Спосіб дослідження фазових перетворень розплавів електроліту

Реферат: Винахід належить до галузі металургії. Спосіб дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, зокрема шлакового розплаву, здійснюють шляхом замірів температури, динамічної в'язкості та питомої електропровідності та наступного спільного графоаналітичного аналізу температурної залежності вимірюваних параметрів. Знаходять точку перетину графіків температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності, яка відповідає температурі гетерогенізації і при якій виконується рівність абсолютних значень енергій активації в'язкого плину Е і електропровідності Е. Винахід дозволяє на основі визначеної температури гетерогенізації забезпечити оптимізацію шлакового режиму і як наслідок підвищення якості чавуну і сталі та зменшення енерговитрат технологічного процесу їх виплавки. UA 107387 C2 (12) UA 107387 C2 UA 107387 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до досліджень фазових перетворень матеріалів і може бути використаний у чорній металургії, а саме при оптимізації шлакового режиму технологічного процесу виплавки чавуну та сталі. Відомо, що зміна фазового складу, а саме процес утворення кристалічної фази в шлаковому розплаві при виплавці чавуну та сталі є небажаним, оскільки він сприяє погіршенню масо- і теплообмінних процесів в системі "метал-шлак", що в свою чергу негативно відображається на якості металу. У зв'язку з цим виникає необхідність контролю за процесом фазових перетворень в шлаковому розплаві з метою запобігання початку процесу його кристалізації. У якості критерію оцінки зміни фазового складу шлакового розплаву в теорії та практиці металургії використовують температуру ліквідус (Tл ) , яка являє собою температуру початку зародження кристалічної фази в розплаві. Відомо (Есин О. А., Гельд П. В. Физическая химия пирометаллургических процессов. - М.: Металлургия.-1966.-4.2.-704с.), що шлаковий розплав являє собою електроліт у якому, процесу зародження кристалічної фази передує процес розшарування розплаву та утворення певних іонних угруповань, що відрізняються за хімічним складом та фізико-хімічними властивостями, які при подальшому охолодженні розплаву, до температури ліквідус, утворюють дві основні фази - аморфну та кристалічну. Отже розшарування розплаву електроліту при певній його температурі на іонні групи спричинює початок утворення гетерогенної системи, при цьому дана температура відповідає температурі гетерогенізації розплаву ( T ) . Відомий спосіб визначення температури ліквідус розплавів електроліту у робочій ванні (патент РФ, № 2221994, МПК G01K7/02, опубл. 28.06.2003), що включає вимірювання температури з плином часу, додаткове вимірювання електрохімічної різниці потенціалів, побудова графіків першої похідної зміни потенціалу від температури (dU/dT), при цьому температура ліквідус відповідає температурі, при якій значення (-dU/dT) максимальне. Шлаковий розплав при температурі ліквідус в технологічному процесі виплавки чавуну та сталі має фізико-хімічні властивості, які не є прийнятними для технологічного процесу. Крім того, недоліком є велика трудоємність експериментального визначення температури ліквідус. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб дослідження високотемпературних металевих розплавів (патент РФ №2450257, МПК G01N11/00, опубл. 10.05.2012), при якому виконують заміри температури, в'язкості та електропровідності розплаву. При визначенні зазначених властивостей розплаву визначають шляхом прямих вимірювань значення лише одного із параметрів, а по значенню цього параметру і значенню коефіцієнта кореляції встановлюють значення другого параметру, що дозволяє зменшити трудомісткість експериментів, коли вимірювання одного із параметрів замінюється його розрахунком. Відомий спосіб не дозволяє визначити температуру гетерогенізації розплаву, оскільки отримані політерми в'язкості і електропровідності аналізують незалежно одна від одної, тому спосіб не дозволяє здійснити оптимізацію шлакового режиму для забезпечення якості чавуну та сталі і раціональних енерговитрат технологічного процесу їх виплавки. В основу винаходу поставлена задача дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, що полягає у визначенні температури гетерогенізації за рахунок спільного графоаналітичного аналізу температурної залежності динамічної в'язкості і питомої електропровідності, що забезпечить оптимізацію шлакового режиму і як наслідок підвищення якості чавуну та сталі і призведе до зменшення енерговитрат технологічного процесу. Поставлена задача вирішується тим, що у способі дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, при якому виконують заміри температури, динамічної в'язкості та питомої електропровідності, відносно винаходу, проводять спільний графоаналітичний аналіз температурної залежності вимірюваних параметрів, знаходять точку перетину графіків залежності, яка відповідає температурі гетерогенізації і при якій виконується рівність (Е ) абсолютних значень енергій активації в'язкого плину  і електропровідності (Е х ) , при цьому ліворуч температури точки перетину кривих температурної залежності в'язкості і Е  Ех Е  Ех електропровідності виконується нерівність  ,а праворуч -  . Енергія активації є величиною постійною для конкретного розплаву при певній температурі і характеризує собою додаткову енергію, необхідну для подолання міжчастинкової взаємодії при переміщенні частинки або групи частинок рідини з одного стану тимчасової рівноваги в інший (Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. - Л.: "Наука".-1975.-592 с.5). З уявлень Я. I. Френкеля про електропровідність і в'язкість іонних розплавів слідує, що електропровідність як і в'язкість є функцією не тільки температури, але і рухливості іонів, яка істотно залежить від 1 UA 107387 C2 5 10 15 20 25 30 35 енергії їх взаємодії (енергії активації), обумовленої хімічним складом, що є загальним, як для Е електропровідності - Е х , так і для в'язкості -  . Суть винаходу пояснює креслення. На кресленні показані графіки температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності для шлакового розплаву: SiO2-35 %, MgO-30 %, Аl2О3-35 %. Спосіб дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, здійснюється наступним чином. Багатокомпонентна оксидна система: SiO2-35 %, MgO-30 %, Аl2О3-35 % поміщається в тигель об'ємом декілька кубічних сантиметрів, який розміщується в піч опору з подальшим його нагрівом до повного розплавлення шлаку. В залежності від хімічного складу розплаву він розігрівається до температури гомогенізації (до температури при якій в'язкість розплаву практично не змінюється) і витримується при даній температурі певний час. При подальшому ступеневому охолодженні шлакового розплаву одночасно виконується замір його температури ( t ) за допомогою термопари, динамічної в'язкості () і питомої електропровідності ( x ) . На підставі отриманих даних температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності шлакового розплаву визначається температура перетину графіків температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності (креслення), яка відповідає температурі гетерогенізації розплаву ( T ) . При цьому в точці перетину кривих  x  t температурної залежності в'язкості і електропровідності виконується рівність похідних t   x x  lim  lim за умовою що, t t 0 t та t t 0 t , що в свою чергу відповідає рівності енергій (E  E x ) активації в'язкого плину та електропровідності . При цьому в області температур розплаву ліворуч температури точки перетину графіків температурної залежності в'язкості і E  Ex E  Ex електропровідності виконується нерівність  , а праворуч  . Таким чином температура, що відповідає температурі точки перетину графіків температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності шлакового розплаву відповідає його температурі гетерогенізації ( T ) за умовою виконання рівності енергій (E  E x ) активації в'язкого плину та електропровідності  при даній температурі. Для підтвердження практичного використання способу дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, проведені дослідження на прикладі оптимізації шлакового режиму доменної плавки для шлаків різного хімічного складу, що приведені в таблиці 1. З якої слідує, що значення температури гетерогенізації ( T ) шлакових розплавів визначає вміст кремнію (Si) та сірки (S) в чавуні, що в свою чергу дозволяє на підставі визначення температури гетерогенізації оптимізувати шлаковий режим та забезпечити підвищення якості чавуну і як наслідок зменшити енерговитрати технологічного процесу. Таблиця 1 SiO2 37,40 41,10 41,30 40 Хімічний склад доменного шлаку, % Аl2О3 СаО МnО MgO FeO 7,20 47,30 0,17 7,40 0,27 6,40 45,00 0,57 6,90 0,17 6,90 41,20 0,44 6,40 0,58 S 1,40 1,00 0,80 T , °C 1514 1400 1345 Вміст в чавуні, % Si S 1,49 0,009 0,6 0,024 0,52 0,04 Спосіб дослідження фазових перетворень розплавів електроліту дозволяє на основі визначеної температури гетерогенізації забезпечити оптимізацію шлакового режиму і як наслідок підвищення якості чавуну і сталі та призведе до зменшення енерговитрат технологічного процесу їх виплавки. 2 UA 107387 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб дослідження фазових перетворень розплавів електроліту, при якому виконують заміри температури, динамічної в'язкості та питомої електропровідності, який відрізняється тим, що здійснюють спільний графоаналітичний аналіз температурної залежності вимірюваних параметрів, знаходять точку перетину графіків температурної залежності динамічної в'язкості та питомої електропровідності, яка відповідає температурі гетерогенізації і при якій виконується рівність абсолютних значень енергій активації в'язкого плину Е і електропровідності Е, при цьому ліворуч температури точки перетину графіків температурної залежності в'язкості і електропровідності повинна виконуватись нерівність ЕЕ, а праворуч - ЕЕ. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3