардың қ ұ рамында анық тауда қ олданылады. Зерттелетін сұ йық тө рт капилляр арқ ылы жаншылады. Кө пірдің диагоналы бойынша қ ысымның қ ұ ламасы кедергінің сынапты манометрімен тіркеледі.

7 сурет. Шиыршық ты капиллярлы вискозиметр сұ лбасы.

Ағ ынның ламинарлық режимі кезінде ка­пиллярлар кедергісі ағ атын сұ йық тың тұ тқ ырлығ ына пропорционал болады. Демек, егер гидравликалық кө пірдің бір капилляры арқ ылы тұ тқ ырлық тың басқ а мә ніндегі сұ йық ағ атын болса, онда бұ л кө пірдің балансының бұ зылуына жә не оның диагоналінде қ ысымның қ ұ ламасының пайда болуына ә келеді.

Қ ұ лама шарик ә дісі. Ә дістің теориясы Стокс заң ына негізделген, ол бойынша қ атты шариктің шексіз тұ тқ ырлы ортада еркін тү суінің жылдамдығ ы (8 сурет), келесі тең деумен сипатталады:

v = 2 (d — d_ж) r² g/9 η (37)

мұ ндағ ы v — шариктің бірқ алыпты қ озғ алысының жылдамдығ ы; r— шариктің ра­диусі; g —еркін тү су ү деуі; d — шариктің тығ ыздығ ы; d_с— сұ йық тың тығ ыздығ ы.

Тең деу (37), қ ұ лау жылдамдығ ы ү лкен емес жағ дайда жә не гидродинамика тең деулерінің сызық сыз мү шелерін ескермеуге болатын болса дұ рыс болады. Одан ө зге, шариктің сұ йық – беттік шекарасында сырғ анаудың толық болмауыда болжанады.

8 сурет. Қ ұ лама шарикті вискозиметр сұ лбасы.

Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің қ алыптаспағ ан ә дістері.

Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің қ алыптаспағ ан ә дістеріне айналмалы тербеліс жә не айналу параболоиды жатады. Айналмалы тербеліс ә дісі зерттелетін сұ йық пен жү ретін жү йенің айналмалы тербелісін уақ ыт бойында тіркеуге негізделген. Айналу параболоиды ә дісінде айналымдағ ы цилиндрлік ыдысқ а орналасқ ан сұ йық тың параболалық беттігінің орнығ у ұ зақ тығ ы тіркеледі. Айналмалы тербеліс ә дісімен тұ тқ ырлық ты анық тау айналу тербелісінің ө шу дә режесі бойынша жү зеге аса алады: 1)серпімді жіпке ілінген жә не сұ йық қ а батырылғ ан (сыртқ ы гидродинамикалық есеп) шардың немесе цилиндрдің (9 сурет); 2) серпімді жіпке ілінген жә не сұ йық пен толтырылғ ан сфералық қ ауыз немесе цилиндр типті тигельді (ішкі гидродинамикалық есеп).

Айналушы жү йе мен зерттелетін сұ йық тың тығ ыздығ ының бақ ыланатын параметрлері арасындағ ы байланыс ә дістердің математикалық теорияларына негізделген. Сыртқ ы гидродинамикалық есептің шешуін сұ йық қ а батырылғ ан шардың айналмалы тербелісіне қ олдану кү рделі есептеу тең деуіне ә келеді, ол ілмелі жү йенің (инерция моменті, шар радиусы, ө шудің логарифмдік декременті, шардың ауадағ ы жә не сұ йық тағ ы тербелу кезең і) тұ тқ ырлық пен жә не тығ ыздық пен арадағ ы параметрлерді байланыстырады. Математикалық ө ң делуінің кү рделілігіне қ арамастан бұ л ә діс балқ ығ ан металдардың тұ тқ ырлығ ын ө лшеуде қ олданылды. Дегенмен алынғ ан нә тижелер басқ а барынша жетілдірілген ә дістермен ө лшеу кезінде мақ ұ лданбады. Бұ л балқ ымалардың беттік керілісінің ө лшеу нә тижелеріне ық палының ескерілмегендігімен байланысты.

а б

9 сурет. Сұ йық қ а батырылғ ан шардың (а) немесе цилиндрдің (б) айналу тебелісі ә дісіне негізделген вискозиметрдің сұ лбасы.

Цилиндрдің қ арапайым айналу тербелісіне негізделген жә не шлактың тұ тқ ырлығ ын ө лшеуге арналғ ан қ ұ рылғ ының сұ лбасы 9 суретте кескінделген.

Зерттелетін қ ож салынғ ан тигельге 1 графиттен немесе молибденнен жасалғ ан цилиндр орналастырылады, ол стержендерге 2 жә не 3 бекітілген, стержендер серпімді жіптерге ілінген 4. Жіптің жоғ арғ ы ұ шы қ озғ алыссыз тірек штативке 5 бекітілген. Серпімді жіп ретінде диаметрі 0, 2 – 0, 4 мм суық тартылғ ан воль­фрам немесе нихром сымы қ олданылады. Шлактың қ ыздырылуы жә не балқ уы кедергі пешінің кө мегімен жү ргізіледі 6.Шлактың температурасы терможұ ппен ө лшенеді, оның қ абы тигельдің тү біне орналастырылады.

Ілмелі жү йе тыныштық кү йден жіпті белгілі бір бұ рышқ а айналдыру (кә дімгі жағ дайда 180°) жолымен шығ арылады. Айналдыратын кү штен босағ ан соң жү йе сө нуге бағ ытталғ ан айналмалы тербеліске тү седі. Бұ рау бұ рышын ө лшеу ү шін стерженьге 3 бекітілген қ озғ алмалы шкала 7 жә не тіл 8 қ ызмет етеді. Шкала 7 штативпен байланысты жә не оны тік бойлық та қ озғ алтуғ а болады. Логарифмдік декрементпен бағ аланатын, айналмалы тербелістің ө шу дә режесі, шлактың тұ тқ ырлығ ына пропорционал (оның тығ ыздығ ын ескермей), яғ ни

η =δ /к (38)

мұ ндағ ы к— асапаптың тұ рақ тысы; δ = 2, 3(lg А_о—lgА_n)/n(A_о жә не А_n — бастапқ ы жә не соң ғ ы амплитуда, n— тербеліс саны).

10 сурет. Шлакқ а батырылғ ан цилиндрдің айналу тербелісі ә дісіне негізделген вискози­метрдің сұ лбасы.

Ә дістің теориясы вискозиметрияда қ абылданғ ан келесі жалпы ережелерден тұ рады:

1. Сұ йық пен тигельдің ішкі бетінің арасында сырғ анау жоқ.

2. Тигельдің тербелісі қ алыптасқ ан реттік режим кезінде қ арастырылады. Есептеуде тербеліс нө мірінен алынатын амплитуда логарифімінің тіксызық ты тә уелділігін қ анағ аттандыратын тербелістер алынуы керек. Ә ншейінде мұ ндай тә уелділіктер ілмелі жү йенің қ озғ алысының басталуынан соң бірнеше тербелістен кейін басталады.

3. Тигельдің тербелу амплитудасы тө мен жә не радианның ү лесін қ ұ райды.

Ә дебиет. 1нег. [10-79], 6 осн. [209-266].

Бақ ылау сұ рақ тары:

1. Нестационарные методы измерения вязкости

2. Сұ йық металдар мен оксидті балқ ымалардың тұ тқ ырлық сипаттамалары.

3. Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің капиллярлық ағ ып шығ у ә дісі.

4. Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің қ ұ лама шарик ә дісі.

5. Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің айналмалы тербеліс ә дісі.

6. Тұ тқ ырлық ты ө лшеудің тұ рақ сыз ә дістері.