Gi¶n ®å søc c¨ng mÆt ngoµi cña mét sè hÖ xØ th«ng dông
H×nh 4.37: Søc c¨ng bÒ mÆt cña xØ hÖ CaO - CaF2 - Al2O3(J/m2)
4.3.5. NhiÖt hµm cña xØ.
Trong luyÖn kim nhiÖt hµm cña xØ láng còng cã ¶nh hëng tíi c¸c qu¸ tr×nh c«ng
nghÖ. NhiÖt hµm cña xØ láng ë mét nhiÖt ®é nµo ®Êy lµ lîng nhiÖt cÇn thiÕt ®Ó n©ng mét gam
xØ tõ 00C lªn tíi nhiÖt ®é nãng ch¶y vµ qu¸ tr×nh nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é nµo ®ã.
Khi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nh nhiÖt ®é nÊu luyÖn, thµnh phÇn vµ träng lîng xØ kh«ng
®æi th× lîng tiªu hao nhiªn liÖu cho qu¸ tr×nh nÊu luyÖn tØ lÖ thuËn lîi víi nhiÖt hµm cña xØ.
H×nh 4.36: Søc c¨ng bÒ mÆt cña xØ hÖ CaO - CaF2-
Al2O3
ë 1600OC (J/m2)
NhiÖt hµm cña xØ ®îc tÝnh to¸n theo c«ng thøc:
0
P
0
t
Q C
r¾ndt +
nãng ch¶y +
1
P
o
t
t
C
láng dt
Q: nhiÖt hµm cña xØ, kCal/kg xØ hay Cal/g xØ.
P
r¾n, láng : tØ nhiÖt nãng chy cña xØ.
nãng ch¶y : nhiÖt ®é nãng ch¶y cña xØ.
Trong thùc tÕ viÖc x¸c ®Þnh nhiÖt hµm cña xØ theo c«ng thøc trªn hoÆc dùa vµo gi¸ trÞ
entanpy (H) cña xØ trªn gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt ®Òu gÆp nhiÒu khã kh¨n, nªn ngêi ta thêng
®o nhiÖt hµm cña xØ b»ng nhiÖt lîng kÕ chÝnh x¸c, néi dung chñ yÕu cña ph¬ng ph¸p nµy
lµ:
XØ ®îc nÊu ch¶y vµ qu¸ nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é cÇn x¸c ®Þnh nhiÖt hµm. Gi÷ xØ láng ë
nhiÖt ®é ®ã kho¶ng 20 phót ®Ó ®¶m b¶o c©n b»ng nhiÖt ®é. Nhanh chãng rãt xØ vµo mét chÐn
®ång ®Æt trong nhiÖt lîng kÕ. Trong nhiÖt lîng kÕ ®· cã s½n mét lîng níc x¸c ®Þnh. XØ
láng truyÒn nhiÖt nhanh chãng cho níc lµm nhiÖt ®é níc t¨ng lªn. Khi hÖ thèng c©n b»ng
nhiÖt ta biÕt ®îc sù chªnh lÖch nhiÖt ®é qua nhiÖt kÕ vµ tÝnh ®îc nhiÖt hµm cña xØ mét c¸ch
dÔ dµng.
4.3.6. TØ träng cña xØ.
TØ träng cña xØ lµ tØ sè gi÷a träng lîng m cña mét ®¬n vÞ thÓ tÝch V cña nã:
m
V
§¬n vÞ ®o thêng dïng lµ: g/cm3
Trong luyÖn kim tØ träng cña xØ cã ý nghÜa quan träng vµ ¶nh hëng ®Õn nhiÒu qu¸
tr×nh ho¸ lÝ trong lß. XØ lµ m«i trêng trung gian qua ®ã tiÕn hµnh c¸c phn øng ho¸ häc: thu
håi kim lo¹i quý tõ quÆng vµ lo¹i trõ t¹p chÊt cña kim lo¹i láng.
Nh ®· biÕt tèc ®é l¾ng ®äng cña giät kim lo¹i qua xØ hay tèc ®é næi lªn cña c¸c phÇn
tö t¹p chÊt phi kim lo¹i cã d¹ng trßn vµ trong ®iÒu kiÖn m«i trêng yªn tÜnh tu©n theo ®Þnh luËt
Stoc, nh vËy tèc ®é næi hay l¾ng ch×m phô thuéc kh«ng chØ vµo ®é sÖt mµ cßn phô thuéc vµo
tØ träng cña xØ. Trong trêng hîp c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c kh«ng ®æi th× tØ träng cña xØ cµng nhá tèc
®é ch×m cña giät kim lo¹i cµng lín, sù t¸ch rêi cña kim lo¹i khái xØ cµng dÔ dµng, tæn thÊt kim
lo¹i trong pha xØ cµng Ýt.
TØ träng cña xØ phô thuéc vµo thµnh phÇn còng nh cÊu tróc cña nã. NÕu xØ chøa nhiÒu
oxit kim lo¹i cã tØ träng lín th× tØ träng cña xØ lín, mÆt kh¸c nÕu xØ nhiÒu bät khÝ th× tØ träng xØ
nhá.
TØ träng xØ ë tr¹ng th¸i r¾n vµ láng cã kh¸c nhau, nhng sù kh¸c nhau kh«ng nhiÒu;
cho nªn ngêi ta thêng lÊy tØ träng cña xØ r¾n ®Ó so s¸nh trong viÖc nghiªn cøu tØ träng cña
xØ láng.
Thµnh phÇn ho¸ häc cña xØ thay ®æi rÊt nhiÒu cho nªn tØ träng cña xØ luyÖn kim còng
biÕn ®æi rÊt lín, thêng tõ 2,5 4g/cm3, trong ®ã xØ nÊu ®ång, nÊu ch× vµ xØ lß Mactanh cã tØ
träng lín h¬n c¶.
§Ó tÝnh gÇn ®óng tØ träng cña xØ ta cã thÓ dùa vµo quy t¾c céng tØ träng riªng cña tõng
cÊu tö trong xØ råi lÊy trung b×nh céng theo c«ng thøc
xØ 1 1 2 2
. % ...
100
M O M O
%M1O;%M2O; .....% c¸c oxit cã trong xØ.
1 ; 2 ... tØ träng c¸c oxit t¬ng øng trong xØ
TØ träng cña mét sè oxit (g/cm3)
PbO
9,21
BaO
5,72
SiO
2
4,20
FeO
5,00
Na
2
O 2,27 MnO 5,16
CaO 3,40 Fe
3
O
4
4,54
MgO
3,65
ZnO
5,60
Al
2
O
3
3,68 Cu
2
O 6,00
B¶ng 4.5: TØ träng cña xØ hÖ CaO - Al2O3- SiO2 ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau.
Thµnh phÇn %
TØ träng g/cm
3
CaO
Al
2
O
3
SiO
2
1350
0
1400
0
1450
0
1500
0
1550
0
1 2 3 4 5 6 7 8
35 5 60 2,531 2,526 2,520 2,513 2,507
35 10 55 2,545 2,537 2,530 2,524 2,517
35
15
50
2,554
2,546
2,539
2,532
2,525
35 18 47 2,559 2,550 2,545 2,540 2,533
35 19 46 2,562 2,553 2,547 2,542 2,534
35 20 45 2,563 2,555 2,549 2,543 2,537
40
5
55
2,566
2,559
2,550
2,543
2,535
40 10 50 2,573 2,565 2,559 2,552 2,543
40
13
47
2,586
2,577
2,570
2,562
2,555
40
14
46
2,588
2,581
2,573
2,565
2,558
40 15 45 2,591 2,584 2,576 2,567 2,561
40
20
40
2,604
2,596
2,589
2,581
2,574
45
5
50
2,609
2,601
2,594
2,587
2,580
45 6 49 2,610 2,603 2,595 2,588 2,580
45
8
47
2,613
2,605
2,599
2,591
2,584
45
9
46
2,614
2,606
2,601
2,593
2,585
45 10 45 2,615 2,609 2,602 2,594 2,587
45
15
40
2,62416
2,616
2,603
2,601
2,594
45
20
35
2,628
2,620
2,614
2,607
2,600
50 5 45 2,647 2,640 2,632 2,624 2,617
50
10
40
2,5
67
2,650
2,643
2,635
2,627
50
15
35
-
-
2,656
2,648
2,640
50 20 30 - - - 2,661 2,653
29,4
15,5
55,1
2,501
2,496
2,491
2,486
2,482
30,0
20,0
50,0
2,526
2,521
2,517
2,513
2,508
1 2 3 4 5 6 7 8
32,8 17,2 50,0 2,538 533 2,525 2,524 2,520
32,0
2
2,0
64,0
2,559
2,552
2,546
2,540
2,534
33,4 29,7 46,9 2,593 2,588 2,583 2,578 2,573
31,7 33,3 35,0 2,593 2,588 2,583 2,578 2,573
35,2
18,5
46,3
2,564
2,559
2,554
2,549
2,544
36,8 19,3 43,9 2,575 2,574 2,569 2,564 2,559
35,2 25,9 38,9 2,590 2,586 2,585 2,575 2,570
38,0
20,0
42,0
2,592
2,586
2,580
2,573
2,567
40,0 19,4 40,6 2,604 2,598 2,591 2,584 2,578
41,6 11,4 47,0 2,600 2,593 2,586 2,580 2,574
42,6
11,4
46,0
2,605
2,597
2,590
2,584
2,578
43,6 11,4 45,0 2,609 2,602 2,595 2,583 2,582
45,6 17,6 37,1 2,627 2,620 2,613 2,606 2,598
43,6
18,2
38,2
2,620
2,613
2,606
2,598
2,591
41,9 18,7 39,4 2,614 2,606 2,599 2,592 2,584
B¶ng 4.6: TØ träng cña xØ hÖ FeO - Fe2O3 - SiO2 ë 1295 - 13200C
Thµnh phÇn %
NhiÖt ®é
TØ träng
FeO
Fe
2
O
3
SiO
2
0
C
g/cm
3
63,58
58,32
57,30
54,57
55,12
54,20
52,55
14,95
14,33
14,54
13,75
13,71
14,05
14,40
21,47
27,35
28,16
31,68
31,17
31,75
33,05
1302
1315
1316
1295
1312
1295
1300
4,08
4,04
3,92
3,96
3,84
3,76
3,72
68,79
66,15
64,77
64,01
62,13
60,95
59,07
58,42
57,22
56,24
12,13
11,64
12,92
10,92
10,91
10,77
12,49
12,44
11,75
13,12
19,08
22,21
22,31
25,07
26,96
28,88
28,44
29,14
31,03
30,64
1310
1307
1305
1315
1301
1308
1318
1301
1310
1315
4,06
4,16
4,12
3,92
3,92
4,00
3,68
3,92
3,80
3,68
63,01
54,50
55,07
53,64
50,56
17,61
17,87
16,57
16,79
16,28
19,38
27,63
28,36
29,57
33,16
1314
1320
1302
1305
1302
4,28
3,92
3,84
3,84
3,68
69,42
68,39
64,50
56,80
55,95
8,35
9,23
9,07
9,50
9,40
22,23
22,38
26,43
33,70
34,56
11318
1312
1302
1310
1312
4,08
4,00
3,92
3,68
3,60
64,28
63,95
61,55
13,18
14,02
14,73
22,54
22,03
24,72
1310
1305
1312
4,04
4,04
4,00
4.4.CÊu tróc cña kim lo¹i láng
Trong luyÖn kim c¸c qu¸ tr×nh ho¸ - lÝ x¶y ra chñ yÕu ë tr¹ng th¸i láng vµ s¶n phÈm
thu ®îc nãi chung còng kÕt tinh tõ tr¹ng th¸i láng. V× vËy viÖc nghiªn cøu xØ láng vµ kim lo¹i
láng lµ vÊn ®Ò kh«ng thÓ thiÕu ®îc.
Nãi chung mçi chÊt ®Òu cã thÓ tån t¹i ë 3 tr¹ng th¸i : r¾n, láng, khÝ. Trong 3 tr¹ng th¸i
®ã th× tr¹ng th¸i láng chóng ta biÕt cßn Ýt ái h¬n c¶, nhÊt lµ víi kim lo¹i láng, v× sù phøc t¹p
cña m« h×nh cÊu tróc vµ sù khã kh¨n cña c¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu thùc nghiÖm ë nhiÖt ®é
cao.
Kim lo¹i láng cã cÊu t¹o gÇn gièng víi kim lo¹i r¾n h¬n lµ víi kim lo¹i h¬i. Chóng ta
cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy tõ nh÷ng biÓu hiÖn vÒ tÝnh chÊt cña kim lo¹i ë 3 tr¹ng th¸i.
- ThÓ tÝch cña kim lo¹i láng vµ r¾n kh«ng kh¸c nhau nhiÒu. PhÇn lín kim lo¹i khi nãng
ch¶y thÓ tÝch t¨ng kho¶ng 2 - 6% (trõ Ga vµ Bi gi¶m kho¶ng 3%), ®iÒu ®ã chøng tá mËt ®é,
kho¶ng c¸ch nguyªn tö ë hai tr¹ng th¸i nµy kh«ng kh¸c nhau nhiÒu. Cßn mËt ®é, kho¶ng c¸ch
nguyªn tö ë tr¹ng th¸i h¬i kh«ng cè ®Þnh mµ phô thuéc vµo kÝch thíc kh«ng gian chøa nã.
- NhiÖt nãng chy cña kim lo¹i bÐ vµ b»ng kho¶ng 5 - 10% nhiÖt ho¸ h¬i. §iÒu ®ã nãi
lªn liªn kÕt nguyªn tö ë tr¹ng th¸i láng gÇn tr¹ng th¸i r¾n h¬n lµ tr¹ng th¸i h¬i.
- ë gÇn ®iÓm nãng ch¶y, nhiÖt dung cña tr¹ng th¸i láng chØ kh¸c tr¹ng th¸i r¾n kho¶ng
10%, trong khi ®ã tr¹ng th¸i h¬i kho¶ng 25%. §iÒu nµy cho thÊy dao ®éng nhiÖt cña nguyªn
tö ë tr¹ng th¸i láng gÇn tr¹ng th¸i r¾n h¬n lµ tr¹ng th¸i h¬i (xem b¶ng 4.6 vµ b¶ng 4.7).
- C¨n cø vµo ¶nh nhiÔu x¹ tia R¬ngen cña kim lo¹i láng ë gÇn nhiÖt ®é nãng ch¶y cho
thÊy nhiÒu ®iÓm gièng víi ¶nh cña kim lo¹i r¾n, ngêi ta ®· kh¼ng ®Þnh r»ng trong kim lo¹i
láng c¸c nguyªn tö còng cã sù s¾p xÕp theo mét trËt tù t¬ng ®èi vµ ®©y lµ c¬ së ®Ó nghiªn
cøu lÝ thuyÕt vµ thùc nghiÖm vÒ kim lo¹i láng.
- C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tÝnh chÊt vÒ ®iÖn vµ quang cho thÊy r»ng trong kim lo¹i láng
vÉn cã ®iÖn tö tù do víi sè lîng xÊp xØ thÓ r¾n. NghÜa lµ kim lo¹i láng vÉn cßn tån t¹i d¹ng
liªn kÕt cã liªn quan ®Õn cÊu tróc m¹ng tinh thÓ.
Nh vËy ë gÇn ®iÓm kÕt tinh, trong chÊt láng sù ph©n bè c¸c h¹t cã trËt tù ®Æc trng
cho chÊt r¾n kh«ng biÕn mÊt ®i hoµn toµn mµ chØ mÊt ®i mét phÇn. Trªn c¬ së ®ã ngêi ta ®a
ra hai gi¶ thuyÕt vÒ cÊu t¹o chÊt láng.
Theo "lÝ thuyÕt lç" vÒ cÊu tróc chÊt láng ngêi ta quan niÖm r»ng khi mét chÊt r¾n
nãng ch¶y, thÓ tÝch ®îc t¨ng lªn 10 12%, sù t¨ng thÓ tÝch nµy kh«ng ph¶i chØ do kho¶ng
c¸ch gi÷a c¸c chÊt ®iÓm t¨ng lªn mµ chñ yÕu lµ do xuÊt hiÖn c¸c lç trong dÞch thÓ. Khi chÊt
r¾n bÞ nung nãng liªn tôc th× sè c¸c lç sÏ t¨ng vät v× sù s¾p xÕp c¸c phÇn tö hoµn toµn mÊt trËt
tù. Do ®ã sù khuÕch t¸n cña c¸c phÇn tö qua c¸c lç t¨ng lªn vµ sù hoµ tan còng t¨ng theo. C¸c
lç liªn tôc ®îc t¹o thµnh vµ båi ®¾p nhng còng liªn tôc bÞ ph¸ vì vµ x©y dùng l¹i. MÆc dÇu
khi nãng ch¶y thÓ tÝch vËt chÊt t¨ng lªn, sè phèi vÞ gi¶m ®i nhng kho¶ng c¸ch ë trËt tù gÇn
vÉn gi÷ ®îc. C¸c phÇn tö lóc ®ã gièng tr¹ng th¸i láng ë chç ®îc x¸o trén hçn lo¹n vÒ mÆt
thÓ tÝch, nhng l¹i gièng tr¹ng th¸i r¾n ë chç chóng dao ®éng xung quanh vÞ trÝ c©n b»ng. C¸c
t¸c gi¶ còng cho r»ng chÊt láng cã cÊu tróc gÇn gièng tinh thÓ, mçi phÇn tö chÊt láng ®îc c¸c
phÇn tö kh¸c bao quanh theo trËt tù gÇn gièng nh trong tinh thÓ nhng ë líp bao quanh thø
hai b¾t ®Çu xuÊt hiÖn nh÷ng sai kh¸c so víi trËt tù tinh thÓ vµ ë nh÷ng líp ph©n tö tiÕp theo sù
sai kh¸c trë nªn rÊt lín so víi cÊu tróc tinh thÓ. NghÜa lµ chÊt láng cã trËt tù gÇn, cßn tinh thÓ
cã cÊu t¹o theo trËt tù xa. VËy ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh chÊt láng ®îc coi lµ tinh thÓ ®· biÕn
d¹ng vµ mÊt trËt tù xa. Nh vËy lÝ thuyÕt lç vÒ cÊu t¹o chÊt láng cho r»ng khi nãng chy mçi
nguyªn tö chÊt láng ®îc bao bäc bëi c¸c nguyªn tö kh¸c vµ c¸c lç. Gi¶ thuyÕt nµy kh¸ phï
hîp víi nhËn xÐt vÒ c¸c tÝnh chÊt ®éng häc nh t¨ng ®é khuyÕch t¸n, gi¶m ®é sÖt khi vËt chÊt
nãng ch¶y. Nh÷ng hiÖn tîng ®ã ®îc gi¶i thÝch lµ do tån t¹i c¸c lç trèng trong dÞch thÓ. Tuy
vËy nªn hiÓu mét c¸ch tæng qu¸t h¬n r»ng, trong kim lo¹i láng cßn cã c¸c kho¶ng trèng gi÷a
c¸c nguyªn tö chø kh«ng chØ ®¬n thuÇn c¸c lç trèng.
LÝ thuyÕt thø hai vÒ dÞch thÓ l¹i cho r»ng: dÞch thÓ lµ tËp hîp nh÷ng thÓ tÝch nhá cña
c¸c tinh thÓ ®îc gäi lµ "côm". Mçi côm kh«ng qu¸ vµi chôc ph©n tö ®îc ®Þnh híng mét
c¸ch kh«ng x¸c ®Þnh .. "lÝ thuyÕt côm" coi dÞch thÓ nh mét chÊt r¾n vi tinh thÓ. LÝ thuyÕt nµy
gi¶i thÝch ®îc d¹ng ®êng cong cña hµm ph©n bè theo t©m vµ mét sè tÝnh chÊt cña dÞch thÓ
nh kh«ng bÞ biÕn ®æi ®ét ngét khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i r¾n. Tuy nhiªn lÝ
thuyÕt côm kh«ng gi¶i thÝch ®îc ®óng ®¾n c¸c tÝnh chÊt do ¶nh hëng cña sù hçn lo¹n nh
®é ch¶y láng, sù chuyÓn ®éng khuÕch t¸n trong chÊt láng. Ngoµi ra còng khã chøng minh
®îc r»ng, cã c¸c côm vi tinh thÓ l¹i bÒn v÷ng ®îc trong khi ë biªn giíi tiÕp xóc gi÷a chóng
c¸c côm ®ã l¹i ®îc ®Þnh híng kh¸c nhau. Tuy vËy m« h×nh nµy cã thuËn lîi c¬ b¶n lµ ®îc
biÓu thÞ b»ng d¹ng to¸n häc rÊt ®¬n gi¶n vµ v× vËy nã vÉn ®îc tån t¹i tíi hiÖn nay. C¸c nghiªn
cøu vÒ sau l¹i cho r»ng c¸c côm lu«n lu«n xuÊt hiÖn vµ biÕn mÊt theo mét x¸c suÊt nhÊt ®Þnh.
Khi ®ã c¸c nguyªn tö ë côm nµy cã thÓ l¹i chuyÓn sang côm kh¸c míi h×nh thµnh. Do vËy xÐt
tõng thêi ®iÓm ë t©m côm sù s¾p xÕp c¸c nguyªn tö gÇn gièng nh cÊu t¹o tinh thÓ nhng cµng
ra ngoµi møc ®é trËt tù cµng gi¶m ®i.
LÝ thuyÕt côm thùc chÊt lµ sù bæ sung lÝ thuyÕt lç. Nã phï hîp víi nhiÒu sè liÖu thùc
nghiÖm vµ cho phÐp gi¶i thÝch nhiÒu hiÖn tîng trong thùc tÕ luyÖn kim mµ nhÊt lµ cho phÐp
m« t¶ cÊu tróc cña c¸c hîp kim.
§Ó nghiªn cøu cÊu tróc chÊt láng ngêi ta thêng dùa trªn sù khuÕch t¸n hoÆc truyÒn
tia X, hay khuÕch t¸n trung tö hoÆc ®iÖn tö, trong ®ã ph¬ng ph¸p khuÕch t¸n tia X ®îc dïng