CN1185476C - 一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器 - Google Patents
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Abstract
一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器。本发明属于流体力学领域,特别涉及一种测定高温非牛顿粘性熔体流变特性的仪器。仪器由变压器1、电脑控制系统2、冷却水系统3、控制箱4、测杆5、石墨材质保护管6、钼测头7、石墨坩埚8、钨铼热电偶9、高温电阻炉10、氩气罐11、传感器17和电动机18组成,其特征在于仪器增设了变频调速电源12、多圈电位器13、数字测速仪14、稳压电源15、测速仪表控制箱16。本仪器既可以测定粘性流体,也可以测定时间相关性流体。仪器测量范围宽,设备的利用效率高,能够描述熔体的剪切速率(τ)与剪切应力(D)的关系。
Description
技术领域:
本发明属于流体力学领域,特别涉及一种测定高温非牛顿粘性熔体流变特性的仪器。
技术背景:
未知流动特性的高温熔体可以利用下述方法来测定其流变特性,即通过可调转速的高温旋转粘度计,得到不同剪切速率(τ)与剪切应力(D)的关系,然后由τ~D关系是否为直线来判断该熔体是否为牛顿流体。
采用同轴旋转体传感系统的粘度计测定熔体的粘度。当选定某一固定转速时,可得该转速下熔体的表观粘度ηa,计算公式为:
ηa=KΔM
K-仪器常数;ΔM-测得的粘滞力矩之差。
RTW-04型熔体物性综合测定仪是测定熔体物性参数的设备,主要用于测试高温熔体的粘度、表面张力和密度。由于RTW-04型熔体物性综合测定仪只能测定某一转速(300rpm)下熔体的粘度,而不能测定粘度随转速的变化,因而不能获得描述熔体的剪切速率(τ)与剪切应力(D)的关系。
发明内容:
本发明目的是发明一种仪器,能够测定粘度随转速的变化,从而描述出熔体的剪切速率(τ)与剪切应力(D)的关系。
一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器,由变压器1、电脑控制系统2、冷却水系统3、控制箱4、测杆5、石墨材质保护管6、钼测头7、石墨坩埚8、钨铼热电偶9、高温电阻炉10、氩气罐11、传感器17和电动机18组成,其特征在于仪器增设了变频调速电源12、多圈电位器13、数字测速仪14、稳压电源15、测速仪表控制箱16。
RTW-04型熔体物性综合测定仪所配备电动机的型号是55TDY300永磁低速同步电动机。其单相电路接线方法只能获得固定的转速。改变电动机的接线为三相接线,采用变频调速电源12可获得电动机的无级调速功能,使电动机的调速范围为0~600rpm。
电位器改用采用多圈电位器13提高了该仪表的调节精度。使用数字测速仪14可测量电动机转速。采用全自动稳压电源15,可稳定整个电路的压差。
本发明既可以测定粘性流体,也可以测定时间相关性流体。测定高温条件下熔渣为牛顿流体,但加入一些氧化物后,有些熔渣成为非牛顿流体,但偏离牛顿流体的程度不大。在温度较低时,熔渣的流动性明显变差,表现为非牛顿流体,有时偏离牛顿流体的程度会很大。本发明测量范围宽,设备的利用效率高,能够描述熔体的剪切速率(τ)与剪切应力(D)的关系。
附图说明:
图1为仪器装置示意图:1.变压器、2.电脑控制系统、3.冷却水系统、4.控制箱、5.测杆、6.石墨材质保护管7.钼测头、8.石墨坩埚、9.钨铼热电偶、10.高温电阻炉、11.氩气罐、12.变频调速电源13.电位器、14测速仪、15.稳压电源、16.测速仪表控制箱、17.传感器、18.电动机。
根据图1可知该仪器装置的联接方式如下
稳压电源15联接显示结果的数字测速仪14和多圈电位器13,多圈电位器13联接变频调速电源12到电动机18到传感器17,从传感器得到的信号与控制箱4得到的信号一起通过电脑控制系统2控制变压器1。
具体实施方式:
实验中采用中国计量科学研究院发放的标准油GBW13608、GBW13609,其动力学粘度值分别为0.5153Pas 0.9193Pas。根据多组实验数据的统计,得粘度数据的平均方差σ=0.0391,表明改造后的实验装置有较高的可靠性。
按不确定度的误差分析法,测量的系统误差可分为两部分:一类是随机不确定度,如测量标准油粘度时所得到的标准方差σ值;一类是系统不确定度,包括粘度计或标准油的误差、控温设备的误差、扭矩传感器的误差。表1给出了改进的熔体物性测定仪在测量流变特性系统误差分析情况。按照误差传递的公式,系统的最大相对误差为各个部分误差的绝对值之和,其值为±5.67%。
表1测量系统各部分的误差分析
标准 传感器 调速系 液面位置 偏心度 K值的 熔盐测温
误差来源
油 Hz 统Hz mm mm 随机度 系统K
绝对误差 20 0.14 1 3 3
相对误差 0.00 ±0.20% ±1.20% ±0.50% ±0.50% ±3.92% ±0.25%
1.标准液、胶水、炼乳的流变特性的测定
测定标准液Gbw13608的粘度值三次平均值为0.5031Pa·s,相对误差为+1.49%和-0.97%。测定标准液Gbw13609的粘度值三次平均值为0.8119Pa·s,相对误差为+1.00%和-0.79%。这是测量过程产生的误差,取最大的值相对误差为+1.49%和-0.97%。整个测量过程的总误差应该是各部分误差与测量误差之和,最大相对误差为+7.16和-6.64%。
表2标准液的本构方程
实验 与牛顿流
流体 温度℃ 本构方程 修正本构方程 流体特性
编号 体的偏差
1 Gbw13608 21.5 τ=0.512D1.002 0.86% τ=0.512D1.000 牛顿流体
2 Gbw13608 21.5 τ=0.500D1.010 4.36% τ=0.500D1.000 牛顿流体
3 Gbw13608 21.5 τ=0.498D1.007 3.03% τ=0.498D1.000 牛顿流体
4 Gbw13609 20.1 τ=0.820D1.009 3.92% τ=0.820D1.000 牛顿流体
5 Gbw13609 20.1 τ=0.810D1.009 3.92% τ=0.810D1.000 牛顿流体
6 Gbw13609 20.1 τ=0.806D1.011 4.81% τ=0.806D1.000 牛顿流体
表3胶水的流变本构方程(20.1℃)
试验 与牛顿流
添加剂 本构方程 修正本构方程 流体特性
编号 体的偏差
1 不加 τ=1.370D0.935 24.25% τ=1.370D0.935 假塑性流体
2 SiO2 τ=1.781D0.963 14.62% τ=1.781D0.963 假塑性流体
3 30%水 τ=0.258D0.910 31.91% τ=0.258D0.910 假塑性流体
4 70%水 τ=0.234D0.460 90.04% τ=0.234D0.460 假塑性流体
由于胶水具有一定的粘度,加入的颗粒可以较长时间悬浮在胶水中,很长的时间后才能沉入底部。测定的流变特性是细颗粒悬浮在胶水中的情况。加入SiO2细颗粒后,胶水的表观粘度较加入前有所增加。可见,流体中有细小的悬浮颗粒后,对其流变特性会产生影响。胶水中随着水的含量增加,表观粘度有所下降,对流变特性会产生影响。
炼乳是时间相关性的流体中的触变性流体,即粘度随剪切时间增加而逐渐下降。即随剪切应力增加而变稀。由于在测头旋转时,炼乳的结构受到破坏,其粘度在8min左右后接近于定值。
2.高温熔体(硼酸钠、保护渣)的流变特性测定
表4首钢保护渣的化学成分
氧化物 MgO Al2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2
成分% 1.47 12.98 47.57 7.71 28.52 1.75
对于纯的硼酸盐在较高的温度流体的特性为牛顿流体,在较低的温度时为非牛顿流体中的假塑性流体,n偏离1较远。硼酸钠中加入SiO2,在试验的条件下熔体为非牛顿流体。加入SiO2后熔体的熔点下降,表观粘度也下降,在700℃时的平均值比在760℃不加入SiO2要高,而且n偏离牛顿流体的值也较小。
表5硼酸钠熔体的流变本构方程
试验 与牛顿流
温度℃ 添加物 本构方程 修正本构方程 流体特性
编号 体的偏差
1 920 τ=0.187D1.016 6.86% τ=0.187D1.000 牛顿流体
2 830 τ=0.470D0.998 0.73% τ=0.470D1.000 牛顿流体
3 760 τ=4.656D0.586 82.91% τ=4.656D0.586 假塑性流体
4 740 6%SiO2 τ=2.249D0.922 28.33% τ=2.249D0.922 假塑性流体
5 700 6%SiO2 τ=3.588D0.980 8.19% τ=3.588D0.980 假塑性流体
保护渣在较高的温度流体的特性为牛顿流体,在较低的温度时为非牛顿流体中的假塑性流体,n偏离1较远。加入SiO2的后,熔渣中的酸性离子增加,复杂的离子团增加,使得熔渣的粘度来源升高,但仍为牛顿流体。在加入SiO2后的熔渣中再加入15g的CaO,熔渣的流变特性发生了变化,熔体成为非牛顿流体,n的值是大于1,较牛顿流体有一定的偏离。
表6首钢保护渣的本构方程
试验 与牛顿流
温度℃ 添加物 本构方程 修正本构方程 熔渣特性
编号 体的偏差
1 1200 未加 τ=1.844D1.012 5.20% τ=1.844D1000 牛顿流体
4 1300 未加 τ=0.921D1.014 6.07% τ=0.921D1.000 牛顿流体
5 1360 未加 τ=0.546D1.003 0.55% τ=0.546D1.000 牛顿流体
8 1360 SiO25g τ=0.718D0.986 5.73% τ=0.718D1.000 牛顿流体
9 1360 CaO 15g τ=0.807D1.125 70.55% τ=0.807D1.125 膨胀性流体
Claims (1)
1.一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器,包括变压器(1)、电脑控制系统(2)、冷却水系统(3)、控制箱(4)、测杆(5)、石墨材质保护管(6)、钼测头(7)、石墨坩埚(8)、钨铼热电偶(9)、高温电阻炉(10)、氩气罐(11)、传感器(17)和电动机(18),其特征在于仪器增设了变频调速电源(12)、多圈电位器(13)、数字测速仪(14)、稳压电源(15)、测速仪表控制箱(16);稳压电源(15)联接显示结果的数字测速仪(14)和多圈电位器(13),多圈电位器(13)联接变频调速电源(12)到电动机(18)到传感器(17),从传感器得到的信号与控制箱(4)得到的信号一起通过电脑控制系统(2)控制变压器(1)。
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