Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4 ppsx

Hình 4.12: Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO - MgO

- SiO
2


4.3.2. Độ sệt của xỉ.
Để sản xuất gang thép và các hợp kim thuận lợi, cần tạo ra trong lò, các thiết bị tinh
luyện những xỉ lỏng, linh động và chảy loãng tốt.
Độ sệt là một trong những tính chất vật lí quan trọng của xỉ. Độ sệt biểu thị một mức
độ tính chảy lỏng của dịch thể và cấu trúc bên trong của nó. Những tính chất kỹ thuật quan
trọng nh truyền nhiệt và các tác dụng khối lợng của các cấu tử cũng liên quan chặt chẽ với
độ sệt của xỉ, các quá trình oxi hoá tạp chất và chuyển sản phẩm phản ứng vào xỉ, độ sệt có vai
trò quyết định. Điều đó chứng tỏ mối liên hệ ngợc giữa giá trị động học của độ sệt và hệ số
khuyếch tán của các cấu tử trong xỉ. Độ sệt biểu thị trở lực khi xáo trộn các chất điểm bên
trong dịch thể khi chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Độ sệt
đợc xác định theo biểu thức:
F =
dy
dv
S

F: là lực cần thiết để tạo ra giữa 2 lớp có điện tích S một gradient tốc độ
dy
dv

dv: là chênh lệch tốc độ giữa 2 lớp.
dy: là khoảng cách giữa 2 lớp.
: là độ sệt (poa)
Độ sệt có ảnh hởng rõ rệt tới tốc độ khuyếch tán của các phần tử. Trong điều kiện
không chuyển động thì mối quan hệ giữa hệ số độ sệt và hệ số tốc độ khuyếch tán D cm
2
/
sec, đợc biểu thị nh sau:
D = const.
nghĩa là tốc độ khuyếch tán tỉ lệ nghịch với độ sệt.
Khi lớp xỉ chảy rối, nếu độ sệt của xỉ tăng lên sẽ làm giảm tốc độ truyền khối của các
cấu tử do giảm bớt cờng độ xáo trộn.
Độ sệt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nó. Khi tăng nhiệt độ độ sệt
của xỉ giảm xuống. Quan hệ đó đợc biểu thị theo phơng trình:
= A.exp (En/RT)
A: hằng số đặc trng cho từng dịch thể.
exp: số mũ với cơ số e của log tự nhiên (y = epx Z đợc viết dới dạng y = e
Z
)
E: hoạt năng của dòng chảy.
Độ sệt thay đổi theo thành phần và nhiệt độ của xỉ, ví dụ xỉ lò cao ở 1500
O
C có độ sệt
khoảng 5 poa, xỉ kiềm lò thép ở 1550 - 1650
O

C có độ sệt khoảng 2 poa và khi nhiệt độ giảm,
độ sệt củâ xỉ tăng mạnh. Để dễ so sánh cần nhớ rằng độ sệt của nớc nguyên chất ở 20
O
C
khoảng 0,01 poa và của thép lỏng ở 1600
O
C khoảng 0,40 poa. Xỉ kiềm luyện thép khi tăng
hàm lợng CaO và nhất là MgO thì độ sệt tăng lên rất nhiều. Lí do tăng là do trong xỉ xuất
hiện các hạt huyền phù có kích thớc nhỏ khoảng 10
-3
+ 10
-2
mm, chính chúng làm tăng "độ
sệt ảo" của xỉ. Các chất điểm không tan trong xỉ này có thể là các tinh thể periclase (MgO),
vôi và oxit crôm.
Độ sệt của xỉ kiềm giảm xuống rất mạnh khi tăng hàm lợng CaF
2
, vì vậy huỳnh thạch
đợc sử dụng phổ biến trong các xỉ để tinh luyện kim loại bằng phơng pháp điện xỉ. Độ sệt
của xỉ kiềm cũng giảm xuống khi tăng hàm lợng F
2
O
3
, SiO
2
, Al
2
O
3
, CaF

2
vì cấu tử này thúc
đẩy sự hoà tan CaO, MgO trong xỉ (hình 4 -12).
Độ sệt của xỉ axit cao hơn độ sệt của xỉ kiềm rất nhiều và nó lại giảm khi hàm lợng
của CaO, FeO, tăng.
Các phơng pháp đo độ sệt của xỉ.
Có rất nhiều phơng pháp đo độ sệt, nhng ở nhiệt độ cao trong các ngành luyện kim
và silicát thờng chủ yếu sử dụng các phơng pháp sau đây:
- Phơng pháp mao dẫn.
- Phơng pháp vật rơi.
- Phơng pháp kéo bi.
- Phơng pháp quay.
- Phơng pháp dao động.
Sau đây chúng ta nghiên cứu một vài phơng pháp dễ có điều kiện ứng dụng và cho kết
quả chính xác.
Đo độ sệt theo phơng pháp mao dẫn.
Phơng pháp này dựa vào thời gian chảy của một thể tích xỉ lỏng qua một ống mao
dẫn. Từ kích thớc ống mao dẫn, thể tích xỉ lỏng chảy qua ống và thời gian chảy ta có thể tính
đợc độ sệt (xem hình 4.13).
Theo công thức :
=
H
VI
Ptr

8
2


: độ sệt, poa.

r: bán kính ống, cm
I: Chiều dài ống mao dẫn, cm
V: Thể tích xỉ chảy ra, cm
3

t: Thời gian chảy ,s
P: áp suất nồi đựng xỉ, dyn/cm
2

H: Hệ số hiệu chỉnh.
(poa là đơn vị độ sệt cũ có thứ nguyên là
2
.
cm
sdyn
, theo hệ đo lờng mới độ sệt có thứ
nguyên là
2
.
m
sN
= Pa.s )




Hình 4.13: Sơ đồ do độ sệt của xỉ theo
phơng pháp mao dẫn

Đo độ sệt theo phơng pháp quay.
Thiết bị đo bao gồm 1 nồi đựng chất nóng
chảy, một trực quay có gắn khối trụ để nhúng vào
chất nóng chảy, trục quay đợc nối liền với thiết bị
đo và mômen quay, (xem 4.14). Dựa trên quan hệ
giữa độ sệt và mômen quay, ngời ta tính toán độ
sệt chất nóng chảy theo công thức sau:


=









222
11
8
ai
rHnh
M


: độ sệt, Poa

h: chiều cao khối trụ, cm
r
i
: Bán kính khối trụ, cm
r
a
: bán kính trong nồi, cm
M: Mômen quay, dyn/cm
n: số vòng quay, 1/s.















Nồi hứng

ố
ng mao
dẫn

Xỉ lỏng

Mức
Cần nút












Hình 4.14: Sơ đồ đo độ sệt của xỉ theo phơng pháp quay.
a. Trục quay; b. Nồi quay

Độ đo sệt bằng phơng pháp rung động điện.
Gần đây ngời ta đã chế tạo thiết bị đo độ sệt của xỉ bằng phơng pháp rung động
điện. Kết quả đo chính xác và thiết bị đo có thể lắp đặt đợc theo sơ đồ hình 4.15.
Số liệu thờng đọc đợc trên đồng hồ mà không phải tính toán.

1. Máy phát tần số.
2. máy tạo phách đảo.
3. Vôn kế điện tử.
4. ổn áp.
5. Vôn kế.
6. Vôn kế.

7. Giá đỡ.
8. Đồng hồ đo.
9. Cửa khí bảo vệ ra
10. Nắp đậy.
11. ống bảo vệ bằng M
0
.
12. Lò Môlipđen.
13. Trục Molipđen.
14. Cách nhiệt.
15. Cặp nhiệt .
16. Cửa khí bảo vệ vào.
17. Mẫu xỉ.

Hình 4.15: Sơ đồ thiết bị độ sệt của xỉ theo
phơng pháp rụng động điện

H×nh 4.16: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al
2
O
3
- SiO
2
cã 100% MnO ë 1400
O
C (Poa)

H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al
2
O
3
- CaF
2
ë 1600
o
C, Pa.s

H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al
2
O
3
- SiO
2
, Poa
a. ë 1400

O
C
b. ë 1600
O
C







a)

b)

H×nh 4.19: §é sÖt xØ
hÖ CaO
-

CaF
2

-

La
2
O
3
ë 1500
O
C

( Poa)
H×nh 4.20: §é sÖt xØ hÖ CaO

-

MgO
-
SiO
2


ë 1500
O
C ( Poa)

H×nh 4.21: §é sÖt xØ hÖ CaO
-

SiO
2

-

Al
2
O
3

cã 10% MgO ë 1500
O
C (Poa)

H×nh 4.22: NhiÖt ®é ch¶y
o
C

vµ ®é sÖt xØ hÖ.
CaO - MgO - SiO
2
- Al
2

O
3

ë 1450
O
C (Poa)
a. Khi Al
2
O
3
= 5%;
b. Khi Al
2
O
3
= 10%;
c. Khi Al
2
O
3
= 15%;

H×nh 4.23: §é sÖt xØ hÖ CaO
- FeO - SiO
2

(a). cã 5% Al
2
O
3

(b). cã 15% Al
2
O
3

ë 1300
O
C (poa)

4.3.3. Độ dẫn điện của xỉ.
Độ dẫn điện biểu thị khả năng cho dòng điện chạy qua của các chất. Vì xỉ lỏng là chất
dẫn điện li nên nó dẫn điện. Độ dẫn điện của xỉ lỏng là một đặc tính quan trọng. Nó phụ thuộc
vào độ linh động của các ion, nhất là các cation. Nh đã biết, xỉ luyện kim thuộc nhóm dẫn
điện loại hai, khả năng dẫn điện phụ thuộc vào số lợng, chủng loại và sự chuyển động của ion
trong xỉ. Nói cách khác, khả năng dẫn điện của xỉ đợc quyết định bởi độ phân li, đờng kính
và điện tích các ion, cũng nh tác dụng tơng hỗ và tốc độ chuyển động của chúng trong xỉ.
Độ dẫn điện của xỉ lỏng là một đặc trng về tính vật lí đợc dùng để nghiên cứu cấu trúc của
nó. Ngoài ra độ dẫn điện còn đợc ứng dụng trong các quá trình luyện kim ở lò điện. Thí dụ
trong quá trình tinh luyện bằng điện xỉ, nhiệt toả ra trong quá trình là do điện trở lớp xỉ.
Tính dẫn điện của xỉ có thể là nguyên nhân gây ra sự chuyển động của các điện tử, ion,
hay đồng thời cả hai dạng trên trong xỉ. Sự dẫn điện bằng ion của xỉ khác với sự dẫn điện bằng
điện tử ở kim loại hay hợp kim là ở chỗ sự dẫn điện bằng ion có liên quan tới sự chuyển vận
khối của chất nóng chảy và sự phát triển của các phản ứng điện cực trong trờng hợp điện
phân, nhờ đó ta xác định đợc lợng của từng cấu tử theo trị số về cờng độ dòng điện đi ra.

ở 1600
O
C (Pa.s)

Hình 4.25: Độ sệt xỉ hệ

CaO - MnO - SiO
2
ở 1400
O
C (Poa)
Nh đã biết hiệu suất dòng điện đi ra bằng tỉ số sản phẩm thực thu khi điện phân, chia cho
tổng lợng của nó theo định luật Faraday.
Độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc và thành phần của xỉ, ví dụ xỉ silicát, khi thay các
phân tử FeO hay MnO bằng CaO thì độ dẫn điện của xỉ này giảm xuống, đó là vì các cation
Ca
2+
có bán kính ion lớn hơn nên kém linh động hơn các cation Fe
2+
và Mn
2+
.
Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của xỉ tăng lên, quan hệ đó tuân theo biểu thức:
= A.e
- E/RT

: độ dẫn điện của xỉ.
A: hằng số phụ thuộc vào bản chất dịch thể.
E: hoạt năng xáo trộn các cation.
Giữa độ dẫn điện và độ sệt của xỉ có quan hệ nghịch, nghĩa là khi độ sệt tăng thì độ

dẫn điện giảm và ngợc lại, quan hệ đó đợc biểu thị theo biểu thức:
n
const


; n >1
Lợi dụng tính dẫn điện của xỉ ngời ta đã đề ra một phơng pháp giảm lu huỳnh
trong kim loại bằng cách cho tác dụng dòng điện một chiều vào kim loại lỏng tiếp xúc với xỉ.
Khi đó các anion S
2-
sẽ chạy về cực dơng, nghĩa là chuyển từ kim loại vào xỉ. Khi có tác dụng
của một điện trờng bên ngoài thì sự dẫn điện của xỉ chủ yếu do các ion tự do gây ra, đó chính
là các cation kim loại Me
2+
đơn giản.
Khi xỉ lỏng bắt đầu xuất hiện mầm kết tinh bất đẳng hớng thì độ dẫn điện của nó
giảm xuống đột ngột, đó chính là nhiệt độ bắt đầu kết tinh và khi xỉ đông đặc hoàn toàn thì độ
dẫn điện của nó có giá trị rất nhỏ. Vì vậy có thể xác định nhiệt độ nóng chảy của xỉ bằng
cách gián tiếp thông qua đo điện trở suất của nó.
Các phơng pháp đo độ dẫn điện của xỉ.
Để thuận lợi trong việc xác định độ dẫn điện của xỉ, thông thờng ngời ta đo đại
lợng nghịch đảo của nó là điện trở. Ngày nay hầu hết các cách đo điện trở của xỉ đều dựa
theo 3 phơng pháp sau:
- Thông qua dòng điện và điện áp rồi tính toán điện trở.
- Đo trực tiếp điện trở bằng cầu đo.
- Đo điện trở theo phơng pháp 2 hoặc 4 cực.
Thiết bị đo bao gồm nồi đựng xỉ lỏng đóng vai trò một điện cực, còn điện cực thứ hai
đợc nhúng thẳng vào trung tâm nồi xỉ (hình 4.26A). Đo theo phơng pháp này có thuận lợi là
các điện cực không cần cách điện lẫn nhau, điều mà ở nhiệt độ cao rất khó thực hiện, nhng
việc xác định diện tích bề mặt điện cực, trung tâm nồi xỉ và chiều sâu điện cực nhúng vào xỉ

gặp nhiều khó khăn.
Phơng pháp thứ hai để đo là nhúng cả hai điện cực vào trong xỉ, (hình4.26B). Các
điện cực có thể ở dạng tròn hay tấm. Phơng pháp này có thuận lợi là dễ chế tạo hai điện cực
có bề mặt bằng nhau, ngoài ra còn có khả năng điều chỉnh khoảng cách giữa hai điện cực. Để
tránh ảnh hởng của dòng điện mạch nhánh cần đặt các điện cực xa thành nồi đựng xỉ.
Phơng pháp thứ ba là dùng một điện cực vòng còn điện cực thứ hai đợc đặt ở trung
tâm điện cực vòng (hình 4.26 C)
Phơng pháp này loại trừ đợc ảnh hởng của thành nồi nhng lại xuất hiện sai lệch
do sự khác nhau của bề mặt điện cực.
Phơng pháp thứ t là nhúng cả 4 điện cực vào xỉ lỏng (hình 4.26 D). Theo nguyên tắc
này kết quả thu đợc chính xác hơn và thiết bị đo cũng đơn giản hơn.
Việc lựa chọn vật liệu làm điện cực để đo điện trở của xỉ rất phức tạp, vì phải đáp ứng
đợc hàng loạt yêu cầu nghiêm ngặt, ví du:
- Có điện trở riêng nhỏ.
- Không thay đổi trạng thái trong khoảng nhiệt độ thí nghiệm.
- Không có tác dụng hoá - lý với xỉ và không bị xỉ hoà tan.
Hai yêu cầu đầu có nhiều vật liệu đáp ứng đợc, yêu cầu thứ ba khi làm việc với xỉ
chứa flo ăn mòn mạnh thì thực tế không có vật liệu nào hoàn toàn bền vững.
Điện cực có thể ở thể lỏng hoặc thể rắn. Khi đo độ dẫn điện các xỉ hệ CaO - SiO
2

thờng dùng điện cực bằng bạc còn đối với các xỉ hệ CaF
2
- CaO - Al
2
O
3
phải dùng điện cực
bằng Môlipđen, platin, wonfram, indi, hoặc graphit.

Hình 4.26: Sơ đồ nguyên lí do điện trở của xỉ lỏng.
1. Điện cực; 2. Nồi đựng xỉ; 3. Xỉ lỏng.


Hình 4.27: Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo điện trở của xỉ
(theo phơng pháp nhúng cả 2 điện cực vào xỉ lỏng hình 4.26B)
Giản đồ độ dẫn điện của một số hệ xỉ thông dụng

Hình 4.28: Độ dẫn điện của xỉ hệ CaO - Al
2
O
3
- CaF
2
ở 1600
O
C (


-1

.cm
-1
)




1 - ổn áp
2 - Máy phát
3 - Vôn kế điện tử.
4 - Điện trở so sánh
5 - Công tắc chuyển
mạch
6 - Giá đỡ
7 - Lò nấu chảy xỉ.
8 - Chén đựng xỉ.
9 - Xỉ lỏng.
10 - Giá đỡ điện cực.
11 - Điện cực.
12 - Cặp nhiệt
13
-

Cách nhiệt

V

Hình 4.29: Độ dẫn điện của xỉ hệ Al

2
O
3
- MgO - SiO
2

các nhiệt độ khác nhau (


-1
.cm
-1
)

4.3.4. Sức căng mặt ngoài của xỉ.

Trong xỉ lỏng, các phân tử (nguyên tử, phân tử, ion) tơng tác lẫn nhau, các phân tử ở
bên trong thể tích có lực tơng tác cân bằng, các phần tử ở mặt ngoài cha đợc cân bằng lực
và có lực tổng hợp hớng vào trong (xem hình 4.30)










Hình 4.30: Sơ đồ biểu thị lực hấp dẫn ở bên trong và ở bề mặt vật chất.

Do sự mất cân bằng về lực tác dụng tơng hỗ lẫn nhau của các phần tử ở bề mặt mà
phát sinh sức căng mặt ngoài hay sức căng bề mặt. Nh vậy khi đa một phần tử ở trong ra
ngoài bề mặt xỉ lỏng cần phải tiêu tốn một công. Công để tạo ra một mặt ngoài có diện tích 1
m
2
gọi là sức căng mặt ngoài và đợc xác định theo biểu thức.

S
A


(J/m
2
, đơn vị cũ là erg/cm
2
hay dyn/cm)
: Sức căng mặt ngoài khi pha xỉ tiếp xúc với pha khí
A: Công, N
S: Diện tích , m
2

Sức căng mặt ngoài là một trong những tính chất vật lí quan trọng của xỉ nên đã và
đang đợc nghiên cứu kỹ lỡng. Sức căng bề mặt có ảnh hởng và nhiều khi là quyết định các
quá trình trong luyện kim nh tốc độ và cơ chế quá trình oxy hoá, hoàn nguyên, thăng hoa, sự
tổn thất của kim loại theo xỉ, sự hấp thụ các tạp chất phi kim, tốc độ hoà tan của liệu và trợ
dung cũng nh sự ăn mòn vật liệu chịu lửa của xỉ. Sức căng mặt ngoài tỉ lệ với áp suất nội, do
đó lực tơng tác giữa các phần tử trong chất lỏng càng lớn thì sức căng bề mặt càng cao, cao
nhất là chất lỏng có liên kết ion, sau đó là liên kết có cực và liên kết đồng hoá trị. Từ giá trị
sức căng mặt ngoài của các chất nóng chảy chúng ta có thể suy ra cấu trúc bên trong của

chúng, ví dụ từ giá trị sức căng mặt ngoài của xỉ đo đợc bằng thực nghiệm thờng khá lớn
300 - 500 MJ/m
2
cho phép ngời ta kết luận rằng: xỉ lỏng bao gồm các ion. Chính vì lực tơng
tác giữa các ion này lớn nên đã biểu hiện ra sức căng mặt ngoài của xỉ khá lớn.
Trong trờng hợp xỉ lỏng tiếp xúc với một pha khác nh kim loại lỏng hoặc tờng lò
thì tại mặt tiếp xúc cũng xuất hiện sức căng và để phân biệt với sức
căng mặt ngoài nói trên, ở đây đợc gọi là sức căng biên giới (xem hình 4.31)





Hình 4.31: Sơ đồ biểu thị sức căng biên giới giữa xỉ và kim loại lỏng

S
: Sức căng mặt ngoài của xỉ.

M
: Sức căng mặt ngoài của kim loại.

MS
: Mức căng biên giới giữa 2 pha kim loại - xỉ
: Góc thẩm ớt giữa 2 pha kim loại - xỉ

Sức căng biên giới kim loại - xỉ đợc tính theo biểu thức:


cos2
222

SMSMMS


Trong luyện thép,
16001100
M

MJ/m
2


500300
S

MJ/m
2


800300
MS

MJ/m
2

Khi hai chất lỏng khác loại tiếp xúc nhau, ví dụ xỉ và thép sẽ xuất hiện ứng suất giữa
các pha, tức là năng lợng tự do giữa các pha. Nó đặc trng cho sự bám dính, tức là sự bám
dính các lớp bề mặt của các dịch thể với nhau. Công bám dính là công cần tiêu tốn để tách
một đơn vị bề mặt chất lỏng này khỏi bề mặt chất lỏng khác.
Trong luyện kim sức căng biên giới kim loại - xỉ
MS

thờng có giá trị lớn, nghĩa là
công bám dính Wa giữa xỉ và kim loại,
Wa =
M
+
S
-
MS

thờng có giá trị nhỏ, nên việc tách kim loại khỏi xỉ thuận lợi. Cần chú ý rằng tất cả các yếu tố
ảnh hởng làm tăng công bám dính Wa đều làm cho kim loại khó tách khỏi xỉ, làm tăng tổn
thất kim loại theo xỉ và dễ gây nhiễm bẩn kim loại bởi xỉ.
Sức căng bề mặt và sức căng biên giới thay đổi theo thành phần và nhiệt độ, khi nhiệt
độ tăng thì các đại lợng này giảm,
còn ảnh hởng của thành phần thì
hết sức phức tạp. Ví dụ khi nghiên
cứu ảnh hởng của thành phần xỉ
lên sức căng biên giới gang và xỉ lò
cao ngời ta đã nhận thấy rằng: với
thành phần xỉ cơ bản có Al
2
O
3
+
CaO + SiO
2
= 100%, khi tăng hàm
lợng CaO và Al
2

O
3
thì sức căng
biên giới gang -xỉ tăng lên, ngợc
lại khi tăng hàm lợng MnO và đặc
biệt là FeO thì sức căng biên giới
giảm mạnh (hình 4 - 32).
Trong luyện thép, sức căng
biên giới giữa xỉ và thép lỏng, nói
chung có giá trị lớn: 1100 1600
MJ/m
2
. Khi tăng hàm lợng CaC
2

trong xỉ tới 4 - 6% công bám dính
giữa xỉ và kim loại tăng lên, trên 800 MJ/m
2
. Do đó làm cho xỉ khó tách khỏi thép và thép dễ
nhiễm bẩn bởi xỉ.
Nh ta đã biết, tất cả các phản ứng hoá học, các quá trình điện hoá cũng nh các quá
trình dị thể đều xảy ra thông qua bề mặt tiếp xúc giữa các pha. Nh vậy hiện tợng bề mặt có
ảnh hởng đến tất cả các quá trình. Tốc độ các quá trình luyện kim liên quan với những phần
tử hoạt động bề mặt của các cấu tử nóng chảy cũng nh cấu trúc và tính chất lớp bề mặt của
chúng. Hiện tợng điện mao dẫn đóng vai trò quan trọng trên biên giới phân pha kim loại - xỉ
khi có dòng điện chạy qua. Sức căng biên giới bị thay đổi theo mức điện thế khác nhau, do đó
có thể điều chỉnh hớng của quá trình theo hớng cần thiết: tăng hay giảm sức căng biên giới
kim loại - xỉ. Nếu ta tăng sức căng này thì khả năng hoà tan của kim loại trong xỉ, khối lợng
chuyển chất giữa chúng và tính thấm ớt của kim loại và xỉ giảm xuống. Khi hàn và khi nấu
luyện lớp xỉ cũng nh khi tinh luyện theo phơng pháp điện xỉ do ảnh hởng của hiện tợng

điện mao dẫn mà đặc điểm chuyển chất kim loại điện cực, sự chảy loang của xỉ và tốc độ xảy
ra quá trình luyện kim bị thay đổi.
Động học của nhiều quá trình luyện kim, ví dụ nh quá trình tạo thành pha mới ban
đầu có sự thăng giáng không ổn định về nhiệt động để tạo mầm pha mới. Xác suất thăng giáng
đợc xác định bằng công cần thiết để hình thành nó, công này gắn liền với bề mặt riêng của
mầm và phụ thuộc vào sức căng biên giới giữa môi trờng và mầm. Nh vậy, xác suất tạo
mầm phụ thuộc vào sức căng mặt ngoài và sự có mặt của những chất làm thay đổi giá trị của
sức căng này.
Trong qúa trình luyện kim theo phơng pháp điện phân, hiện tợng bề mặt còn liên
quan đến hiệu quả anốt khi điện phân các muối nóng chảy.
Ngoài ra, do đặc điểm qúy giá của kim loại màu ta phải giảm lợng mất mát kim loại
và hợp kim của chúng theo xỉ. Sự mất mát phụ thuộc vào sự tạo thành những hạt kim loại và
stên trong xỉ lỏng, mà việc tách những hạt này ra khỏi xỉ phụ thuộc vào sự khác nhau về trọng
lợng riêng của kim loại lỏng và độ nhớt của xỉ, vào sức căng giữa các pha trên biên giới xỉ -
kim loại hay xỉ - stên. Nhiều quá trình luyện kim bụi than đợc thổi vào lò qua mỏ đốt để làm
nhiên liệu và chất hoàn nguyên kim loại từ pha xỉ lỏng. Lúc đó sự hoàn nguyên đợc thực hiện
do cháy không hoàn toàn than và do tơng tác hoá học trên biên giới khí - bụi than - xỉ. Do
tính thấm ớt giữa xỉ, bụi than xấu và tốc độ dòng khí trong lò cao, nên khoảng 1/4 bụi than
tổn thất ra khỏi lò. Nếu tăng tính thẩm ớt của xỉ với than, sẽ cho phép tăng đáng kể hiệu quả
của quá trình xỉ lò, bằng cách đa vào xỉ những ion hoạt động bề mặt để cho góc thấm ớt
giữa xỉ - than và sức căng mặt ngoài của xỉ giảm xuống.
Hình 4.32:
ả
nh hởng của các cấu tử lên sức căng
biên giới giữa xỉ và gang lỏng ở 1500
O
C (Xỉ có
thành phần ban đầu CaO + Al
2
O

3
+ SiO
2
= 100%)

MJ/m
2

Ngoài ra trong các quá trình ép và thiêu kết của luyện kim bột, qúa trình cầu hoá và
biến tính gang, quá trình cán và gia công áp lực kim loại v.v sức căng mặt ngoài của các pha
đều có ảnh hởng đến chất lợng sản phẩm.
Đặc biệt trong tinh luyện kim loại khử bỏ tạp chất phi kim, sự phân tán và hoà tan kim
loại trong xỉ, trong muối nóng chảy, sự hoà tan và loại bỏ khí trong kim loại lỏng, sự tạo mầm,
phát triển và nổi lên của các loại tạp chất, sự thấm kim loại vào xỉ vào vật liệu chịu lửa, sự tách
ly của vỏ xỉ khỏi trục cán hay mối hàn, tinh luyện bằng điện xỉ, sự hình thành kim loại hàn
đắp, sự hình thành cấu trúc kim loại, v.v tất cả đều gắn liền chặt chẽ với sức căng mặt ngoài
của các pha tiếp xúc trong qúa trình.
Các phơng pháp đo sức căng mặt ngoài.
Vì tính chất quan trọng của nó, trong những năm qua hàng chục phơng pháp đo sức
căng mặt ngoài của xỉ và kim loại lỏng đã ra đời và đang đợc tiếp tục hoàn thiện. Các phơng
pháp đo này dựa trên hai nguyên lý động lực học và tĩnh lực học mà chủ yếu bao gồm các
phơng pháp sau:
- Phơng pháp mao dẫn.
- Phơng pháp đứt vòng.
- Phơng pháp áp lực cực đại.
- Phơng pháp giọt treo.
- Phơng pháp giọt nằm.
- Phơng pháp giọt lơ lửng.
Sau đây chúng ta hãy nghiên cứu một vài phơng pháp xác định sức căng mặt ngoài
nói trên.

Đo sức căng mặt ngoài theo phơng pháp áp lực cực đại.












Hình 4.33: Sơ đồ thiết bị đo sức căng mặt ngoài theo phơng pháp áp lực cực đại
1. Bình chứa khí Ar 2. Bình hút ẩm 3. Bình lọc khí 4. Van điều chỉnh
5. áp kế 6. Thiết bị chuyển đổi 7. Máy tự ghi 8. ống mao dẫn bằng Mo
9. Lỗ thoát khí bảo vệ. 10 Nắp lò 11. ống bảo vệ (bằng Mo)
12. Lò nấu chảy 13. Giá đỡ 14. Lớp cách nhiệt
15. Cặp nhiệt 16. Khí bảo vệ 17. Chén đựng mẫu.
Sơ đồ phơng pháp đo đợc giới thiệu ở hình 4.33. Để tạo đợc bề mặt mới trong chất
lỏng thì phải tiêu tốn một công. Công đó tơng ứng với áp lực khí đợc thổi qua ống mao dẫn
tạo bọt khí và cũng tơng ứng với sức căng mặt ngoài của chất nóng chảy cần xác định. ống
mao dẫn phải biết trớc đờng kính, không phản ứng với chất lỏng, chịu đợc nhiệt độ và có
thành đủ mỏng.
Sức căng mặt ngoài đợc tính theo công thức:
).(
4
max
hP
dg

J/m
2

d - đờng kính ống mao dẫn, m
g - gia tốc trọng trờng, m/s
2

P
max
- áp lực khí cực đại để tạo bọt khí, m cột nớc.

- tỉ trọng chất nóng chảy, kg/m
3

h - chiều sâu nhúng ống mao dẫn, m
Đo sức căng mặt ngoài theo phơng pháp giọt nằm
Phơng pháp này dựa trên dạng hình học của một giọt chất lỏng cân bằng trên đế nằm
ngang. Hình dạng giọt là một phơng trình của sức căng bề mặt, khối lợng riêng và trọng
lợng chất lỏng, từ đó sức căng mặt ngoài đợc tính theo công thức:




2
bg


g: gia tốc trọng trờng, m/s

2

: trọng lợng riêng chất lỏng, kg/m
3

b và : các thống số hình học của giọt chất lỏng. Muốn có giá trị b và ngời ta phải
xác định đợc đờng kính lớn nhất X và chiều cao Z của giọt (hình 4.34) Để xác định đợc
kích thớc giọt ta cần phải chụp ảnh rồi đo phim trên máy phóng đại, hoặc đo trực tiếp bằng
kính hiển vi nóng chảy.
Điều kiện đảm bảo kết quả phép đo là chất lỏng không phản ứng với môi trờng và ít
thấm ớt đế. Nh vậy khi đo sức căng mặt ngoài
của kim loại theo phơng pháp này cần phải có
khí bảo vệ nh Ar và phải có đế không thấm ớt
nh graphit nguyên chất. Sau đó dựa vào bảng
lập sẵn của Bassfort và Adam để tính kết quả
cuối cùng.
Phơng pháp giọt nằm thuận lợi cho việc
xác định sức căng mặt ngoài và góc thấm ớt
của chất lỏng ở nhiệt độ cao. Ngoài ra còn có thể
nghiên cứu ảnh hởng của môi trờng, nhiệt độ
lên các tính chất bề mặt của chất lỏng theo
phơng pháp này.




Hình 4.35: Sức căng mặt ngoài
xỉ hệ CaO - Al
2
O

3
- SiO
2
(J/m
2
)





















Hình 4.34: Phơng pháp xác định hình dạng giọt chất lỏng