CC BY
51
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 669.18.046.546.2
Епишев М.В.1, Макуров С.Л.2, Смирнов А.Н.3, Шлемко C.B.4
ЭЛЕКТРОРОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ШЛАКОВЫХ РАСПЛАВОВ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ ДАННЫХ
Разработана высокотемпературная установка для измерения вязкости шлаковых расплавов в диапазоне 0,05... 10 Пас электроротационным методом с использованием микроконтроллера ATMEGA8 для автоматической регистрации данных. В процессе отработки методики проведения экспериментов установлена зависимость регистрируемых величин вязкости и температуры начала затвердевания от скорости охлаждения шлакового расплава.
Одним из важнейших физических свойств расплавленных шлаков является их вязкость. Вязкость является одной из наиболее структурночувствительных характеристик жидкости, поэтому ее изучение открывает возможности для определения структуры шлаковых расплавов, природы и величины сил взаимодействия между компонентами. Изучение вязкостных свойств расплавов имеет также важное значение для совершенствования технологических процессов получения металлов и сплавов. В ряде случаев вязкость шлаков определяет нормальную работу металлургических агрегатов и технологий например, вязкость жидкой шлакообразующей смеси (ШОС) в кристаллизаторе МНЛЗ [1].
Существуют два основных пути определения вязкости шлаковых расплавов как функции состава и температуры. Первый путь - это расчетный способ определения вязкости, основанный либо на модельных представлениях о строении шлакового расплава, либо на эмпирических и полуэмпирических уравнениях; второй - это ее экспериментальное определение. В виду сложной зависимости вязкости шлаков от состава и температуры, а также в силу недостаточной разработанности теории строения шлаковых расплавов, созданные в настоящее время математические модели [2 - 7] значительно уступают по точности определения этого свойства экспериментальным методам.
В качестве метода экспериментального определения вязкости расплавленных ШОС был выбран электроротационный, согласно которому в исследуемый расплав погружают шпиндель, приводимый электродвигателем во вращение. Изменение силы тока на валу двигателя характеризует изменение нагрузки на нем, которая, в свою очередь, пропорциональна величине вязкости расплава. Чувствительность метода зависит от электрических характеристик применяемого двигателя, а также от диаметра погружаемого в расплав зонда.
Цель работы - усовершенствование электроротационного метода определения вязкости жидких шлаков путем оцифровывания аналогового сигнала, поступающего от электродвигателя, для его последующей обработки с помощью программного обеспечения на ПК.
В разработанной нами установке мостиковая измерительная схема заменена регистрационным блоком на основе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 1, работает следующим образом. Электродвигатель 1 постоянного тока, закрепленный за корпус с помощью специально изготовленных охватывающих его стальных деталей на штативе 2, передает вращение валу со шпинделем 3 через блок подшипников 4, который нижней частью помещен в медный холодильник 5 для предотвращения возможного влияния температуры на силу трения в подшипниках. Расплав шлака помещен в молибденовый тигель 6, в дно которого вводили
ПГТУ. ассистент
2ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3ДонНТУ, д-р техн. наук, проф.
4000 "НПКП Солотвин", канд. техн. наук, доц.
термопару 7 (ВР-5/20). Тигель со шлаком располагали в изотермической зоне печи. Величину термо-э.д.с. и изменение силы тока на якоре электродвигателя при изменении нагрузки на нем фиксировали при помощи регистрационного блока 9 с аналогово-цифровым преобразователем для передачи данных на компьютер 10. Специальная программа обрабатывала поступающие на компьютер данные и строила график зависимости вязкости от температуры.
Регистрационный блок вискозиметра предназначен для измерения ЭДС вольфрам-рениевой термопары, изменения тока якоря двигателя постоянного тока и температуры окружающей среды (датчик DS1820) с последующей передачей результатов в персональный компьютер для их обработки и сохранения в файл. Блок-схема регистрационного блока приведена на рис. 16. «Сердцем» устройства является однокристальный микроконтроллер ATMEGA8, который содержит процессорное ядро, работающее на частоте 14,7456 МГц, интегрированные универсальный последовательный порт, 10-битный АЦП последовательного приближения и многофункциональные порты ввода-вывода. Питание контроллера осуществляется постоянным напряжением (5 В) от стабилизатора, размещенного в блоке питания. Встроенный АЦП используется только для измерения тока двигателя. Поскольку 10-битная точность недостаточна для измерения температуры, для измерения ЭДС термопары применен внешний АЦП двойного интегрирования, собранный на двух операционных усилителях серии К544 и мультиплексоре К561КП1. Для питания операционных усилителей используется стабилизированное напряжение ±12 В от отдельных стабилизаторов в блоке питания. Такая мера позволяет снизить влияние шумов, генерируемых цифровой частью схемы. Для связи с ПК используется стандартный электрический интерфейс для последовательной двунаправленной передачи данных, поддерживающий асинхронную связь RS-232 через СОМ-порт.
Датчик температуры DS1820 предназначен для измерения температуры окружающей среды и используется для компенсации температуры холодного спая термопары. Он имеет цифровой выход, работающий в протоколе 1-Wire. Передача данных о температуре осуществляется в цифровой форме с контролем достоверности посредством кода CRC 8 (Cyclic Redundancy Check 8-bit). Дискретность измерения температуры составляет 1/16 °С. Измерения производятся с периодом 2 - 3 с.
LA.
плата АЦП
двойного Блок питания
интегрирования
+5V +12V -12V +6V
Микроконтроллер ATMEGA8
10-бит АЦП последовательного приближения
DS1820 датчик температуры
RS232 СОМ порт
Согласование
уровней RS232 и КМОП
а) б)
Рис. 1 - Схема (а) и блок-схема (б) электроротационного вискозиметра:
1 - электродвигатель; 2 - штатив; 3 - молибденовый вал со шпинделем; 4 - блок подшипников; 5 - медный водоохлаждаемый холодильник; 6 - молибденовый тигель с расплавом шлака; 7 - термопара; 8 - печь Таммана; 9 - регистрационный блок с аналогово-цифровым преобразователем; 10 - ноутбук
В результате многочисленных экспериментов была установлено, что на регистрируемые значения вязкости и температуры затвердевания оказывает влияние скорость охлаждения шлака, т.е. эти свойства шлака в значительной степени определяются кинетическими факторами.
40 80 120 160
Скорость охлазвдения. К/мин
Рис. 2 - Зависимость отклонения измеряемой температуры затвердевания от равновесного значения при различной скорости охлаждения расплава ШОС
0.3
0.26
Й 0.22 -
га
0.18
1 2
3
5
С
р 0,6
О О
СП
к 0,4
а
с
ЕЗ
8 0,2
-\В=0,8
В=1,2
0 20 40 60 80 100
Скорость охлаждения расплава шлака. К/мин
Рис. 4 - Изменение измеряемых значений вязкости ШОС с различной основностью в зависимости от скорости охлаждения расплава
влияние на измеряемые значения вязкости охлаждения вязкость шлака при одной и той
дин зате'
первом методе, значениями Травн,
затв '
близких к
0.14
1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 Температура, °С
Рис. 3 - Зависимость измеряемых значений вязкости ШОС от скорости охлаждения расплава. Номера кривых соответствуют скоростям охлаждения: 1-10 К/мин; 2-20 К/мин; 3-40 К/мин; 4-60 К/мин; 5-80 К/мин
0,8
Для определения влияния скорости охлаждения расплава ШОС на значение температуры затвердевания авторами был проведен ряд экспериментов. В этих экспериментах измерение вязкости жидкой ШОС производили двумя способами. При первом способе вязкость ШОС измеряли непрерывно до полного ее затвердевания при различных скоростях охлаждения
(динамический метод). При втором - с выдержкой при каждой температуре в течение 15 мин (статический метод). Значения температуры затвердевания Т полученные при сравнивались со полученными в условиях, равновесным. Было обнаружено, что вне зависимости от химического состава ШОС, отклонение температуры затвердевания от равновесного значения имеет примерно одинаковую зависимость от скорости охлаждения расплава ШОС.
На рис. 2 представлена зависимость отклонения измеряемой температуры затвердевания от равновесного значения от скорости охлаждения расплава ШОС. Как видно из графика рост отклонения температуры затвердевания резко
замедляется при охлаждении расплава со скоростью > 100 К/мин. Такой характер изменения обычно имеет гиперболическая зависимость, на которую произвели аппроксимацию экспериментальных данных. Полученное уравнение зависимости отклонения температуры затвердевания от равновесного значения от скорости охлаждения расплава ШОС имеет вид:
46 (1)
AT,
V
0,371
+ 39
где АТзшт - разность между значениями температуры затвердевания, полученными в динамическом и в статическом методах, К;
У - скорость охлаждения расплава ШОС, К/мин.
Из выражения (1) видно, что при бесконечно большой скорости охлаждения расплава ШОС отклонение температуры затвердевания от равновесного значения становиться равным Л7'(;ИК. « 40 К .
Было также установлено, что скорость охлаждения расплава шлака оказывает расплава (рис. 3): при увеличении скорости же температуре уменьшается. С точки зрения
полимерной теории строения шлаковых расплавов, это объясняется снижением степени полимеризации расплава ШОС с увеличением скорости охлаждения. Об этом также свидетельствует тот факт, что влияние скорости охлаждения более выражено у ШОС, имеющих меньшую основность (рис. 4), т.е. большую склонность к полимеризации.
Таким образом, установлено, что измеряемые значения вязкости и температуры затвердевания зависят от скорости охлаждения расплава шлака. Поэтому очень важно при проведении экспериментов по определению вязкости и температуры затвердевания различных ШОС охлаждать расплав шлака с одинаковой скоростью. В проводимых авторами экспериментах скорость охлаждения была равна 20 К/мин с последующей экстраполяцией данных на "нулевую" скорость охлаждения.
Выводы
1. Для исследования вязкости расплавленных шлаков реализован электроротационный вискозиметр на основе микроконтроллера ATMEGA8, что позволило через USB-порт передавать регистрируемые сигналы непосредственно в компьютер и обрабатывать их с помощью программного обеспечения. Разработанная установка обладает хорошей воспроизводимостью результатов измерений, достаточной точностью (3...5 %), широким диапазоном измерения вязкости жидких шлаков (0,05... 10 Пас) и возможностью автоматической записи результатов измерений.
2. При отработке методики экспериментального определения вязкости и температуры начала затвердевания шлака установлена зависимость регистрируемых значений указанных свойств от скорости охлаждения шлака: показано, что при скорости охлаждения расплава более 200 К/мин отклонение измеряемой температуры затвердевания от равновесного значения становиться равным АТзатв ~ 40 К .
3. Установлено, что скорость охлаждения расплава шлака оказывает влияние на измеряемые значения вязкости: при увеличении скорости охлаждения измеряемая вязкость шлака при одной и той же температуре уменьшается.
Перечень ссылок
1. Mills К. С. Mould powders for continuous casting / К. С. Mills. - Johannesburg: The South African Institute of Mining and Metallurgy. - 1997. - 156 p.
2. Новиков B.K. Применение полимерной модели к расчету вязкости оксидных расплавов / В.К. Новиков, В.Н. Невидимое // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 1999.-№ 11.-С. 9- 11.
3. Приходько Э.В. Физико-химическая модель структуры шлаковых расплавов / Э.В. Приходько II Сталь. - 1990. - № 10. - С. 14 - 22.
4. An Equation for Accurate Prediction of the Viscosities of Blast Furnace Type Slags from Chemical Composition /1. Takamichi, S. Hidenori, K. Yoshifumi, S. Koichi II ISIJ International. -2000. - Vol. 40. - Supplement. - P.S110-S114.
5. Nakamoto M. A Model for Estimation of Viscosity of Molten Silicate Slag / M. Nakamoto, J. Lee, T. Tanaka II ISIJ International. - 2005. - Vol. 45 - № 5. - P. 651 - 656.
6. Seetharaman S. Viscosities of High Temperature Systems - A Modelling Approach / S. Seetharaman, D. Sichen // ISIJ International. - 1997. - Vol. 37. - № 2. - P. 109 - 118.
7. Романюта В.А. Математические модели вязкости расплавленных шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали // В.А. Романюта, Е.А. Казачков II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 1999. - Вип. № 9. - С. 65 - 69.
Рецензент: A.B. Остроушко, канд. техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 07.03.2009
