Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4 ppsx

Hình 4.12: Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO - MgO - SiO 2 4.3.2. Độ sệt của xỉ. Để sản xuất gang thép và các hợp kim thuận lợi, cần tạo ra trong lò, các thiết bị tinh luyện những xỉ lỏng, linh động và chảy loãng tốt. Độ sệt là một trong những tính chất vật lí quan trọng của xỉ. Độ sệt biểu thị một mức độ tính chảy lỏng của dịch thể và cấu trúc bên trong của nó. Những tính chất kỹ thuật quan trọng nh truyền nhiệt và các tác dụng khối lợng của các cấu tử cũng liên quan chặt chẽ với độ sệt của xỉ, các quá trình oxi hoá tạp chất và chuyển sản phẩm phản ứng vào xỉ, độ sệt có vai trò quyết định. Điều đó chứng tỏ mối liên hệ ngợc giữa giá trị động học của độ sệt và hệ số khuyếch tán của các cấu tử trong xỉ. Độ sệt biểu thị trở lực khi xáo trộn các chất điểm bên trong dịch thể khi chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Độ sệt đợc xác định theo biểu thức: F = dy dv S F: là lực cần thiết để tạo ra giữa 2 lớp có điện tích S một gradient tốc độ dy dv dv: là chênh lệch tốc độ giữa 2 lớp. dy: là khoảng cách giữa 2 lớp. : là độ sệt (poa) Độ sệt có ảnh hởng rõ rệt tới tốc độ khuyếch tán của các phần tử. Trong điều kiện không chuyển động thì mối quan hệ giữa hệ số độ sệt và hệ số tốc độ khuyếch tán D cm 2 / sec, đợc biểu thị nh sau: D = const. nghĩa là tốc độ khuyếch tán tỉ lệ nghịch với độ sệt. Khi lớp xỉ chảy rối, nếu độ sệt của xỉ tăng lên sẽ làm giảm tốc độ truyền khối của các cấu tử do giảm bớt cờng độ xáo trộn. Độ sệt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nó. Khi tăng nhiệt độ độ sệt của xỉ giảm xuống. Quan hệ đó đợc biểu thị theo phơng trình: = A.exp (En/RT) A: hằng số đặc trng cho từng dịch thể. exp: số mũ với cơ số e của log tự nhiên (y = epx Z đợc viết dới dạng y = e Z ) E: hoạt năng của dòng chảy. Độ sệt thay đổi theo thành phần và nhiệt độ của xỉ, ví dụ xỉ lò cao ở 1500 O C có độ sệt khoảng 5 poa, xỉ kiềm lò thép ở 1550 - 1650 O C có độ sệt khoảng 2 poa và khi nhiệt độ giảm, độ sệt củâ xỉ tăng mạnh. Để dễ so sánh cần nhớ rằng độ sệt của nớc nguyên chất ở 20 O C khoảng 0,01 poa và của thép lỏng ở 1600 O C khoảng 0,40 poa. Xỉ kiềm luyện thép khi tăng hàm lợng CaO và nhất là MgO thì độ sệt tăng lên rất nhiều. Lí do tăng là do trong xỉ xuất hiện các hạt huyền phù có kích thớc nhỏ khoảng 10 -3 + 10 -2 mm, chính chúng làm tăng "độ sệt ảo" của xỉ. Các chất điểm không tan trong xỉ này có thể là các tinh thể periclase (MgO), vôi và oxit crôm. Độ sệt của xỉ kiềm giảm xuống rất mạnh khi tăng hàm lợng CaF 2 , vì vậy huỳnh thạch đợc sử dụng phổ biến trong các xỉ để tinh luyện kim loại bằng phơng pháp điện xỉ. Độ sệt của xỉ kiềm cũng giảm xuống khi tăng hàm lợng F 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 vì cấu tử này thúc đẩy sự hoà tan CaO, MgO trong xỉ (hình 4 -12). Độ sệt của xỉ axit cao hơn độ sệt của xỉ kiềm rất nhiều và nó lại giảm khi hàm lợng của CaO, FeO, tăng. Các phơng pháp đo độ sệt của xỉ. Có rất nhiều phơng pháp đo độ sệt, nhng ở nhiệt độ cao trong các ngành luyện kim và silicát thờng chủ yếu sử dụng các phơng pháp sau đây: - Phơng pháp mao dẫn. - Phơng pháp vật rơi. - Phơng pháp kéo bi. - Phơng pháp quay. - Phơng pháp dao động. Sau đây chúng ta nghiên cứu một vài phơng pháp dễ có điều kiện ứng dụng và cho kết quả chính xác. Đo độ sệt theo phơng pháp mao dẫn. Phơng pháp này dựa vào thời gian chảy của một thể tích xỉ lỏng qua một ống mao dẫn. Từ kích thớc ống mao dẫn, thể tích xỉ lỏng chảy qua ống và thời gian chảy ta có thể tính đợc độ sệt (xem hình 4.13). Theo công thức : = H VI Ptr 8 2 : độ sệt, poa. r: bán kính ống, cm I: Chiều dài ống mao dẫn, cm V: Thể tích xỉ chảy ra, cm 3 t: Thời gian chảy ,s P: áp suất nồi đựng xỉ, dyn/cm 2 H: Hệ số hiệu chỉnh. (poa là đơn vị độ sệt cũ có thứ nguyên là 2 . cm sdyn , theo hệ đo lờng mới độ sệt có thứ nguyên là 2 . m sN = Pa.s ) Hình 4.13: Sơ đồ do độ sệt của xỉ theo phơng pháp mao dẫn Đo độ sệt theo phơng pháp quay. Thiết bị đo bao gồm 1 nồi đựng chất nóng chảy, một trực quay có gắn khối trụ để nhúng vào chất nóng chảy, trục quay đợc nối liền với thiết bị đo và mômen quay, (xem 4.14). Dựa trên quan hệ giữa độ sệt và mômen quay, ngời ta tính toán độ sệt chất nóng chảy theo công thức sau: = 222 11 8 ai rHnh M : độ sệt, Poa h: chiều cao khối trụ, cm r i : Bán kính khối trụ, cm r a : bán kính trong nồi, cm M: Mômen quay, dyn/cm n: số vòng quay, 1/s. Nồi hứng ố ng mao dẫn Xỉ lỏng Mức Cần nút Hình 4.14: Sơ đồ đo độ sệt của xỉ theo phơng pháp quay. a. Trục quay; b. Nồi quay Độ đo sệt bằng phơng pháp rung động điện. Gần đây ngời ta đã chế tạo thiết bị đo độ sệt của xỉ bằng phơng pháp rung động điện. Kết quả đo chính xác và thiết bị đo có thể lắp đặt đợc theo sơ đồ hình 4.15. Số liệu thờng đọc đợc trên đồng hồ mà không phải tính toán. 1. Máy phát tần số. 2. máy tạo phách đảo. 3. Vôn kế điện tử. 4. ổn áp. 5. Vôn kế. 6. Vôn kế. 7. Giá đỡ. 8. Đồng hồ đo. 9. Cửa khí bảo vệ ra 10. Nắp đậy. 11. ống bảo vệ bằng M 0 . 12. Lò Môlipđen. 13. Trục Molipđen. 14. Cách nhiệt. 15. Cặp nhiệt . 16. Cửa khí bảo vệ vào. 17. Mẫu xỉ. Hình 4.15: Sơ đồ thiết bị độ sệt của xỉ theo phơng pháp rụng động điện H×nh 4.16: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al 2 O 3 - SiO 2 cã 100% MnO ë 1400 O C (Poa) H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al 2 O 3 - CaF 2 ë 1600 o C, Pa.s H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al 2 O 3 - SiO 2 , Poa a. ë 1400 O C b. ë 1600 O C a) b) H×nh 4.19: §é sÖt xØ hÖ CaO - CaF 2 - La 2 O 3 ë 1500 O C ( Poa) H×nh 4.20: §é sÖt xØ hÖ CaO - MgO - SiO 2 ë 1500 O C ( Poa) H×nh 4.21: §é sÖt xØ hÖ CaO - SiO 2 - Al 2 O 3 cã 10% MgO ë 1500 O C (Poa) H×nh 4.22: NhiÖt ®é ch¶y o C vµ ®é sÖt xØ hÖ. CaO - MgO - SiO 2 - Al 2 O 3 ë 1450 O C (Poa) a. Khi Al 2 O 3 = 5%; b. Khi Al 2 O 3 = 10%; c. Khi Al 2 O 3 = 15%; [...]... thông dụng V 1 - ổn áp 2 - Máy phát 3 - Vôn kế điện tử 4 - Điện trở so sánh 5 - Công tắc chuyển mạch 6 - Giá đỡ 7 - Lò nấu chảy xỉ 8 - Chén đựng xỉ 9 - Xỉ lỏng 10 - Giá đỡ điện cực 11 - Điện cực 12 - Cặp nhiệt 13 - Cách nhiệt Hình 4. 28: Độ dẫn điện của xỉ hệ CaO - Al2O3 - CaF2 ở 1600OC ( -1 .cm-1) Hình 4. 29: Độ dẫn điện của xỉ hệ Al2O3 - MgO - SiO2 các nhiệt độ khác nhau ( -1 .cm-1) 4. 3 .4 Sức căng mặt... xỉ và kim loại tăng lên, trên 800 MJ/m2 Do đó làm cho xỉ khó tách khỏi thép và thép dễ nhiễm bẩn bởi xỉ Như ta đã biết, tất cả các phản ứng hoá học, các quá trình điện hoá cũng như các quá trình dị thể đều xảy ra thông qua bề mặt tiếp xúc giữa các pha Như vậy hiện tượng bề mặt có ảnh hưởng đến tất cả các quá trình Tốc độ các quá trình luyện kim liên quan với những phần tử hoạt động bề mặt của các cấu... khoảng 1 /4 bụi than tổn thất ra khỏi lò Nếu tăng tính thẩm ướt của xỉ với than, sẽ cho phép tăng đáng kể hiệu quả của quá trình xỉ lò, bằng cách đưa vào xỉ những ion hoạt động bề mặt để cho góc thấm ướt giữa xỉ - than và sức căng mặt ngoài của xỉ giảm xuống Ngoài ra trong các quá trình ép và thiêu kết của luyện kim bột, qúa trình cầu hoá và biến tính gang, quá trình cán và gia công áp lực kim loại... dẫn điện còn được ứng dụng trong các quá trình luyện kim ở lò điện Thí dụ trong quá trình tinh luyện bằng điện xỉ, nhiệt toả ra trong quá trình là do điện trở lớp xỉ Tính dẫn điện của xỉ có thể là nguyên nhân gây ra sự chuyển động của các điện tử, ion, hay đồng thời cả hai dạng trên trong xỉ Sự dẫn điện bằng ion của xỉ khác với sự dẫn điện bằng điện tử ở kim loại hay hợp kim là ở chỗ sự dẫn điện bằng... của kim loại và xỉ giảm xuống Khi hàn và khi nấu luyện lớp xỉ cũng như khi tinh luyện theo phương pháp điện xỉ do ảnh hưởng của hiện tượng điện mao dẫn mà đặc điểm chuyển chất kim loại điện cực, sự chảy loang của xỉ và tốc độ xảy ra quá trình luyện kim bị thay đổi Động học của nhiều quá trình luyện kim, ví dụ như quá trình tạo thành pha mới ban đầu có sự thăng giáng không ổn định về nhiệt động để...Hình 4. 23: Độ sệt xỉ hệ CaO - FeO - SiO2 (a) có 5% Al2O3 (b) có 15% Al2O3 ở 1300OC (poa) ở 1600 C (Pa.s) Hình 4. 25: Độ sệt xỉ hệ CaO - MnO - SiO2 ở 140 0OC (Poa) 4. 3.3 Độ dẫn điện của xỉ Độ dẫn điện biểu thị khả năng cho dòng điện chạy qua của các chất Vì xỉ lỏng là chất dẫn điện li nên nó dẫn điện Độ dẫn điện của xỉ lỏng là một đặc tính quan trọng Nó phụ thuộc vào độ linh động của các ion, nhất là các. .. bề mặt có ảnh hưởng và nhiều khi là quyết định các quá trình trong luyện kim như tốc độ và cơ chế quá trình oxy hoá, hoàn nguyên, thăng hoa, sự tổn thất của kim loại theo xỉ, sự hấp thụ các tạp chất phi kim, tốc độ hoà tan của liệu và trợ dung cũng như sự ăn mòn vật liệu chịu lửa của xỉ Sức căng mặt ngoài tỉ lệ với áp suất nội, do đó lực tương tác giữa các phần tử trong chất lỏng càng lớn thì sức căng... nhau về trọng lượng riêng của kim loại lỏng và độ nhớt của xỉ, vào sức căng giữa các pha trên biên giới xỉ kim loại hay xỉ - stên Nhiều quá trình luyện kim bụi than được thổi vào lò qua mỏ đốt để làm nhiên liệu và chất hoàn nguyên kim loại từ pha xỉ lỏng Lúc đó sự hoàn nguyên được thực hiện do cháy không hoàn toàn than và do tương tác hoá học trên biên giới khí - bụi than - xỉ Do tính thấm ướt giữa xỉ,... được gọi là sức căng biên giới (xem hình 4. 31) Hình 4. 31: Sơ đồ biểu thị sức căng biên giới giữa xỉ và kim loại lỏng S: Sức căng mặt ngoài của xỉ M: Sức căng mặt ngoài của kim loại MS: Mức căng biên giới giữa 2 pha kim loại - xỉ : Góc thẩm ướt giữa 2 pha kim loại - xỉ Sức căng biên giới kim loại - xỉ được tính theo biểu thức: 2 2 2 MS M S 2 M S cos Trong luyện thép, M 1100 1600 MJ/m2 S 300... ứng suất giữa các pha, tức là năng lượng tự do giữa các pha Nó đặc trưng cho sự bám dính, tức là sự bám dính các lớp bề mặt của các dịch thể với nhau Công bám dính là công cần tiêu tốn để tách một đơn vị bề mặt chất lỏng này khỏi bề mặt chất lỏng khác Trong luyện kim sức căng biên giới kim loại - xỉ MS thường có giá trị lớn, nghĩa là công bám dính Wa giữa xỉ và kim loại, Wa = M + S - MS thường có . 1600 O C ( -1 .cm -1 ) 1 - ổn áp 2 - Máy phát 3 - Vôn kế điện tử. 4 - Điện trở so sánh 5 - Công tắc chuyển mạch 6 - Giá đỡ 7 - Lò nấu chảy xỉ. 8 - Chén đựng xỉ. 9 - Xỉ lỏng điện hoá cũng nh các quá trình dị thể đều xảy ra thông qua bề mặt tiếp xúc giữa các pha. Nh vậy hiện tợng bề mặt có ảnh hởng đến tất cả các quá trình. Tốc độ các quá trình luyện kim liên quan. khi là quyết định các quá trình trong luyện kim nh tốc độ và cơ chế quá trình oxy hoá, hoàn nguyên, thăng hoa, sự tổn thất của kim loại theo xỉ, sự hấp thụ các tạp chất phi kim, tốc độ hoà tan