CN1185476C

CN1185476C - 一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器

Info

Publication number: CN1185476C
Application number: CNB031211232A
Authority: CN
Inventors: 吴铿; 张二华; 赵勇; 孙国军; 郜学
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: CN1450345A

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

一种测定非牛顿粘性流体流变特性的仪器

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η_a，计算公式为：

η_a＝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＝0.512D^1.002 0.86％ τ＝0.512D^1.000 牛顿流体

2 Gbw13608 21.5 τ＝0.500D^1.010 4.36％ τ＝0.500D^1.000 牛顿流体

3 Gbw13608 21.5 τ＝0.498D^1.007 3.03％ τ＝0.498D^1.000 牛顿流体

4 Gbw13609 20.1 τ＝0.820D^1.009 3.92％ τ＝0.820D^1.000 牛顿流体

5 Gbw13609 20.1 τ＝0.810D^1.009 3.92％ τ＝0.810D^1.000 牛顿流体

6 Gbw13609 20.1 τ＝0.806D^1.011 4.81％ τ＝0.806D^1.000 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＝1.370D^0.935 24.25％ τ＝1.370D^0.935 假塑性流体

2 SiO₂ τ＝1.781D^0.963 14.62％ τ＝1.781D^0.963 假塑性流体

3 30％水 τ＝0.258D^0.910 31.91％ τ＝0.258D^0.910 假塑性流体

4 70％水 τ＝0.234D^0.460 90.04％ τ＝0.234D^0.460 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＝0.187D^1.016 6.86％ τ＝0.187D^1.000 牛顿流体

2 830 τ＝0.470D^0.998 0.73％ τ＝0.470D^1.000 牛顿流体

3 760 τ＝4.656D^0.586 82.91％ τ＝4.656D^0.586 假塑性流体

4 740 6％SiO₂ τ＝2.249D^0.922 28.33％ τ＝2.249D^0.922 假塑性流体

5 700 6％SiO₂ τ＝3.588D^0.980 8.19％ τ＝3.588D^0.980 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＝1.844D^1.012 5.20％ τ＝1.844D¹⁰⁰⁰ 牛顿流体

4 1300 未加 τ＝0.921D^1.014 6.07％ τ＝0.921D^1.000 牛顿流体

5 1360 未加 τ＝0.546D^1.003 0.55％ τ＝0.546D^1.000 牛顿流体

8 1360 SiO₂5g τ＝0.718D^0.986 5.73％ τ＝0.718D^1.000 牛顿流体

9 1360 CaO 15g τ＝0.807D^1.125 70.55％ τ＝0.807D^1.125 膨胀性流体

Claims

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)。