Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Под вязкостью понимается внутреннее трение, возникающее между отдельными слоями жидкости, перемещающимися с различными скоростями. Так, при движении жидкости по трубопроводу слои ее, примыкающие к стенкам трубы, перемещаются с наименьшей скоростью, а тонкий слой у стенок может быть совсем неподвижным. Максимальная скорость движения жидкости наблюдается у оси трубопровода. Таким образом, два параллельно движущихся слоя имеют разные скорости движения. Если скорость движения одного слоя v, а другого v+dv, а расстояние между ними dx, то сила Р, преодолевающая силы внутреннего трения (сцепления) между частицами разных слоев, пропорциональна разности скоростей dv, поверхности соприкосновения между слоями S и обратно пропорциональна расстоянию между слоями (рис. 98).
Следовательно,
где η — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения (абсолютной вязкости). Если сила в 1 дину изменяет разность скоростей двух слоев жидкости (поверхностью 1 см2, отстоящих один от другого на 1 см) на 1 см/сек, то вязкость жидкости равна 1 пуазу (дин * сек/см2).
Кроме коэффициента абсолютной вязкости, применяют коэффициент относительной или технической вязкости, превышающий первый примерно в 100 раз.
Вязкость измеряется разными способами: истечением шлака при определенном давлении через отверстие заданного сечения; выливанием шлака на поверхность, наклоненную под заданным углом (Герти и Селиванов), причем жидкотекучесть определяется по длине или по толщине застывшей струи шлака; по скорости протекания определенного объема жидкости через капилляр; по скорости падения тяжелого шарика в вязкой среде; по смещению какого-нибудь тела движущейся вязкой средой или среды — движущимся твердым телом. Последние три метода пригодны для вязкой среды при обычных температурах, а первые два пригодны для шлаков, но не могут измерить вязкость в пуазах.
В настоящее время в лабораторной практике широко применяется ротационный метод определения вязкости, основанный на вращении. Прибор для определения вязкости — вискозиметр — состоит из тигля, чаще всего графитового, в котором находится расплавленный шлак. В шлак опущен графитовый шпиндель, ось которого совпадает с осью тигля (коаксиальные цилиндры). Шпиндель подвешен на стальной нити. При вращении шпинделя шлак приводится в движение, но его слои вращаются с разными скоростями, причем вязкость шлака вызывает закручивание шпинделя со стальной лентой. Угол закручивания возрастает при увеличении вязкости жидкости, но он также зависит от упругости материала ленты, от веса вращающейся системы и от других факторов. Теоретические предпосылки дали возможность разработать метод использования этого прибора для измерения вязкости шлаков.
В некоторых конструкциях шпиндель вращается под действием падающего груза, и тогда исключена закручивающаяся лента. Иногда вращается не шпиндель, а тигель. В большинстве же исследований вращается шпиндель, подвешенный на упругой нити. Формула для определения вязкости в зависимости от условий вращения имеет вид:
Устройство современного торзионного вискозиметра системы Б.П. Селиванова, В.М. Шпейзмана и И.П. Семика показано на рис. 99. На вискозиметре менее совершенной конструкции вели свои исследования Фильд и Ройтер, Герти, Мак-Кеффери, Н. В. Рулла и другие.
Шпиндель равномерно вращается патефонным электромотором 4. Упругая нить зажата патроном 10. Ниже и выше нити укреплены два зеркальца 13, на которые падают лучи света от фонариков 6 и 8. Лучи отражаются от зеркал на дуговую шкалу 5. Фонарик 11 также бросает луч на шкалу, но непосредственно (без зеркала). При желании фонарики 6 к 11 могут кронштейном 12 поворачиваться относительно оси вискозиметра (на этой же оси находится центр дуговой шкалы). Перед пуском системы «зайчики» от фонариков 6 и 8 находятся на одной вертикальной линии один под другим. «Зайчик» от фонарика 11 устанавливается на нулевом положении. При вращении подвесной системы нить закручивается тем больше, чем вязче шлак. При этом расхождение обоих «зайчиков» от фонариков 6 и 8 увеличивается с увеличением угла закручивания. Это расхождение между ними становится устойчивым при постоянном числе оборотов и неизменной температуре расплава. «Зайчики», раздвинувшись, вращаются вместе со всей системой, а когда они попадают на шкалу, то пробегают ее на остановившемся постоянном, вполне характерном для условий данного опыта, расстоянии. Чтобы измерить на шкале угол расхождения «зайчиков», являющийся двойным углом закручивания 2φ, разошедшиеся «зайчики» искусственно совмещаются поворотом кронштейна 12. При этом «зайчик» от фонарика 4, до того неподвижный, перемещается только в момент поворота кронштейна и точно указывает угол поворота, равный 2φ.
Шлак до опыта расплавляется в печи. После этого в него опускают шпиндель таким образом, чтобы он не доходил до дна тигля на определенное расстояние. Рукоятка и салазки 3, 2, 1 служат для маневрирования подвесной системы: поднятия и опускания шпинделя, установки его в нужном положении и центрирования. Через визирную трубку 9 оптическим пирометром измеряют температуру шлака. Приспособлением 7 можно быстро укоротить нить, не прерывая опыта, когда по ходу опыта при резко снижающихся температурах требуется увеличить верхний предел измеряемых вязкостей без изменения числа оборотов двигателя (изменением величины К). На приборе имеется несколько градуировок для разных значений длины нити.
Шпиндель обычно бывает призматический, квадратного сечения (круглое сечение, применявшееся раньше, вызывало скольжение шпинделя в шлаке и давало заниженные значения вязкости против действительных). При исследованиях на вискозиметре основных шлаков И.П. Семик обнаружил так называемую «аномальную вязкость поверхностного слоя» — явление, состоящее в том, что кристаллическая масса, скопляющаяся на поверхности шлака, не только при температурах кристаллизации, но и при достаточно высоком перегреве «прихватывает» шпиндель и дает, следовательно, завышенные показания вязкости. Это явление заметно на шлаках, имеющих высокою кристаллизационную способность, и отсутствует у кислых шлаков. Такой слой кристаллической массы может быть очень тонок, но и он искажает показания, увеличивая их, например, втрое- Поэтому погруженная в шлак головка шпинделя делается невысокой (например, 20 мм при сечении 16x16 мм и диаметре тигля 45 мм), а шейка шпинделя на определенной высоте и тот участок, который соприкасается с поверхностью шлака, делаются меньшего и притом круглого сечения (например, диаметром 3—4 мм). Обнаружено, что с уменьшением диаметра шейки от 10 до 4 мм явление «прихватывания» шпинделя сильно уменьшается. Это явление должно учитываться при определении вязкости основных шлаков, причем утонение шпинделя в шейке является обязательным. Отсутствием утонения И.П. Семик объясняет обнаруженные значительные расхождения данных о вязкости у разных исследователей. Для обеспечения достаточно точных показаний прибора рекомендуется, чтобы диаметр головки шпинделя был вдвое меньше диаметра тигля.
Кроме описанного устройства, приводимого в движение патефонным мотором, предложен электровискозиметр, отличающийся от описанного только тем, что в нем изменение вязкости определяется по силе тока в роторе мотора, зависящей от тормозящего действия шлака, в который погружен цилиндр, непосредственно связанный с ротором. Понятие вязкости предполагает, что жидкость представляет собой гомогенное вещество, обладающее внутренним трением между подвижными молекулами. Измеряемую вискозиметром вязкость гетерогенных систем (жидкость со взвешенными в ней твердыми частицами) нельзя поэтому считать действительной вязкостью вещества; ее следует рассматривать как кажущуюся вязкость, отличную от действительной вязкости жидкого компонента. Поэтому в приведенной выше формуле, дающей влияние суспензированной массы на вязкость, собственно вязкость — только η; величина же ηм — вязкость кажущаяся. Однако эта кажущаяся вязкость, не имеющая четкого физического смысла, представляет величину, удобную для технических суждений, так как дает отчетливое представление о важнейшем техническом свойстве шлака — его подвижности, хотя и неправильно отражает величину сил внутреннего трения в нем.
Таким образом, вязкость кислых гомогенных шлаков есть действительная вязкость. Вязкость же основных шлаков — действительная только при температурах выше затвердевания. При температурах же между ликвидусом и солидусом, когда они и в подвижном состоянии представляют собой гетерогенную систему, их вязкость кажущаяся.