CC BY
58
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. №12
УДК 669.14-404
Казачков Е. А.1, Макуров С. Л.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОЙ СТАЛИ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ
Разработана конструкция высокотемпературного вискозиметра для определения вязкости жидкой стали капиллярным методом, отличающаяся простотой и быстродействием измерений. Выполнена градуировка установки и проведены определения вязкости сложнолегированной стали. Проведено сравнение полученных данных с результатами определений по методу затухающих колебаний тигля с расплавом.
Теоретические расчеты вязкости металлов и сплавов дают удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными только для чистых металлов [1].
Расхождения между экспериментальными и расчетными значениями вязкости для сплавов на основе никеля составляют 7-10 %, а для сплавов железа - около 30 % [2]. Для слож-нолегированных многокомпонентных расплавов на основе железа расчетных методов определения вязкости в настоящее время нет.
Методы исследования вязкости металлических жидкостей делят на две основные группы: стационарные и нестационарные. Обзор указанных методов с подробным указанием преимуществ и недостатков каждого из них, границы применимости и пределы их чувствительности даны в работах [3, 4].
Наиболее простым конструктивным выполнением установок является метод капиллярного истечения, однако до настоящего времени этот метод использовали для исследования вязкости жидкостей при низких температурах. Применительно к металлическим расплавам определения вязкости методом капиллярного истечения проводили при температуре не выше 1200 °С.
На кафедре теории металлургических процессов Приазовского гостехуниверситета разработана высокотемпературная установка для определения вязкости жидких сталей капиллярным методом. Вязкость расплава оценивается по времени заполнения специальной кварцевой ячейки через алундовый капилляр.
Схема установки приведена на рис. 1. Тигель с металлическим расплавом 1 устанавливается в горячей зоне нагревателя высокотемпературной печи 2. Температура металла в тигле контролируется термопарой 3, подключенной к потенциометру 4. Кварцевая ампула 5 устанавливается таким образом, чтобы обеспечить погружение алундового капилляра 6 в металл на заданную глубину. Для создания контролируемого вакуума используются краны 7, 8 и ресивер 9. Откачку воздуха из системы осуществляли форвакуумным насосом до заданного разряжения, которое контролируется вакуумметром 10.
Эксперименты проводили следующим образом. Образец стали расплавляли в алундо-вом тигле, установленном в горячей зоне графитового нагревателя высокотемпературной печи. Масса образца составляла 150-200 г. После нагрева металла до требуемой температуры и изотермической выдержки в течении 15-20 минут в печь вводили измерительную ячейку, которую перед погружением в металл предварительно нагревали (5-10 мин). Затем погружали капилляр в металл, открывали кран ресивера и одновременно включали секундомер. Время заполнения измерительной ячейки фиксированного объема через капилляр диаметром 1,5 мм составляло 3-10 сек в зависимости от температуры и вязкости металла. Использование кварцевых трубок позволило визуально наблюдать заполнение ячейки металлом и фиксировать его продолжительность.
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
Рис. 1 - Схема установи! для определения вязкости металлических расплавов капиллярным ме тодом: 1 - тигель с расплавом, 2 - нагреватель высокотемпературной печи, 3 - термопара 4 - потенциометр, 5 - кварцевая ампула, 6 - капилляр, 7,8- вакуумкраны, 9 - ресивер, 10 - вакуумметр
Особое внимание уделяли подготовке измерительных ячеек. Графитовые пробки подго няли к кварцевым трубкам индивидуально и закрепляли на огнеупорной обмазке из глинозема Затем следовала сушка в течении 2-3 часов при температуре 150-200 °С. Для обеспечения вое производимости измерений длина капилляра во всех ячейках была постоянной (57 мм), а за глубление капилляра в металл составляло 38 мм.
Перед проведением опытов измерительные ячейки проверяли на газоплотность. Глуби на разрежения при отборе проб во всех опытах составляла 0,4 атм.
Для определения вязкости стали использовали уравнение Пуазейля [5]:
_ п-Я'ЛР
где О - объем жидкости, протекающей через капилляр в единицу времени, м3/л; Н - радиус капилляра, м; / - его длина, м; г) - динамическая вязкость, Пас; АР - разность давлений на концах капилляра, Па.
Из уравнения (1) получим выражение для вязкости стали:
тр к-Я4 АР т 8/
где т - масса жидкого металла, поступившего в кварцевую трубку через капилляр, кг; р - его плотность, кг/м3; Т - время заполнения, с.
Уравнение (2) не может быть использовано для непосредственного расчета динамической вязкости, так как при измерениях в реальных условиях требуется учитывать затраты энергии на перемешивание жидкости и преодоление сил межфазного натяжения. При высокотемпературных измерениях следует учитывать термическое расширение капилляра, т к. его радиус входит в уравнение (2) в четвертой степени.
Поскольку физические свойства огнеупорных материалов и жидкой стали при высоких температурах исследованы недостаточно, то градуировку измерительной ячейки проводили в условиях близких к условиям экспериментов. В качестве материала для градуировки использовали нержавеющую сталь Х18Н10Т, для которой температурная зависимость вязкости известна [6]. Плотность этой стали в жидком состоянии принимали по данным [7].
Выражение (2) представим в виде:
Г| =
(2)
V
где К- константа вискозиметра, Н-м; У- массовая скорость заполнения ячейки, кг/с.
Формулу (3) использовали как дня градуировки прибора, так и дня определения вязкости сталей.
Константу прибора определяли по формуле:
К = (4)
вде т]эт - вязкость эталонного образца (сталь 08Х18Н10Т), Пас.
В качестве градуировочных материалов использовали 2 образца нержавеющей стали, химсостав которых приведен в таблице.
Таблица - Химический состав образцов стали 08Х18Н10Т, использованных для градуировки вискозиметра
Образец Химический состав, % мае.
С Мп в! Р в № Сг А1 О N л
1* 0,08 2,27 0,81 0,035 0,008 12,20 20,10 0,088 - 0,021 1,04
0,08 2,31 0,79 0,015 0,010 12,08 19,85 0,115 0,0032 0,010 0,85
2* 0,08 1,69 0,51 0,033 0,013 11,23 19,50 0,083 0,0042 0,023 0,85
0,07 1,67 0,48 0,018 0,010 11,18 19,75 0,189 0,0036 0,006 0,75
* Верхняя строка - химический состав образца до опыта, нижняя строка - после опыта.
¿5
4
5
10
Из таблицы следует, что химсостав образцов стали в процессе опыта изменяется незначительно. Вязкость жидкой стали указанных образцов при температуре 1550-1600 °С составляет (5,5-7,2) 103Па-с[6].
Среднее значение константы вискозиметра, получен-а образцах составило: К = 1,027 кг3/с2м4.
По отработанной методике провели исследование вязкости образцов инструментальной стали Р0М2СФ10-МП. Плотность данной стали в жидком состоянии составляет 6,70-10кг/м3.
Химический состав исследованных образцов следующий, % мае.
С Мп 8 Сг № Мо ¥ V О) й А1 2,94 0,51 0,99 7,95 0,23 1,38 0,49 9,87 0,15 0,13 0,016 Для оценки достоверности полученных данных провели исследование вязкости образцов этой же стали методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом на лабораторной установке, описанной в работе [8].
Результаты исследований приведены на рис. 2 в виде зависимости логарифма динамической вязкости от температуры.
1
056 ОЛ? ОМ
ада о.б то/т
Рис. 2 - Зависимость вязкости слали Р0М2СФЮ-МП от обратной
т е м п е 13 а ту 13 ы : П о лученные данные обобщили уравнением: х-капиллярный метод; 29412 • - метод крутильных колебаний 1п Т] =--15,15,
(5)
где г}- динамическая вязкость, Па-с; Г- температура, К.
Таким образом, установлено, что вязкость стали Р0М2СФ-10МП при перегреве в 100 °С над линией ликвидуса (температура ликвидуса составляет 1300-1310 °С) достаточно высока-11,7мПас. У большинства углеродистых и легированных сталей при аналогичном перегреве вязкость в два раза ниже и находится в пределах от 5 до 6 мПа-с.
Вместе с тем, следует отметить, что метод капиллярного истечения дает завышенные данные в области высоких температур и требует усовершенствования.
Полученные данные требуют уточнения путем многократных повторений экспериментов и исключения случайных ошибок. Тем не менее, предлагаемый метод исследования вязкости металлических расплавов отличается простотой и быстродействием и может быть рекомендован для оценки вязкости стали непосредственно в производственных условиях.
Выводы
1. Впервые разработана конструкция установки для определения вязкости металлических расплавов капиллярным методом при высоких температурах, выполнена градуировка измерительной ячейки и определены значения вязкости стали Р0М2СФ10-МП в интервале температур 1400-1550 "С.
2. Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать метод капиллярного истечения для экспресс-определения вязкости металлических расплавов в лабораторных и производственных условиях.
Перечень ссылок
1. Арсентьев П. П., Коледов JI. А. Металлургические расплавы и их свойства. -М.Металлургия, 1976. - 376с.
2. Ершов Г. Е., Черняков В. А. Строение и свойства жидких и твердых металлов. -М.Металлургия, 1978. - 261с.
3. Вертман А. А., Самарин А. М. Методы исследования свойств металлических расплавов. -М.:Наука, 1969. - 197с.
4. Белащенко Д. К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках. - М.:Атомиздат, 1970. -400с.
5. Физико-химические методы исследования металлургических процессов /Филиппов С И., Арсентьев П. П., Яковлев В. В., Крашенинников М. Г. - М.:Металлургия, 1968. - С.217 -224.
6. Макуров С. JI. Влияние содержания легирующих элементов на вязкость расплавов нержавеющих сталей //Изв. вузов. Черная металлургия. - 1997. - №8. - С.8 -11.
7. Басин А. С, Ревенко М. А., Станкус С. В. Изменение плотности стали Х18Н10Т при плавлении и кристаллизации // Кристаллизация и процессы в кристаллизаторах: Сб. науч. тр./ Ин-т теплофизики СО АН СССР. - Новосибирск, 1979. - С. 109 - 120.
8. Макуров С. JI. Высокотемпературный вискозиметр с автоматической регистрацией результатов измерений //Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып. 3. -С.37-40.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки Украины, зав. кафедрой "Теория металлургических процессов" Приазовского государственного технического университета, окончил Московский институт стали и сплавов в 1949 году. Основные направления научных исследований - физико-химические и теплофизические основы новых перспективных процессов выплавки, внепечной обработки и разливки стали.
Макуров Сергей Леонидович. Д-р техн. наук, профессор кафедры "Теория металлургических процессов", окончил Мариупольский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - физико-химические свойства металлургических расплавов, совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали.
Статья поступила 15.03.2002
