Лабораторная работа №5. Измерения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом максимального давления в пузырьке газа.

Теоретическое введение.

Подавляющее количество металлургических процессов протекает на границе раздела фаз. В этой связи изучение поверхностных свойств расплавов, чему посвящена данная работа, исключительно важно.

Частицы вещества, находящиеся на границе раздела с другой фазой, неравноценны в энергетическом отношении по сравнению с части­цами в массе вещества. Чем больше сила взаимодействия частиц в жидкости, тем больше будет величина избыточной свободной энергии поверхностного слоя, а вместе с этим больше и поверхностное натяже­ние жидкости. Таким образом, величина поверхностного натяжения жидкости позволяет качественно оценить силу взаимодействия между частицами, составляющими жидкость.

Поверхностными свойствами расплавов в значительной мере опре­деляется кинетика процессов окисления, восстановления и возгонки ценных металлов. Поверхностные свойства оказывают непосредственное влияние на потери металлов со шлаком, скорость растворения шихт и флюсов в металлургических расплавах, пропитывание и разъедание ог­неупоров, вспенивание шлаков и т.д., Фактически все металлу отчес­кие процессы, протекающие на границе раздела фаз, в той или иной степени определяются поверхностными свойствами расплавов.

Не менее важной характеристикой, определяющей свойства распла­вив является плотность. Изучение плотностей расплавленных сред имеет большое научно-теоретическое значение. Плотность расплавов и связанные с ней параметры (молярный объем, коэффициент термического расширения и др.) являются структурно-чувствительными характеристиками. Если для практических целей удобнее пользоваться экс­периментальными значениями удельных плотностей расплавов, то для теоретических суждении целесообразнее применять величина молярно­го объема, Молярный объем какого-либо химического соединения определяется выражением:

V_m=M/p, (1)

где М - молярная масса, кг; p - плотность, кг/м³.

Разделение жидких продуктов плавки в значительной мере опреде­ляется разностью их плотностей. Скорость осаждения штейна, а следо­вательно, и размеры отстойной зоны плавильного агрегата определяют­ся различием в плотностях контактирующих фаз. Данные о плотности расплавленных сред необходимы при расчетах объема металлургическо­го оборудования. В экспериментальной работе при определении ряда других физико-химических величин при термодинамических расчетах также необходимо знать плотности расплавов.

Общепринятые обозначения поверхностного натяжения - α мН/м (дин/см), плотности - р кг/м³.

Измерения поверхностного натяжения можно совместить с измере­нием плотности, используя для этого ту же аппаратуру. Такое комплексное исследование можно провести, используя метод максимального давления в пузырьке газа.

Метод максимального давления в пузырьке газа заключается в из­мерении давления, необходимого для образования и отрыва пузырька инертного газа в расплаве. Теория этого метода была разработана Кантором в 1892 г. Приборы для проведения опыта существуют различ­ные. Наибольшее распространение получил метод касания, при котором калиброванный капилляр не погружается, а приводится лишь в сопри­косновение с жидкостью (рисунок 1). Часто пользуются методом Сагдена, который предусматривает ис­пользование двух разных по диаметру калиброванных капилляров, од­нако при выборе такого метода необходимо учитывать уровень распла­ва в тигле, что сделать достаточно трудно, или брать тигли, диаметр которых в десятки раз превышает диаметр капилляров, что также не­удобно при проведении эксперимента. В данной работе используется метод максимального давления по первому варианту.

Рисунок 1- Схема метода касания: Р - максимальное давление, необходимое для отрыва пузырька

1 - капилляр; 2 - микровинт; 3 - микроманометр; 4 - игольчатый натекатель;

5 - электропечь; 6 - тигель

Рисунок 2- Схема установки для определения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом максимального давления в газовом пузырьке

Схема установки представлена на рисунке 2.

Капилляр 1 с известным внутренним диаметром и с заточенным на "нож" концом приводят в соприкосновение с расплавом при помощи микровинта 2. В систему непрерывно подается инертный газ через игольчатый натекатель 4, позволяющий строго регулировать скорость подачи газа. Давление газа в капилляре измеряется микроманометром 3. При определённом давлении пузырек у кончика трубки принимает форму полусферы. В момент отрыва пузырька сила, действующая на пу­зырек, равна силе, препятствующей его образованию:

πR² =2πRα или α=RDP/2, (1)

где: α- поверхностное натяжение; R- внутренний радиус капилляра; DP- избыток внутреннего давления в пузырьке над внешним давлением.

Максимальное давление в пузырьке определяется по высоте стол­ба жидкости манометра:

DP=h·p·q, (2)

где: h- высота столба жидкости в манометре; р- плотность манометрической жидкости; q- ускорение силы тяжести.

Таким образом, формула для определения поверхностного натяже­ния приобретает вид:

α=1/2R·h·p·q (3)

Пожалуй, самым ответственным моментом в этой методике являет­ся выбор материала для капилляра, инертного по отношению к измеря­емому расплаву, подготовка (заточка на "нож") его рабочего конца и правильный замер радиуса. Радиус отверстия капилляра определяют при помощи измерительного микроскопа или катетометра.

Для того, чтобы избежать замера радиуса капилляра, часто поль­зуются тарировкой его по жидкости с известным поверхностным натяже­нием, например, по дистиллированной воде (таблица 1). Таким образом, вычисление поверхностного натяжения сводится к решению простой про­порции:

α=(α_д.в.·h₁) /h₂, (4)

где: α - измеряемое поверхностное натяжение; α_д.в.- поверхностное натяжение дистиллированной вода при опре­деленной температуре; h₁- высота столба манометрической жидкости при замере h₂ - высота столба манометрической жидкости при тарировке капилляра.

Таблица1- Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

Температура, К
Поверхностное натяжение во­ды α мН/м (дин/см)	73,34	73,20	73,05	72,89	72,75	72,60	72,44
	72,28	72,12	7I,96	71,80	71,64	71,41	71,31	71,15

Одновременно при измерении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке газа можно определить плотность, погружая капилляр на разную глубину в расплав при помощи микровинта, снабженного шкалой микрометра. Величина плотности рассчитывается по формуле:

р=р_м(DН/Dh), (5)

где: р_м- плотность манометрической жидкости; Dh- разность уровней заглублений; DН- изменение столба жидкости в манометре при заглублении капилляра на h.

Методика исследования

Работа проводится на установке, схема которой представлена на рисунке 2. В муфельную печь 5 помещается тигель 6 с исследуемым веществом. Через капилляр 1 пропускается инертный газ при помощи натекателя 4 и производится замер столба жидкости в микроманометре 3.

Объектом исследования являются металлы (оловo, ртуть),шла­ки.

Для эксперимента выбирают капилляр из инертного по отношению к исследуемому веществу материала. При замерах поверхностного натяжения и плотности металлов (сульфидов) могут быть использованы кварцевые или алундовые капилляры, при исследовании шлаков поль­зуются капиллярами из железа, никеля, молибдена и т.п.

Перед тем, как приступить к измерению поверхностного натяжения исследуемых объектов, следует провести тарировку капилляра по дистиллированной воде. Для этого через капилляр, закрепленный на штативе, пропускается при помощи натекателя инертный газ (азот), капилляр в этот момент касается поверхности воды, температура ко­торой замерена с помощью термометра. Фиксируется высота столба манометрической жидкости h₂. Производится не меньше десяти за­меров и вычисляется средняя высота столба манометрической жидкости. Далее можно производить замеры на исследуемых образцах. Печь нагревается до температуры, превышающей температуру плавления исследуемого материала. Атмосфера в печи инертная. По достижении в печи необходимой температуры и при выдержке в тече­ние 10-15 минут в рабочую зону опускается капилляр, через который при помощи натекателя подается инертный газ.

Момент касания капилляром поверхности расплава определяется по резкому скачку давления, которое фиксируется микроманометром. Опускание капилляра прекращается. Давление в капилляре постепенно повышается и достигает какой-то максимальной величины. При отрыве пузырька от капилляра давление резко падает. Необходимо регистри­ровать максимальное давление.

Делается 8-10 замеров максимальной величины давления, затем вычисляется средняя величина h₁. По формуле (4) рассчитывается поверхностное натяжение.

Для определения плотности расплава капилляр опускается на глубину, измеряемую микровинтом, опять проводится 8-10 замеров мак­симального давления по манометру и берется среднее значение. По формуле (5) рассчитывается плотность расплава. Измерения ведутся не менее, чем на трех уровнях, что дает возможность вычислить плотность расплава на разной глубине и взять среднюю величину.

Необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с рас­плавами (не вынимать тигель с расплавом до полного охлаждения пе­чи).