Методы измерения электрической проводимости расплавов

Цель лекции: Изучение теоретических основ, методик и аппаратурного оформления экспериментального определения электрической проводимости металлургических расплавов.

План лекции:

1. Общие теоретические основы электропроводности металлургических расплавов

2. Законы, описывающие электрическое сопротивление металлургических расплавов

3. Правила Линде и Маттиссена

4. Общие правила измерения электрического сопротивления жидкого металла

5. Конструкции измерительных ячеек электрического сопротивления жидких расплавов

6. Метод падающей струи в измерении электрического сопротивления жидкого металла

7. Контактный метод в измерении электрического сопротивления жидкого металла

8. Методы измерения электрической проводимости расплавленных шлаков

9. Бесконтактные методы измерения электрической проводимости металлургических расплавов

10. Расчет электрического сопротивления расплавов при измерениях на установке Швидковского Е.Г.

К числу важнейших физических свойств металлических распла­вов относится их электропроводность. Это свойство, как и вязкость, относится к структурно-чувствительным характеристикам, поэтому его изучение позволяет получить дополнительные данные об электронном строении, степени микронеоднородности и характере связей в жидких металлах, а также в шлаковых расплавах. Определе­ние электрической проводимости имеет большое прикладное значение для разработки новых технологий:

электролитического получения металлов;

эффективного рафинирования и модифицирования;

термического воздействия на расплав;

а также оценки микронеоднородности расплава, контроля и управле­ния металлургическими процессами.

По установившимся представлениям жидкий металл, как и твердый, имеет электронную проводимость. Хотя прямого экспери­ментального подтверждения этого не получено, можно считать такое предположение верным, поскольку абсолютные значения электропро­водности, теплопроводности и теплоемкости твердого и жидкого ме­талла по значениям близки. В связи с тем, что металлический рас­плав не является структурно-однородной жидкостью, а представляет собой динамическую систему кристаллоподобных микроагрегатов (кластеров) и подвижных частиц (квазигазовую составляющую), вели­чина электросопротивления позволяет оценить взаимосвязь электрон­ного и атомного строения расплава, степень микронеоднородности, а также взаимодействие частиц [1].

Основной константой, характеризующей электрические свойства вещества, является удельное электрическое сопротивление, завися­щее от природы расплава и температуры. Согласно закону Ома, удельное электрическое сопротивление можно определить по формуле:

ρ= R· S /l, (26)

где: ρ - электрическое сопротивление, Ом; S - площадь поперечного сечения, м; l - длина, м.

Температурная зависимость электросопротивления металлов подчиняется следующему закону:

ρ_t = ρ₀ (1+α·t), (27)

где: α - температурный коэффициент; t - температура; ρ_t - удельное электросопротивление при заданной температуре, им может быть, например ρ₀ металла при абсолютном нуле или ρ металла при температуре плавления.

Удельная электрическая проводимость является величиной, обратной удельному электросопротивлению:

σ= 1/ρ, (Ом^-1*м^-1). (28)

Электропроводность обусловлена движением электронов или ио­нов и зависит от количества носителей заряда и их подвижности. Подвижность электронов металла определяется в основном их длиной свободного пробега, которая зависит от интенсивности межчастично­го взаимодействия и дефектов структуры. В квантовой теории про­водимости металлов электрон рассматривается как частица, обладаю­щая волновыми свойствами, а движение электронов через кристаллическую решетку металла - как процесс дифракции электромагнитных волн. Рассеяние электронных волн вызывается искажениями в решетке металла, причем эти дефекты должны по размерам быть соизмеримы с длиной электронной волны. Центрами рассеяния, в первую очередь, являются искажения решетки, возникающие вследствие тепловых коле­баний ее узлов. Источником рассеяния электронных волн являются также примеси в металлах.

Согласно правилу Линде, добавочное электросопротивление, вы­зываемое содержанием 1% примеси, пропорционально квадрату разно­сти валентностей чистого металла и примеси DZ:

Dρ = а + b (DZ )², (29)

где: a, b - константы, определяющие свойства металла растворите­ля.

В случае образования разбавленных растворов их удельное электросопротивление, включает по правилу Маттиссена два слагаемых:

ρ= ρ₀ + ρ_i, (30)

где: ρ₀ - независимое от температуры остаточное сопротивление, связанное с наличием примесей и дефектов кристаллической решетки, а ρ_i – внутренне сопротивление, зависящее от температуры. Остаточное сопротивление, измеряемое обычно при температуре 4К, является только небольшой частью ρ, которое определяется при комнатной температуре. Необходимо упомянуть, что еще один вклад в электросопротивление вносит рассеяние электронов вследствие беспорядочного расположения спинов в ферромагнетиках ниже температур магнитного превращения. Механизм электропроводности в жидком и твердом металле принципиально не различается. В большинстве металлов электропроводность резко увеличивается при плавлении и продолжает возрастать с увеличением температуры [3]. Повышение ρ при плавлении, по-видимому, является следствием уменьшения периодичности структуры расплава и увеличения амплитуды колебаний атомов. Микронеоднородность расп­лава и его электросопротивление также тесно связаны между собой.