Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4

Chia sẻ: Little Duck | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

194
lượt xem 54
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 như truyền nhiệt và các tác dụng khối lượng của các cấu tử cũng liên quan chặt chẽ với độ sệt của xỉ, các quá trình oxi hoá tạp...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4

H×nh 4.12: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i xØ hÖ CaO - MgO - SiO2 4.3.2. §é sÖt cña xØ. §Ó s¶n xuÊt gang thÐp vµ c¸c hîp kim thuËn lîi, cÇn t¹o ra trong lß, c¸c thiÕt bÞ tinh luyÖn nh÷ng xØ láng, linh ®éng vµ ch¶y lo·ng tèt. §é sÖt lµ mét trong nh÷ng tÝnh chÊt vËt lÝ quan träng cña xØ. §é sÖt biÓu thÞ mét møc ®é tÝnh ch¶y láng cña dÞch thÓ vµ cÊu tróc bªn trong cña nã. Nh÷ng tÝnh chÊt kü thuËt quan träng nh truyÒn nhiÖt vµ c¸c t¸c dông khèi lîng cña c¸c cÊu tö còng liªn quan chÆt chÏ víi ®é sÖt cña xØ, c¸c qu¸ tr×nh oxi ho¸ t¹p chÊt vµ chuyÓn s¶n phÈm ph¶n øng vµo xØ, ®é sÖt cã vai trß quyÕt ®Þnh. §iÒu ®ã chøng tá mèi liªn hÖ ngîc gi÷a gi¸ trÞ ®éng häc cña ®é sÖt vµ hÖ sè khuy Õch t¸n cña c¸c cÊu tö trong xØ. §é sÖt biÓu thÞ trë lùc khi x¸o trén c¸c chÊt ®iÓm bªn trong dÞch thÓ khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i c©n b»ng nµy sang tr¹ng th¸i c©n b»ng kh¸c. §é sÖt ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
dv F =  S dy dv F: lµ lùc cÇn thiÕt ®Ó t¹o ra gi÷a 2 líp cã ®iÖn tÝch S mét gradient tèc ®é dy d v: lµ chªnh lÖch tèc ®é gi÷a 2 líp. dy: lµ kho¶ng c¸ch gi÷a 2 líp. : lµ ®é sÖt (poa) §é sÖt cã ¶nh hëng râ rÖt tíi tèc ®é khuyÕch t¸n cña c¸c phÇn tö. Trong ®iÒu kiÖn kh«ng chuyÓn ®éng th× mèi quan hÖ gi÷a hÖ sè ®é sÖt  vµ hÖ sè tèc ®é khuyÕch t¸n D cm2/ sec, ®îc biÓu thÞ nh sau:  D = const. nghÜa lµ tèc ®é khuyÕch t¸n tØ lÖ nghÞch víi ®é sÖt. Khi líp xØ ch¶y rèi, nÕu ®é sÖt cña xØ t¨ng lªn sÏ lµm gi¶m tèc ®é truyÒn khèi cña c¸c cÊu tö do gi¶m bít cêng ®é x¸o trén. §é sÖt cña xØ phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn cña nã. Khi t¨ng nhiÖt ®é ®é sÖt cña xØ gi¶m xuèng. Quan hÖ ®ã ®îc biÓu thÞ theo ph¬ng tr×nh:  = A.exp (En/RT) A: h»ng sè ®Æc trng cho tõng dÞch thÓ. exp: sè mò víi c¬ sè e cña log tù nhiªn (y = epx Z ®îc viÕt díi d¹ng y = eZ) E: ho¹t n¨ng cña dßng ch¶y. §é sÖt thay ®æi theo thµnh phÇn vµ nhiÖt ®é cña xØ, vÝ dô xØ lß cao ë 1500OC cã ®é sÖt kho¶ng 5 poa, xØ kiÒm lß thÐp ë 1550 - 1650OC cã ®é sÖt kho¶ng 2 poa vµ khi nhiÖt ®é gi¶m, ®é sÖt cñ© xØ t¨ng m¹nh. §Ó dÔ so s¸nh cÇn nhí r»ng ®é sÖt cña níc nguyªn chÊt ë 20 OC kho¶ng 0,01 poa vµ cña thÐp láng ë 1600OC kho¶ng 0,40 poa. XØ kiÒm luyÖn thÐp khi t¨ng hµm lîng CaO vµ nhÊt lµ MgO th× ®é sÖt t¨ng lªn rÊt nhiÒu. LÝ do t¨ng lµ do trong xØ xuÊt hiÖn c¸c h¹t huyÒn phï cã kÝch thíc nhá kho¶ng 10-3 + 10 -2 mm, chÝnh chóng lµm t¨ng "®é sÖt ¶o" cña xØ. C¸c chÊt ®iÓm kh«ng tan trong xØ nµy cã thÓ lµ c¸c tinh thÓ periclase (MgO), v«i vµ oxit cr«m. §é sÖt cña xØ kiÒm gi¶m xuèng rÊt m¹nh khi t¨ng hµm lîng CaF 2, v× vËy huúnh th¹ch ®îc sö dông phæ biÕn trong c¸c xØ ®Ó tinh luyÖn kim lo¹i b»ng ph¬ng ph¸p ®iÖn xØ. §é sÖt cña xØ kiÒm còng gi¶m xuèng khi t¨ng hµm lîng F2O3, SiO2, Al2O3, CaF2 v× cÊu tö nµy thóc ®Èy sù hoµ tan CaO, MgO trong xØ (h×nh 4 -12). §é sÖt cña xØ axit cao h¬n ®é sÖt cña xØ kiÒm rÊt nhiÒu vµ nã l¹i gi¶m khi hµm lîng cña CaO, FeO,... t¨ng. C¸c ph¬ng ph¸p ®o ®é sÖt cña xØ. Cã rÊt nhiÒu ph¬ng ph¸p ®o ®é sÖt, nhng ë nhiÖt ®é cao trong c¸c ngµnh luyÖn kim vµ silic¸t thêng chñ yÕu sö dông c¸c ph¬ng ph¸p sau ®©y: - Ph¬ng ph¸p mao dÉn. - Ph¬ng ph¸p vËt r¬i. - Ph¬ng ph¸p kÐo bi. - Ph¬ng ph¸p quay. - Ph¬ng ph¸p dao ®éng. Sau ®©y chóng ta nghiªn cøu mét vµi ph¬ng ph¸p dÔ cã ®iÒu kiÖn øng dông vµ cho kÕt qu¶ chÝnh x¸c. §o ®é sÖt theo ph¬ng ph¸p mao dÉn. Ph¬ng ph¸p nµy dùa vµo thêi gian ch¶y cña mét thÓ tÝch xØ láng qua mét èng mao dÉn. Tõ kÝch thíc èng mao dÉn, thÓ tÝch xØ láng ch¶y qua èng vµ thêi gian ch¶y ta cã thÓ tÝnh ®îc ®é sÖt (xem h×nh 4.13). Theo c«ng thøc : r 2 Pt H = 8VI : ®é sÖt, poa.
r: b¸n kÝnh èng, cm I: ChiÒu dµi èng mao dÉn, cm V: ThÓ tÝch xØ ch¶y ra, cm3 t: Thêi gian ch¶y ,s P: ¸p suÊt nåi ®ùng xØ, dyn/cm2 H: HÖ sè hiÖu chØnh. dyn.s (poa lµ ®¬n vÞ ®é sÖt cò cã thø nguyªn lµ , theo hÖ ®o lêng míi ®é sÖt cã thø cm 2 N .s nguyªn lµ = Pa.s ) m2 CÇn nót Møc H×nh 4.13: S¬ ®å do ®é sÖt cña xØ theo ph¬ng ph¸p mao dÉn XØ láng èng mao dÉn §o ®é sÖt theo ph¬ng ph¸p quay. ThiÕt bÞ ®o b ao gåm 1 nåi ®ùng chÊt nãng Nåi høng ch¶y, mét trùc quay cã g¾n khèi trô ®Ó nhóng vµo chÊt nãng ch¶y, trôc quay ®îc nèi liÒn víi thiÕt bÞ ®o vµ m«men quay, (xem 4.14). Dùa trªn quan hÖ gi÷a ®é sÖt vµ m«men quay, ngêi ta tÝnh to¸n ®é sÖt chÊt nãng ch¶y theo c«ng thøc sau: M1 1  2  2 = 8 nh   i H ra  2   : ®é sÖt, Poa h: chiÒu cao khèi trô, cm ri: B¸n kÝnh khèi trô, cm ra: b¸n kÝnh trong nåi, cm M: M«men quay, dyn/cm n: sè vßng quay, 1/s.
H×nh 4.14: S¬ ®å ®o ®é sÖt cña xØ theo ph¬ng ph¸p quay. a. Trôc quay; b. Nåi quay §é ®o sÖt b»ng ph¬ng ph¸p rung ®éng ®iÖn. GÇn ®©y ngêi ta ®· chÕ t¹o thiÕt bÞ ®o ®é sÖt cña xØ b»ng ph¬ng ph¸p rung ®éng ®iÖn. KÕt qu¶ ®o chÝnh x¸c vµ thiÕt bÞ ®o cã thÓ l¾p ®Æt ®îc theo s¬ ®å h×nh 4.15. Sè liÖu thêng ®äc ®îc trªn ®ång hå mµ kh«ng ph¶i tÝnh to¸n. 1. M¸y ph¸t tÇn sè. 2 . m¸y t¹o ph¸ch ®¶o. 3. V«n kÕ ®iÖn tö. 4. æn ¸p. 5. V«n kÕ. 6. V«n kÕ. 7. Gi¸ ®ì. 8. §ång hå ®o. 9. Cöa khÝ b¶o vÖ ra 10. N¾p ®Ëy. 11. èng b¶o vÖ b»ng M0. 12. Lß M«lip®en. 13. Trôc Molip®en. 14. C¸ch nhiÖt. 15. CÆp nhiÖt . 16. Cöa khÝ b¶o vÖ vµo. 17. MÉu xØ. H×nh 4.15: S¬ ®å thiÕt bÞ ®é sÖt cña xØ theo ph¬ng ph¸p rông ®éng ®iÖn
H×nh 4.16: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al2O3 - SiO2 cã 100% MnO ë 1400OC (Poa)
H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al2O3 - CaF2 ë 1600 oC, Pa.s
a) b) H×nh 4.17: §é sÖt xØ hÖ CaO - Al2O3 - SiO2 , Poa a. ë 1400OC b. ë 1600 OC
H×nh 4.19: §é sÖt xØ hÖ CaO - CaF2 - La2O3 ë 1500OC ( Poa) H×nh 4.20: §é sÖt xØ hÖ CaO - MgO -SiO2 ë 1500OC ( Poa)
H×nh 4.21: §é sÖt xØ hÖ CaO - SiO2 - Al2O3 cã 10% MgO ë 1500OC (Poa)
H×nh 4.22: NhiÖt ®é ch¶y oC vµ ®é sÖt xØ hÖ. CaO - MgO - SiO2 - Al2O3 ë 1450OC (Poa) a. Khi Al2O3 = 5%; b. Khi Al2O3 = 10%; c. Khi Al2O3 = 15%;
H×nh 4.23: §é sÖt xØ hÖ CaO - FeO - SiO2 (a). cã 5% Al2O3 (b). cã 15% Al2O3 ë 1300OC (poa)
ë 1600 C (Pa.s) H×nh 4.25: §é sÖt xØ hÖ CaO - MnO - SiO2 ë 1400OC (Poa) 4.3.3. §é dÉn ®iÖn cña xØ. §é dÉn ®iÖn biÓu thÞ kh¶ n¨ng cho dßng ®iÖn ch¹y qua cña c¸c chÊt. V× xØ láng lµ chÊt dÉn ®iÖn li nªn nã dÉn ®iÖn. §é dÉn ®iÖn cña xØ láng lµ mét ®Æc tÝnh quan träng. Nã phô thuéc vµo ®é linh ®éng cña c¸c ion, nhÊt lµ c¸c cation. Nh ®· biÕt, xØ luyÖn kim thuéc nhãm dÉn ®iÖn lo¹i hai, kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn phô thuéc vµo sè lîng, chñng lo¹i vµ sù chuyÓn ®éng cña ion trong xØ. Nãi c¸ch kh¸c, kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn cña xØ ®îc quyÕt ®Þnh bëi ®é ph©n li, ®êng kÝnh vµ ®iÖn tÝch c¸c ion, còng nh t¸c dông t¬ng hç vµ tèc ®é chuyÓn ®éng cña chóng trong xØ. §é dÉn ®iÖn cña xØ láng lµ mét ®Æc trng vÒ tÝnh vËt lÝ ®îc dïng ®Ó nghiªn cøu cÊu tróc cña nã. Ngoµi ra ®é dÉn ®iÖn cßn ®îc øng dông trong c¸c qu¸ tr×nh luyÖn kim ë lß ®iÖn. ThÝ dô trong qu¸ tr×nh tinh luyÖn b»ng ®iÖn xØ, nhiÖt to¶ ra trong qu¸ tr×nh lµ do ®iÖn trë líp xØ. TÝnh dÉn ®iÖn cña xØ cã thÓ lµ nguyªn nh©n g©y ra sù chuyÓn ®éng cña c¸c ®iÖn tö, ion, hay ®ång thêi c¶ hai d¹ng trªn trong xØ. Sù dÉn ®iÖn b»ng ion cña xØ kh¸c víi sù dÉn ® iÖn b»ng ®iÖn tö ë kim lo¹i hay hîp kim lµ ë chç sù dÉn ®iÖn b»ng ion cã liªn quan tíi sù chuyÓn vËn khèi cña chÊt nãng ch¶y vµ sù ph¸t triÓn cña c¸c ph¶n øng ®iÖn cùc trong trêng hîp ®iÖn ph©n, nhê ®ã ta x¸c ®Þnh ®îc lîng cña tõng cÊu tö theo trÞ sè vÒ cêng ®é dßng ®iÖn ®i ra.
Nh ®· biÕt hiÖu suÊt dßng ®iÖn ®i ra b»ng tØ sè s¶n phÈm thùc thu khi ®iÖn ph©n, chia cho tæng lîng cña nã theo ®Þnh luËt Faraday. §é dÉn ®iÖn thay ®æi theo cÊu tróc vµ thµnh phÇn cña xØ, vÝ dô xØ silic¸t, khi thay c¸c ph©n tö FeO hay MnO b»ng CaO th× ®é dÉn ®iÖn cña xØ nµy gi¶m xuèng, ®ã lµ v× c¸c cation Ca2+ cã b¸n kÝnh ion lín h¬n nªn kÐm linh ®éng h¬n c¸c cation Fe2+ vµ Mn2+. Khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é dÉn ®iÖn cña xØ t¨ng lªn, quan hÖ ®ã tu©n theo biÓu thøc:  = A.e - E/RT : ®é dÉn ®iÖn cña xØ. A: h»ng sè phô thuéc vµo b¶n chÊt dÞch thÓ. E: ho¹t n¨ng x¸o trén c¸c cation. Gi÷a ®é dÉn ®iÖn vµ ®é sÖt cña xØ cã quan hÖ nghÞch, nghÜa lµ khi ®é sÖt t¨ng th× ®é dÉn ®iÖn gi¶m vµ ngîc l¹i, quan hÖ ®ã ®îc biÓu thÞ theo biÓu thøc:  n  const ; n >1 Lîi dông tÝnh dÉn ®iÖn cña xØ ngêi ta ®· ®Ò ra mét ph¬ng ph¸p gi¶m lu huúnh trong kim lo¹i b»ng c¸ch cho t¸c dông dßng ®iÖn mét chiÒu vµo kim lo¹i láng tiÕp xóc víi xØ. Khi ®ã c¸c anion S2- sÏ ch¹y vÒ cùc d¬ng, nghÜa lµ chuyÓn tõ kim lo¹i vµo xØ. Khi cã t¸c dông cña mét ®iÖn trêng bªn ngoµi th× sù dÉn ®iÖn cña xØ chñ yÕu do c¸c ion tù do g©y ra, ®ã chÝnh lµ c¸c cation kim lo¹i Me2+ ®¬n gi¶n. Khi xØ láng b¾t ®Çu xuÊt hiÖn mÇm kÕt tinh bÊt ®¼ng híng th× ®é dÉn ®iÖn cña nã gi¶m xuèng ®ét ngét, ®ã chÝnh lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu kÕt tinh vµ khi xØ ®«ng ®Æc hoµn toµn th× ®é dÉn ®iÖn cña nã cã gi¸ trÞ rÊt nhá. V× vËy cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt ®é nãng ch¶y cña xØ b»ng c¸ch gi¸n tiÕp th«ng qua ®o ®iÖn trë suÊt cña nã. C¸c ph¬ng ph¸p ®o ®é dÉn ®iÖn cña xØ. §Ó thuËn lîi trong viÖc x¸c ®Þnh ®é dÉn ®iÖn cña xØ, th«ng thêng ngêi ta ®o ®¹i lîng nghÞch ®¶o cña nã lµ ®iÖn trë. Ngµy nay hÇu hÕt c¸c c¸ch ®o ®iÖn trë cña xØ ®Òu dùa theo 3 ph¬ng ph¸p sau: - Th«ng qua dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p råi tÝnh to¸n ®iÖn trë. - §o trùc tiÕp ®iÖn trë b»ng cÇu ®o. - §o ®iÖn trë theo ph¬ng ph¸p 2 hoÆc 4 cùc. ThiÕt bÞ ®o bao gåm nåi ®ùng xØ láng ®ãng vai trß mét ®iÖn cùc, cßn ®iÖn cùc thø hai ®îc nhóng th¼ng vµo trung t©m nåi xØ (h×nh 4.26A). §o theo ph¬ng ph¸p nµy cã thuËn lîi lµ c¸c ®iÖn cùc kh«ng cÇn c¸ch ®iÖn lÉn nhau, ®iÒu mµ ë nhiÖt ®é cao rÊt khã thùc hiÖn, nhng viÖc x¸c ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt ®iÖn cùc, trung t©m nåi xØ vµ chiÒu s©u ®iÖn cùc nhóng vµo xØ gÆp nhiÒu khã kh¨n. Ph¬ng ph¸p thø hai ®Ó ®o lµ nhóng c¶ hai ®iÖn cùc vµo trong xØ, (h×nh4.26B). C¸c ®iÖn cùc cã thÓ ë d¹ng trßn hay tÊm. Ph¬ng ph¸p nµy cã thuËn lîi lµ dÔ chÕ t¹o hai ®iÖn cùc cã bÒ mÆt b»ng nhau, ngoµi ra cßn cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÖn cùc. §Ó tr¸nh ¶nh hëng cña dßng ®iÖn m¹ch nh¸nh cÇn ®Æt c¸c ®iÖn cùc xa thµnh nåi ®ùng xØ. Ph¬ng ph¸p thø ba lµ dïng mét ®iÖn cùc vßng cßn ®iÖn cùc thø hai ®îc ®Æt ë trung t©m ®iÖn cùc vßng (h×nh 4.26 C) Ph¬ng ph¸p nµy lo¹i trõ ®îc ¶nh hëng cña thµnh nåi nhng l¹i xuÊt hiÖn sai lÖch do sù kh¸c nhau cña bÒ mÆt ®iÖn cùc. Ph¬ng ph¸p thø t lµ nhóng c¶ 4 ®iÖn cùc vµo xØ láng (h×nh 4.26 D). Theo nguyªn t¾c nµy kÕt qu¶ thu ®îc chÝnh x¸c h¬n vµ thiÕt bÞ ®o còng ®¬n gi¶n h¬n. ViÖc lùa chän vËt liÖu lµm ®iÖn cùc ®Ó ®o ®iÖn trë cña xØ rÊt phøc t¹p, v× ph¶i ®¸p øng ®îc hµng lo¹t yªu cÇu nghiªm ngÆt, vÝ du: - Cã ®iÖn trë riªng nhá. - Kh«ng thay ®æi tr¹ng th¸i trong kho¶ng nhiÖt ®é thÝ nghiÖm. - Kh«ng cã t¸c dông ho¸ - lý víi xØ vµ kh«ng bÞ xØ hoµ tan. Hai yªu cÇu ®Çu cã nhiÒu vËt liÖu ®¸p øng ®îc, yªu cÇu thø ba khi lµm viÖc víi xØ chøa flo ¨n mßn m¹nh th× thùc tÕ kh«ng cã vËt liÖu nµo hoµn toµn bÒn v÷ng. §iÖn cùc cã thÓ ë thÓ láng hoÆc thÓ r¾n. Khi ®o ®é dÉn ®iÖn c¸c xØ hÖ CaO - SiO2 thêng dïng ®iÖn cùc b»ng b¹c cßn ®èi víi c¸c xØ hÖ CaF2 - CaO - Al2O3 ph¶i dïng ®iÖn cùc b»ng M«lip®en, platin, wonfram, indi, hoÆc graphit.
H×nh 4.26: S¬ ®å nguyªn lÝ do ®iÖn trë cña xØ láng. 1. §iÖn cùc; 2. Nåi ®ùng xØ; 3. XØ láng. H×nh 4.27: S¬ ®å cÊu t¹o thiÕt bÞ ®o ®iÖn trë cña xØ (theo ph¬ng ph¸p nhóng c¶ 2 ®iÖn cùc vµo xØ láng h×nh 4.26B) Gi¶n ®å ®é dÉn ®iÖn cña mét sè hÖ xØ th«ng dông V 1 - æn ¸p 2 - M¸y ph¸t 3 - V«n kÕ ®iÖn tö. 4 - §iÖn trë so s¸nh 5 - C«ng t¾c chuyÓn m¹ch 6 - Gi¸ ®ì 7 - Lß nÊu ch¶y xØ. 8 - ChÐn ®ùng xØ. 9 - XØ láng. 10 - Gi¸ ®ì ®iÖn cùc. 11 - §iÖn cùc. 12 - CÆp nhiÖt 13 - C¸ch nhiÖt H×nh 4.28: §é dÉn ®iÖn cña xØ hÖ CaO - Al2O3 - CaF2 ë 1600OC ( -1.cm-1)
H×nh 4.29: §é dÉn ®iÖn cña xØ hÖ Al2O3 - MgO - SiO2 c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau ( -1.cm-1) 4.3.4. Søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ. Trong xØ láng, c¸c ph©n tö (nguyªn tö, ph©n tö, ion) t¬ng t¸c lÉn nhau, c¸c ph©n tö ë bªn trong thÓ tÝch cã lùc t¬ng t¸c c©n b»ng, c¸c phÇn tö ë mÆt ngoµi cha ®îc c©n b»ng lùc vµ cã lùc tæng hîp híng vµo trong (xem h×nh 4.30) H×nh 4.30: S¬ ®å biÓu thÞ lùc hÊp dÉn ë bªn trong vµ ë bÒ mÆt vËt chÊt. Do sù mÊt c©n b»ng vÒ lùc t¸c dông t¬ng hç lÉn nhau cña c¸c phÇn tö ë b Ò mÆt mµ ph¸t sinh søc c¨ng mÆt ngoµi hay søc c¨ng bÒ mÆt. Nh vËy khi ®a mét phÇn tö ë trong ra
ngoµi bÒ mÆt xØ láng cÇn ph¶i tiªu tèn mét c«ng. C«ng ®Ó t¹o ra mét mÆt ngoµi cã diÖn tÝch 1 m2 gäi lµ søc c¨ng mÆt ngoµi vµ ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc. A  (J/m2, ®¬n vÞ cò lµ erg/cm2 h ay dyn/cm) S : Søc c¨ng mÆt ngoµi khi pha xØ tiÕp xóc víi pha khÝ A: C«ng, N S: DiÖn tÝch , m2 Søc c¨ng mÆt ngoµi lµ mét trong nh÷ng tÝnh chÊt vËt lÝ quan träng cña xØ nªn ®· vµ ®ang ®îc nghiªn cøu kü lìng. Søc c¨ng bÒ mÆt cã ¶nh hëng vµ nhiÒu khi lµ quyÕt ®Þnh c¸c qu¸ tr×nh trong luyÖn kim nh tèc ®é vµ c¬ chÕ qu¸ tr×nh oxy ho¸, hoµn nguyªn, th¨ng hoa, sù tæn thÊt cña kim lo¹i theo xØ, sù hÊp thô c¸c t¹p chÊt phi kim, tèc ®é hoµ tan cña liÖu vµ trî dung còng nh sù ¨n mßn vËt liÖu chÞu löa cña xØ. Søc c¨ng mÆt ngoµi tØ lÖ víi ¸p suÊt néi, do ®ã lùc t¬ng t¸c gi÷a c¸c phÇn tö trong chÊt láng cµng lín th× søc c¨ng bÒ mÆt cµng cao, cao nhÊt lµ chÊt láng cã liªn kÕt ion, sau ®ã lµ liªn kÕt cã cùc vµ liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ. Tõ gi¸ trÞ søc c¨ng mÆt ngoµi cña c¸c chÊt nãng ch¶y chóng ta cã thÓ suy ra cÊu tróc bªn trong cña chóng, vÝ dô tõ gi¸ trÞ søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ ®o ®îc b»ng thùc nghiÖm thêng kh¸ lín 300 - 500 MJ/m2 cho phÐp ngêi ta kÕt luËn r»ng: xØ láng bao gåm c¸c ion. ChÝnh v× lùc t¬ng t¸c gi÷a c¸c ion nµy lín nªn ®· biÓu hiÖn ra søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ kh¸ lín. Trong trêng hîp xØ láng tiÕp xóc víi mét pha kh¸c nh kim lo¹i láng hoÆc têng lß th× t¹i mÆt tiÕp xóc còng xuÊt hiÖn søc c¨ng vµ ®Ó ph©n biÖt víi søc c¨ng mÆt ngoµi nãi trªn, ë ®©y ®îc gäi lµ søc c¨ng biªn giíi (xem h×nh 4.31) H×nh 4.31: S¬ ®å biÓu thÞ søc c¨ng biªn giíi gi÷a xØ vµ kim lo¹i láng S: Søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ. M: Søc c¨ng mÆt ngoµi cña kim lo¹i. MS: Møc c¨ng biªn giíi gi÷a 2 pha kim lo¹i - xØ  : Gãc thÈm ít gi÷a 2 pha kim lo¹i - xØ Søc c¨ng biªn giíi kim lo¹i - xØ ®îc tÝnh theo biÓu thøc: 2 2 2  MS   M   S  2 M  S cos  M  1100  1600 MJ/m2 Trong luyÖn thÐp,  S  300  500 MJ/m2  MS  300  800 MJ/m2 Khi hai chÊt láng kh¸c lo¹i tiÕp xóc nhau, vÝ dô xØ vµ thÐp sÏ xuÊt hiÖn øng suÊt gi÷a c¸c pha, tøc lµ n¨ng lîng tù do gi÷a c¸c pha. Nã ®Æc trng cho sù b¸m dÝnh, tøc lµ sù b¸m dÝnh c¸c líp bÒ mÆt cña c¸c dÞch thÓ víi nhau. C«ng b¸m d Ýnh lµ c«ng cÇn tiªu tèn ®Ó t¸ch mét ®¬n vÞ bÒ mÆt chÊt láng nµy khái bÒ mÆt chÊt láng kh¸c. Trong luyÖn kim søc c¨ng biªn giíi kim lo¹i - xØ  MS thêng cã gi¸ trÞ lín, nghÜa lµ c«ng b¸m dÝnh Wa gi÷a xØ vµ kim lo¹i, Wa = M + S - MS thêng cã gi¸ trÞ nhá, nªn viÖc t¸ch kim lo¹i khái xØ thuËn lîi. CÇn chó ý r»ng tÊt c¶ c¸c yÕu tè ¶nh hëng lµm t¨ng c«ng b¸m dÝnh Wa ®Òu lµm cho kim lo¹i khã t¸ch khái xØ, lµm t¨ng tæn thÊt kim lo¹i theo xØ vµ dÔ g©y nhiÔm bÈn kim lo¹i bëi xØ.
Søc c¨ng bÒ mÆt vµ søc c¨ng biªn giíi thay ®æi theo thµnh phÇn vµ nhiÖt ®é, khi nhiÖt ®é t¨ng th× c¸c ®¹i lîng nµy gi¶m, 2 cßn ¶nh hëng cña thµnh phÇn th× MJ/m hÕt søc phøc t¹p. VÝ dô khi nghiªn cøu ¶nh hëng cña thµnh phÇn xØ lªn søc c¨ng biªn giíi gang vµ xØ lß cao ngêi ta ®· nhËn thÊy r»ng: víi thµnh phÇn xØ c¬ b¶n cã Al2O3 + CaO + SiO2 = 100%, khi t¨ng hµm lîng CaO vµ Al2O3 th× søc c¨ng biªn giíi gang -xØ t¨ng lªn, ngîc l¹i khi t¨ng hµm lîng MnO vµ ®Æc biÖt lµ FeO th× søc c¨ng biªn giíi gi¶m m¹nh (h×nh 4 - 32). Trong luyÖn thÐp, søc c¨ng H×nh 4.32: ¶nh hëng cña c¸c cÊu tö lªn søc c¨ng biªn giíi gi÷a xØ vµ thÐp láng, nãi biªn giíi gi÷a xØ vµ gang láng ë 1500OC (XØ cã chung cã gi¸ trÞ lín: 1100 1600 thµnh phÇn ban ®Çu CaO + Al2O3 + SiO2 = 100%) MJ/m2. Khi t¨ng hµm lîng CaC2 trong xØ tíi 4 - 6% c«ng b¸m dÝnh gi÷a xØ vµ kim lo¹i t¨ng lªn, trªn 800 MJ/m2. Do ®ã lµm cho xØ khã t¸ch khái thÐp vµ thÐp dÔ nhiÔm bÈn bëi xØ. Nh ta ®· biÕt, tÊt c¶ c¸c ph¶n øng ho¸ häc, c¸c qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ còng nh c¸c qu¸ tr×nh dÞ thÓ ®Òu x¶y ra th«ng qua bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c pha. Nh vËy hiÖn tîng bÒ mÆt cã ¶nh hëng ®Õn tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh. Tèc ®é c¸c qu¸ tr×nh luyÖn kim liªn quan víi nh÷ng phÇn tö ho¹t ®éng bÒ mÆt cña c¸c cÊu tö nãng ch¶y còng nh cÊu tróc vµ tÝnh chÊt líp bÒ mÆt cña chóng. HiÖn tîng ®iÖn mao dÉn ®ãng vai trß quan träng trªn biªn giíi ph©n pha kim lo¹i - xØ khi cã dßng ®iÖn ch¹y qua. Søc c¨ng biªn giíi bÞ thay ®æi theo møc ®iÖn thÕ kh¸c nhau, do ®ã cã thÓ ®iÒu chØnh híng cña qu¸ tr×nh theo híng cÇn thiÕt: t¨ng hay gi¶m søc c¨ng biªn giíi kim lo¹i - xØ. NÕu ta t¨ng søc c¨ng nµy th× kh¶ n¨ng hoµ tan cña kim lo¹i trong xØ, khèi lîng chuyÓn chÊt gi÷a chóng vµ tÝnh thÊm ít cña kim lo¹i vµ xØ gi¶m xuèng. Khi hµn vµ khi nÊu luyÖn líp xØ còng nh khi tinh luyÖn theo ph¬ng ph¸p ®iÖn xØ... do ¶nh hëng cña hiÖn tîng ®iÖn mao dÉn mµ ®Æc ®iÓm chuyÓn chÊt kim lo¹i ®iÖn cùc, sù ch¶y loang cña xØ vµ tèc ®é x¶y ra qu¸ tr×nh luyÖn kim bÞ thay ®æi. §éng häc cña nhiÒu qu¸ tr×nh luyÖn kim, vÝ dô nh qu¸ tr×nh t¹o thµnh pha míi ban ®Çu cã sù th¨ng gi¸ng kh«ng æn ®Þnh vÒ nhiÖt ®éng ®Ó t¹o mÇm pha míi. X¸c suÊt th¨ng gi¸ng ®îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng cÇn thiÕt ®Ó h×nh thµnh nã, c«ng nµy g¾n liÒn víi bÒ mÆt riªng cña mÇm vµ phô thuéc vµo søc c¨ng biªn giíi gi÷a m«i trêng vµ mÇm. Nh vËy, x¸c suÊt t¹o mÇm phô thuéc vµo søc c¨ng mÆt ngoµi vµ sù cã mÆt cña nh÷ng chÊt lµm thay ®æi gi¸ trÞ cña søc c¨ng nµy. Trong qóa tr×nh luyÖn kim theo ph¬ng ph¸p ®iÖn ph©n, hiÖn tîng bÒ mÆt cßn liªn quan ®Õn hiÖu qu¶ anèt khi ®iÖn ph©n c¸c muèi nãng ch¶y. Ngoµi ra, do ®Æc ®iÓm qóy gi¸ cña kim lo¹i mµu ta ph¶i gi¶m lîng mÊt m¸t kim lo¹i vµ hîp kim cña chóng theo xØ. Sù mÊt m¸t phô thuéc vµo sù t¹o thµnh nh÷ng h¹t kim lo¹i vµ stªn trong xØ láng, mµ viÖc t¸ch nh÷ng h¹t nµy ra khái xØ phô thuéc vµo sù kh¸c nhau vÒ träng lîng riªng cña kim lo¹i láng vµ ®é nhít cña xØ, vµo søc c¨ng gi÷a c¸c pha trªn biªn giíi xØ - kim lo¹i hay xØ - stªn. NhiÒu qu¸ tr×nh luyÖn kim bôi than ®îc thæi vµo lß qua má ®èt ®Ó lµm nhiªn liÖu vµ chÊt hoµn nguyªn kim lo¹i tõ pha xØ láng. Lóc ®ã sù hoµn nguyªn ®îc thùc hiÖn do ch¸y kh«ng hoµn toµn than vµ do t¬ng t¸c ho¸ häc trªn biªn giíi khÝ - bôi than - xØ. Do tÝnh thÊm ít gi÷a xØ, bôi than xÊu vµ tèc ®é dßng khÝ trong lß cao, nªn kho¶ng 1/4 bôi than tæn thÊt ra khái lß. NÕu t¨ng tÝnh thÈm ít cña xØ víi than, sÏ cho phÐp t¨ng ®¸ng kÓ hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh xØ lß, b»ng c¸ch ®a vµo xØ nh÷ng ion ho¹t ®éng bÒ mÆt ®Ó cho gãc thÊm ít gi÷a xØ - than vµ søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ gi¶m xuèng.
Ngoµi ra trong c¸c qu¸ tr×nh Ðp vµ thiªu kÕt cña luyÖn kim bét, qóa tr×nh cÇu ho¸ vµ biÕn tÝnh gang, qu¸ tr×nh c¸n vµ gia c«ng ¸p lùc kim lo¹i v.v... søc c¨ng mÆt ngoµi cña c¸c pha ®Òu cã ¶nh hëng ®Õn chÊt lîng s¶n phÈm. §Æc biÖt trong tinh luyÖn kim lo¹i khö bá t¹p chÊt phi kim, sù ph©n t¸n vµ hoµ tan kim lo¹i trong xØ, trong muèi nãng ch¶y, sù hoµ tan vµ lo¹i bá khÝ trong kim lo¹i láng, sù t¹o mÇm, ph¸t triÓn vµ næi lªn cña c¸c lo¹i t¹p chÊt, sù thÊm kim lo¹i vµo xØ vµo vËt liÖu chÞu löa, sù t¸ch ly cña vá xØ khái trôc c¸n hay mèi hµn, tinh luyÖn b»ng ®iÖn xØ, sù h×nh thµnh kim lo¹i hµn ®¾p, sù h×nh thµnh cÊu tróc kim lo¹i, v.v... tÊt c¶ ®Òu g¾n liÒn chÆt chÏ víi søc c¨ng mÆt ngoµi cña c¸c pha tiÕp xóc trong qóa tr×nh. C¸c ph¬ng ph¸p ®o søc c¨ng mÆt ngoµi. V× tÝnh chÊt quan träng cña nã, trong nh÷ng n¨m qua hµng chôc ph¬ng ph¸p ®o søc c¨ng mÆt ngoµi cña xØ vµ kim lo¹i láng ®· ra ®êi vµ ®ang ®îc tiÕp tôc hoµn thiÖn. C¸c ph¬ng ph¸p ®o nµy dùa trªn hai nguyªn lý ®éng lùc häc vµ tÜnh lùc häc mµ chñ yÕu bao gåm c¸c ph¬ng ph¸p sau: - Ph¬ng ph¸p mao dÉn. - Ph¬ng ph¸p ®øt vßng. - Ph¬ng ph¸p ¸p lùc cùc ®¹i. - Ph¬ng ph¸p giät treo. - Ph¬ng ph¸p giät n»m. - Ph¬ng ph¸p giät l¬ löng. Sau ®©y chóng ta h·y nghiªn cøu mét vµi ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh søc c¨ng mÆt ngoµi nãi trªn. §o søc c¨ng mÆt ngoµi theo ph¬ng ph¸p ¸p lùc cùc ®¹i. H×nh 4.33: S¬ ®å thiÕt bÞ ®o søc c¨ng mÆt ngoµi theo ph¬ng ph¸p ¸p lùc cùc ®¹i 1. B×nh chøa khÝ Ar 2. B×nh hót Èm 3. B×nh läc khÝ 4. Van ®iÒu chØnh 5. ¸p kÕ 6. ThiÕt bÞ chuyÓn ®æi 7. M¸y tù ghi 8. èng mao dÉn b»ng Mo 9. Lç tho¸t khÝ b¶o vÖ. 10 N¾p lß 11. èng b¶o vÖ (b»ng Mo) 12. Lß nÊu ch ¶y 13. Gi¸ ®ì 14. Líp c¸ch nhiÖt 15. CÆp nhiÖt 16. KhÝ b¶o vÖ 17. ChÐn ®ùng mÉu. S¬ ®å ph¬ng ph¸p ®o ®îc giíi thiÖu ë h×nh 4.33. §Ó t¹o ®îc bÒ mÆt míi trong chÊt láng th× ph¶i tiªu tèn mét c«ng. C«ng ®ã t¬ng øng víi ¸p lùc khÝ ®îc thæi qua èng mao dÉn t¹o bät khÝ vµ còng t¬ng øng víi søc c¨ng mÆt ngoµi cña chÊt nãng ch¶y cÇn x¸c ®Þnh. èng mao dÉn ph¶i biÕt tríc ®êng kÝnh, kh«ng ph¶n øng víi chÊt láng, chÞu ®îc nhiÖt ®é vµ cã thµnh ®ñ máng. Søc c¨ng mÆt ng oµi ®îc tÝnh theo c«ng thøc: dg  ( Pmax  .h) J/m2 4 d - ®êng kÝnh èng mao dÉn, m g - gia tèc träng trêng, m/s2 Pmax - ¸p lùc khÝ cùc ®¹i ®Ó t¹o bät khÝ, m cét níc.  - tØ träng chÊt nãng ch¶y, kg/m3
h - chiÒu s©u nhóng èng mao dÉn, m §o søc c¨ng mÆt ngoµi theo ph¬ng ph¸p giät n»m Ph¬ng ph¸p nµy dùa trªn d¹ng h×nh häc cña mét giät chÊt láng c©n b»ng trªn ®Õ n»m ngang. H×nh d¹ng giät lµ mét ph¬ng tr×nh cña søc c¨ng bÒ mÆt, khèi lîng riªng vµ träng lîng chÊt láng, tõ ®ã søc c¨ng mÆt ngoµi ®îc tÝnh theo c«ng thøc:  .g .b 2   g: gia tèc träng trêng, m/s2 : träng lîng riªng chÊt láng, kg/m3 b vµ : c¸c thèng sè h×nh häc cña giät chÊt láng. Muèn cã gi¸ trÞ b vµ  ngêi ta ph¶i x¸c ®Þnh ®îc ®êng kÝnh lín nhÊt X vµ chiÒu cao Z cña giät (h×nh 4.34) §Ó x¸c ®Þnh ®îc kÝch thíc giät ta cÇn ph¶i chôp ¶nh råi ®o phim trªn m¸y phãng ®¹i, hoÆc ®o trùc tiÕp b»ng kÝnh hiÓn vi nãng ch¶y. §iÒu kiÖn ®¶m b¶o kÕt qu¶ phÐp ®o lµ chÊt láng kh«ng ph¶n øng víi m«i trêng vµ Ýt thÊm ít ®Õ. Nh vËy khi ®o søc c¨ng mÆt ngoµi cña kim lo¹i theo ph¬ng ph¸p nµy cÇn ph¶i cã khÝ b¶o vÖ nh Ar vµ ph¶i cã ®Õ kh«ng thÊm ít nh graphit nguyªn chÊt. Sau ®ã dùa vµo b¶ng lËp s½n cña Bassfort vµ Adam ®Ó tÝnh kÕt qu¶ cuèi cïng. Ph¬ng ph¸p giät n»m thuËn lîi cho viÖc x¸c ®Þnh søc c¨ng mÆt ngoµi vµ gãc thÊm ít cña chÊt láng ë nhiÖt ®é cao. Ngoµi ra cßn cã thÓ H×nh 4.34: Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh h×nh d¹ng giät chÊt láng nghiªn cøu ¶nh hëng cña m«i trêng, nhiÖt ®é lªn c¸c tÝnh chÊt bÒ mÆt cña chÊt láng theo ph¬ng ph¸p nµy. H×nh 4.35: Søc c¨ng mÆt ngoµi x Ø hÖ CaO - Al2O3- SiO2 (J/m2)