13熔体物性测定-粘度
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冶金熔体粘度的测定
李桂荣
1 测试意义
是高温熔体的重要物性
粘度
表面 张力
熔体 物性
密度
电导率
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 2
1 测试意义
• 粘度决定了熔体流动性，影响反应速率。 对元素扩散、渣钢间反应有重要影响。 • 揭示高温熔体微观结构。
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
4测试过程
10 8
s
随着温度下降，粘度平缓增加
Pa· ，
6
二者非线性关Байду номын сангаас，
4
度
温度越低，变化率越大
粘
2 0 1300
1350
熔
体
1400
温
度
1450
，
℃
1500
1550
X渣的粘度-温度曲线（η-T ）
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 16
5影响粘度的因素1-温度
熔体粘度vs温度之间存在着指数函数关系：
A exp( E / RT )
常数 粘流活化能 热力学温度 气体常数
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
17
粘流活化能
• 粘流活化能求法: 1 • 测定η-T关系后,取 ln T • 作图得到一直线,从斜率可以求出
几种液体的粘流活化能,kJ/mol
非极性 液体
2.1~4.2
剪切应力
2014-8-22
• 该粘度定义为动力粘度,即: • 动力粘度=剪切应力/剪切速率,单位:Pa∙s • 作用:用来衡量流体流动性
0.2-1000 mPa∙s
0.3-30 粘 度 1 0.5-5 有机化 室温水 液态金属 合物
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定
熔盐
6
流体粘度的物理含义是：
M
K称为仪器常数 用已知粘度的蓖麻油来标定
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
13
4测试过程
• 第一步 测蓖麻油油温，得油粘度 假定 油温20℃，则η油=0.977Pa∙s • 第二步 启动转头，进入测试 转速ω=300r/min,扭矩M测出 得K=0.739
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
使流体产生单位速度梯度所需要的内摩擦力 （剪应力）。 单位：Pa· S（SI制） 其他：1厘泊（CP）=10－2泊（P）=10-3Pa· s
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
7
2 粘度测试
靠壁位置
径向向里
测试假设： 流体流速很小 各液层运动方向互 相平行 速度变化连续 该流动状态称为 “层流”。
3
2 粘度定义
液层A 液层B
V1 V2
V1≠V2 分子间力
运动阻力 （熔体内摩擦力）
粘 性
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
4
x
液层A 液层B
V1 dv/dx V2
面积S
dv A、B液层间的内摩擦力F定义为：F S dx
可以改写为：
F dv / S dx
剪切速率
李桂荣：冶金熔体粘度的测定 5
物质 水 铁水 钢水 稀熔渣 黏度中等渣 稠熔渣 温度（℃） 25 1425 1595 1595 1595 1595
黏度（Pa· s） 0.00089 0.0015 0.0025 0.0020 0.020 0.20
FeO
CaO SiO2 Al2O3
2014-8-22
1400
接近熔点 1942 2100
炉 升 降 控 制 区
（ 测 试 界 面 ）
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
10
3旋转柱体法测粘度
实物 图
扭矩传感器
控制柜 高温炉
2014-8-22
熔体物性测定仪实物图 李桂荣：冶金熔体粘度的测定
11
3旋转柱体法测粘度
当液体是牛顿流体且柱体转速恒定时，速度梯度和 力矩都是恒定值，其关系符合下式：
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
0.030
<0.050 1.5×104 0.05
20
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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扭矩传感器测出；
M 1 1 ( 2 2) 4 h r R
外柱体半径，常数 内柱体半径，常数
转头浸入熔体深度，常数
转头转速，可设定在200 或300r/min
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3旋转柱体法测粘度
M 1 1 ( 2 2) 4 h r R
K
14
4测试过程
• 第三步 配制炉渣X 用化学纯按比例配制，混匀后待用 • 第四步 升炉温 将炉温升到设定温度1500℃，恒温 • 第五步 定点粘度测试 M、ω、K可知，计算得η1500=0.652Pa∙s • 第六步 粘度-温度曲线测试 启动降温程序，并同时测试，得到η-T曲线
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8
2014-8-22
…
…
速度矢量
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
3旋转柱体法测粘度
刚玉转杆 高温熔体 内柱体： 钼质转头
由于粘性力作用， 在柱体将产生一个 h 力矩与之平衡。
V r
外柱体： 石墨坩埚
R
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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3旋转柱体法测粘度
温 度 显 示 区
控温区
测试过程显示区
极性 液体
4.2-12.6
液态 金属
2.1~8.37
玻璃
83.7~627.6
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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5影响粘度的因素2-成分
标号 1 短渣 渣型 碱性渣 典型代表 炼钢渣 精炼渣
2
粘 度
长渣
酸性渣
高炉渣
温 度
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 19
熔渣和钢水的黏度
李桂荣
1 测试意义
是高温熔体的重要物性
粘度
表面 张力
熔体 物性
密度
电导率
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 2
1 测试意义
• 粘度决定了熔体流动性，影响反应速率。 对元素扩散、渣钢间反应有重要影响。 • 揭示高温熔体微观结构。
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
4测试过程
10 8
s
随着温度下降，粘度平缓增加
Pa· ，
6
二者非线性关Байду номын сангаас，
4
度
温度越低，变化率越大
粘
2 0 1300
1350
熔
体
1400
温
度
1450
，
℃
1500
1550
X渣的粘度-温度曲线（η-T ）
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 16
5影响粘度的因素1-温度
熔体粘度vs温度之间存在着指数函数关系：
A exp( E / RT )
常数 粘流活化能 热力学温度 气体常数
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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粘流活化能
• 粘流活化能求法: 1 • 测定η-T关系后,取 ln T • 作图得到一直线,从斜率可以求出
几种液体的粘流活化能,kJ/mol
非极性 液体
2.1~4.2
剪切应力
2014-8-22
• 该粘度定义为动力粘度,即: • 动力粘度=剪切应力/剪切速率,单位:Pa∙s • 作用:用来衡量流体流动性
0.2-1000 mPa∙s
0.3-30 粘 度 1 0.5-5 有机化 室温水 液态金属 合物
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定
熔盐
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流体粘度的物理含义是：
M
K称为仪器常数 用已知粘度的蓖麻油来标定
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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4测试过程
• 第一步 测蓖麻油油温，得油粘度 假定 油温20℃，则η油=0.977Pa∙s • 第二步 启动转头，进入测试 转速ω=300r/min,扭矩M测出 得K=0.739
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
使流体产生单位速度梯度所需要的内摩擦力 （剪应力）。 单位：Pa· S（SI制） 其他：1厘泊（CP）=10－2泊（P）=10-3Pa· s
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
7
2 粘度测试
靠壁位置
径向向里
测试假设： 流体流速很小 各液层运动方向互 相平行 速度变化连续 该流动状态称为 “层流”。
3
2 粘度定义
液层A 液层B
V1 V2
V1≠V2 分子间力
运动阻力 （熔体内摩擦力）
粘 性
2014-8-22
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
4
x
液层A 液层B
V1 dv/dx V2
面积S
dv A、B液层间的内摩擦力F定义为：F S dx
可以改写为：
F dv / S dx
剪切速率
李桂荣：冶金熔体粘度的测定 5
物质 水 铁水 钢水 稀熔渣 黏度中等渣 稠熔渣 温度（℃） 25 1425 1595 1595 1595 1595
黏度（Pa· s） 0.00089 0.0015 0.0025 0.0020 0.020 0.20
FeO
CaO SiO2 Al2O3
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1400
接近熔点 1942 2100
炉 升 降 控 制 区
（ 测 试 界 面 ）
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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3旋转柱体法测粘度
实物 图
扭矩传感器
控制柜 高温炉
2014-8-22
熔体物性测定仪实物图 李桂荣：冶金熔体粘度的测定
11
3旋转柱体法测粘度
当液体是牛顿流体且柱体转速恒定时，速度梯度和 力矩都是恒定值，其关系符合下式：
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
0.030
<0.050 1.5×104 0.05
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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扭矩传感器测出；
M 1 1 ( 2 2) 4 h r R
外柱体半径，常数 内柱体半径，常数
转头浸入熔体深度，常数
转头转速，可设定在200 或300r/min
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3旋转柱体法测粘度
M 1 1 ( 2 2) 4 h r R
K
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4测试过程
• 第三步 配制炉渣X 用化学纯按比例配制，混匀后待用 • 第四步 升炉温 将炉温升到设定温度1500℃，恒温 • 第五步 定点粘度测试 M、ω、K可知，计算得η1500=0.652Pa∙s • 第六步 粘度-温度曲线测试 启动降温程序，并同时测试，得到η-T曲线
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2014-8-22
…
…
速度矢量
李桂荣：冶金熔体粘度的测定
3旋转柱体法测粘度
刚玉转杆 高温熔体 内柱体： 钼质转头
由于粘性力作用， 在柱体将产生一个 h 力矩与之平衡。
V r
外柱体： 石墨坩埚
R
2014-8-22
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3旋转柱体法测粘度
温 度 显 示 区
控温区
测试过程显示区
极性 液体
4.2-12.6
液态 金属
2.1~8.37
玻璃
83.7~627.6
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李桂荣：冶金熔体粘度的测定
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5影响粘度的因素2-成分
标号 1 短渣 渣型 碱性渣 典型代表 炼钢渣 精炼渣
2
粘 度
长渣
酸性渣
高炉渣
温 度
2014-8-22 李桂荣：冶金熔体粘度的测定 19
熔渣和钢水的黏度