VoL21 No.2 吴铿等：一种测试冶金熔体流变特性的方法 ·151· 内旋转法测量熔体的流变曲线，是将未知流 可分为8个档次，分别用电机脉冲显示和感应计 变特性的熔体先按牛顿流体处理，在某一固定转 时器测得电机转速，并计算出旋转角速度，如表1 速下可测得该转速熔体的表观粘度（见公式1）. 示，得调速精度为0,998. 在旋转法测量粘度中，旋转运动产生的剪切速率 测杆和测头是本实验的消耗件，采用石墨测 只是转速和容器尺寸（坩埚和测头）的函数.容 杆和测头，测头的尺寸为圆柱型20×中8mm测杆 器的尺寸确定后它仅与转速有关：然后根据不同 长度主要根据炉膛尺寸来确定；测头要求表面平 的转速，可求得不同的剪切速率，实际在测得△： 滑，不能有明显的裂痕和缺陷. 值后，又已知仪器常数K值的情况下，由公式(3) 可求得这一转速下的n值.根据公式(2)可求得x 3仪器常数和系统误差 值；再根据不同D值的x值，作出流体的τ-D曲线， 实验选用高温粘度计的常温标定法.采用中 即流体的流变特性曲线，进而求出流体的本构方 国计量科学研究院的一级粘度标准油40,100， 程，按牛顿流体的定义可判断熔体是否为牛颜流 和10003种，其动力粘度值分别为0.03447， 体.根据本构方程的形式和D的指数n的大于或 0.08681和0.9518Pa·s.表2给出了在不同转 小于1，进而判断为哪类非牛顿流体. 速下所测量的仪器常数值和时间差.时间差△1= 严格来讲，采用按牛顿流体处理方法测出的 t一。，t为测量不同标准油时感应计时器的读 非牛顿流体的表观粘度与真实粘度是存在少许 数，。为空转条件下的读数， 的差别的.粘性流体的偏差系数可由有关的文献 进行计算向.偏差系数仅与测头直径和坩埚内径 表2仪器常数K和时间差△1 有关，如果两者越接近，其偏差系数越接近于1， 仪器转 40°标准油 100标准油 1000标准仪器常 速档次△1/sK1△sK2△sK3 数K 测试精度越高.判断由实验得到本构方程的形式 10.0973.5540.2213.9832.4913.8213.768 和D的指数n,可用来确定是否为非粘度流体，因 20.1043.3140.2273.8242.5453.740 3.626 此，研究高温非牛顿流体流变特性的问题就转换 30.0953.6280.2034.2762.5123.789 3.898 成了所熟悉的普通高温旋转法测量流体粘度的 4 0.1103.1340.2263.8412.6093.651 3.542 问题. 5 0.1113.1050.2333.7212.6353.6143.480 6 0.1083.1920.2134.0762.3464.057 3.775 2实验装置 70.0834.1540.1934.4982.2834.1694.273 将普通高温旋转式粘度计原有的固定转速 80.0893.8730.2084.1742.1694.3884.145 系统改成变速系统，变速系统包括一个步进式电 根据多组实验数据的统计，所得数据的平均 动机和与其配套的电机控制器.步进式电机由北 方差σ为0.0135，说明本实验装置的可靠性是较 京微电机厂生产，型号7DBFI-3,额定电压27V, 好的.从表中可见，在转数较大的情况下(7和8 额定电流3A,步距角为3A5;一套湖南冷水江无 档的转速)，K值与其他较小转速的(1~6档转速 线电一厂生产的BK5型步进式电机控制器.采 的)相差较大，这是由于7和8档的转速非常接近 用步进式电机进行调速，可获得不因负载大小而 产生湍流的极限速度的缘故， 变的稳定转速，根据本实验所需，选定调速范围 内旋式的高温粘度计，因内侧流体受离心力 表1调速范围 作用产生径向流动，易产生湍流.Couette通过研 档次序号每转时间转速脉冲测速旋转角速度 究给出了由其层流转为湍流的极限雷诺数Ream rmin r'min rad.s 和它与容器尺寸（液体的物性和旋转速度的计算 1 88.762 0.676 0.677 0.071 公式.将本实验的已知条件代人Couette的公 2 73.689 0.814 0.812 0.085 式进行计算，可得到极限角速度wm-2.423rads, 3 22.630 2.651 2.649 0.278 即极限旋转速度nm=23.147r/min,此值接近 4 12.319 4.870 4.879 0.510 于第7和8档的转速，这也解释了在此转速条件 5 8.867 6.767 6.923 0.708 下，能够出现因熔体的湍流现象而使测出的仪器 6 8.285 7.247 7.190 0.758 个 2.929 20.846 20.591 2.145 常数K值偏高，考虑到流体的层流和湍流之间存 P 在一个过渡区，为避免测量过程中发生湍流现 2.66922.480 22.634 2.354L 0 V 2 N 1 0 . 吴铿等 2 : 一种测试冶金熔体流变特性的方法 内旋转法 测量 熔体的 流变 曲线 , 是 将未 知流 变特 性 的熔 体先 按 牛顿 流 体处理 , 在某 一 固定 转 速 下可 测 得 该转速 熔 体的 表观 粘 度 (见公 式 1 ) . 在旋 转法 测 量粘 度 中 , 旋 转 运 动产 生 的剪 切 速率 只是转 速和 容器 尺寸 ( 柑竭 和测头 ) 的函 数 16] . 容 器 的 尺寸 确定 后 它 仅与转 速有 关 ; 然后 根 据 不 同 的转 速 , 可 求 得 不 同 的剪 切 速 率 . 实 际 在测 得 △t 值后 , 又 已 知仪 器常 数 K 值 的情 况下 , 由公 式 ( 3) 可求 得这 一 转速 下 的叭值 . 根 据 公 式 (2) 可求 得叽 值 ;再 根 据 不 同 D 值 的T 值 , 作 出流 体 的 T一 曲线 , 即流 体的 流变 特 性 曲 线 , 进而 求 出 流体的 本 构方 程 . 按 牛 顿 流体的 定 义 可判 断 熔 体是 否 为 牛顿 流 体 . 根据 本构 方程 的形 式 和 D 的指 数 n 的大 于或 小于 l , 进而判 断为 哪类 非牛 顿流 体 . 严格 来讲 , 采 用 按 牛 顿 流体处理方 法 测 出 的 非 牛 顿流 体 的 表 观粘 度 与真实 粘 度 是 存在 少 许 的差 别的 . 粘性流 体的偏 差 系数可 由有 关 的 文献 进行计算 61[ . 偏差 系 数仅与测 头 直 径 和 柑祸 内径 有 关 , 如果两者 越接近 , 其偏差 系 数越接近于 1 , 测试精度 越高 . 判 断 由实验得到本构 方程 的 形式 和 D 的指 数 n , 可 用来确定是否 为非粘度流 体 . 因 此 , 研究高温非牛顿流 体流变 特性 的 问题就转换 成 了所熟悉 的普通 高温旋转法 测 量 流 体粘度 的 问题 . 可分 为 8 个 档 次 , 分别用 电机 脉冲显示 和感 应 计 时器 测得 电机转 速 , 并 计算 出旋转 角速 度 , 如表 l 示 , 得 调 速精 度为 0 , 9 9 8 . 测杆 和 测头 是 本实 验 的消 耗件 , 采 用 石墨 测 杆 和测 头 , 测 头 的尺 寸为 圆柱 型 2 0 x 中8 ~ 测 杆 长 度 主要 根 据 炉膛 尺 寸来确 定 ;测 头要 求表 面 平 滑 , 不 能 有 明显的裂 痕和缺 陷 . 3 仪器 常数和 系统误差 实验 选用 高温 粘 度计的常 温 标定 法 . 采 用 中 国 计量 科 学 研究 院 的一 级粘 度标准 油 4 #0 , 10 0 “ , 和 10 0#0 3 种 , 其 动 力 粘 度 值 分 别 为 .0 0 34 47 , 0 . 0 8 6 8 1 和 0 . 9 5 1 8 Pa · 5 . 表 2 给 出 了在不 同转 速 下 所测量 的 仪器 常数值和 时间差 . 时 间差△t = t 一 ot, t为 测 量 不 同标 准 油 时 感 应 计 时 器 的 读 数 , t0 为空转条件下 的读数 . 表 2 仪器常擞万 和时间差山 仪器转 4 0 翻标准油 1叮标准油 1 0 0 #0 标准 仪器常 2 实验装! 将普通 高温 旋转式粘度计原有 的 固定转速 系 统 改成变速 系 统 . 变 速 系 统包括 一 个步 进 式 电 动 机和 与其配 套的 电机 控制 器 . 步 进 式 电机 由北 京 微 电 机厂 生 产 , 型号 7 D B IF 一 3 , 额 定 电压 27 V , 额定 电 流 3 A , 步距角 为 3肠 ;一 套湖南冷 水 江 无 线 电一 厂 生 产的 B K 一 5 型 步 进 式 电 机 控制 器 . 采 用步 进 式 电机 进行 调 速 , 可获 得不 因负载 大小 而 变 的稳 定 转速 , 根 据 本实 验所 需 , 选 定 调 速 范 围 表 1 调速范围 速档次 △lt ls 1 0 . 0 97 2 0 . 104 3 0 . 0 95 4 0 . 1 10 5 0 . 1 11 6 0 . 108 7 0 . 0 83 3 . 5 5 4 3 . 3 14 3 . 62 8 3 . 134 3 . 10 5 3 . 192 4 . 154 △九殆 0 . 2 2 1 0 . 22 7 0 . 20 3 0 . 2 2 6 0 . 23 3 0 . 2 13 0 . 19 3 3 . 9 83 3 . 82 4 4 . 2 76 3 . 84 1 3 . 7 2 1 4 . 0 76 4 . 4 98 △八s/ 2 . 4 9 1 2 . 5 45 2 . 5 12 2 . 6 09 2 . 63 5 2 . 34 6 2 . 28 3 3 . 8 2 1 3 . 7 4 0 3 . 7 89 3 . 6 5 1 3 . 6 14 4 . 0 5 7 4 . 169 数尤 3 . 7 6 8 3 . 62 6 3 . 89 8 3 . 54 2 3 . 4 80 3 . 7 7 5 4 . 2 73 档次序 号 每转时间 转速 脉冲测速 旋转角速度 s r · un 一 l r · m in 一 l 耐 . 5 一 l S r “ n , I n T . n l l n f a Q . S 8 8 . 7 6 2 7 3 . 6 8 9 2 2 . 6 30 12 . 3 19 8 . 8 6 7 8 . 2 8 5 2 9 2 9 2 . 6 6 9 0 . 6 7 6 0 . 8 14 2 . 6 5 1 4 . 8 7 0 6 . 7 6 7 7 . 2 4 7 2 0 . 8 4 6 2 2 . 4 8 0 0 . 6 7 7 0 . 8 1 2 2 6 4 9 4 . 8 7 9 6 9 2 3 7 . 1 9 0 2 0 . 5 9 1 2 2 . 6 3 4 0 . 0 7 1 0 . 0 8 5 0 . 2 7 8 0乃 10 0 7 0 8 0 . 7 5 8 2 . 1 4 5 2 . 3 5 4 8 0 . 0 89 3 . 87 3 0 . 20 8 4 . l 74 2 . 16 9 4 . 3 88 4 . 14 5 根 据多 组 实验 数据 的 统计 , 所 得数 据 的平 均 方 差 a 为 .0 0 13 5 , 说 明本 实 验 装置 的 可靠 性 是 较 好 的 . 从表 中 可 见 , 在 转 数 较 大 的情 况 下 (7 和 8 档 的转 速) , K 值 与其 他 较小 转 速 的 ( l 一 6 档转 速 的)相 差 较大 , 这是 由于 7 和 8 档 的转 速非 常接 近 产 生湍 流 的极 限速度 的缘 故 . 内旋式 的高温 粘 度 计 , 因 内侧流体受 离心 力 作 用产 生 径 向 流 动 , 易 产生 湍 流 . C o ue et 通 过 研 究 给 出 了 由其层 流 转 为 湍 流 的 极 限雷 诺数 R e 、 和 它 与容器 尺 寸 ( 液体的物 性和 旋转 速度 的计 算 公 式 16] . 将 本 实验 的 已 知条 件 代 人 c ou et e 的 公 式 进行 计算 , 可得 到极 限 角速度 田、 一.2 4 23 ar 山s , 即极 限 旋转 速 度 n l皿一 2 3 . 14 7 r / m in , 此值接 近 于 第 7 和 8 档 的 转 速 , 这 也解 释 了在 此 转 速 条 件 下 , 能够 出现 因熔 体 的湍 流现 象而 使 测 出 的仪 器 常 数 K 值偏 高 . 考 虑 到 流体 的层 流 和湍 流之 间存 在 一 个 过 渡 区 , 为避 免 测 量 过 程 中 发 生 湍 流 现