中国有色金属学报 2004,(10),1759-1762 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.10.024
熔融CaCl2-MgCl2体系的粘度
中国科学院过程工程研究所多相反应重点实验室,中国科学院过程工程研究所多相反应重点实验室,中国科学院过程工程研究所多相反应重点实验室,中国科学院过程工程研究所多相反应重点实验室 北京100080,中国 ,北京100080,中国 ,北京100080,中国 ,北京100080,中国
摘 要:
用旋转柱体法系统测量了CaCl2 MgCl2熔融盐体系的粘度,考察了熔融CaCl2 MgCl2体系粘度随温度和组成的变化关系。比较了实验测得的数据与文献报道值,根据熔融盐体系粘度变化规律对熔融体系结构进行了推断。实验测得熔融物体系粘度随温度升高而明显降低,由于所用试剂含有少量杂质,与文献报道的纯CaCl2和Mg Cl2的粘度值相比,实验测得值出现偏差。熔融CaCl2 MgCl2混和体系的粘度明显要比纯物质的粘度大,这说明在熔融条件下,CaCl2 MgCl2体系生成了体积较大的配合物粒子,增加了熔体粘度。在不同的温度条件下,由于有不同组成的配合物生成,体系粘度最大值对应了不同熔体组分。
关键词:
中图分类号: O522
作者简介:范建峰(1978),男,博士研究生.;袁章福,教授;电话:01062527440;E mail:yuanzhf@home.ipe.ac.cn;
收稿日期:2004-04-20
基金:国家自然科学基金资助项目(20306030);
Viscosity properties of molten CaCl2-MgCl2 system
Abstract:
The viscosities of molten CaCl2-MgCl2 system were measured using rotating cylinder method, and the variations with temperature and components were explored. The experimental data were compared with the literatural ones, the deduction and prediction to the structure of molten CaCl2-MgCl2 proceeded on the base of variating regulations of molten melts with temperature and components as well. The viscosities of molten chlorides were decreasing apparently with increasing temperature, however, because of the impurity in experimental reagents, there were discriminations between literatural and experimental values. As larger volume complex ions being formed, the viscosities of molten mixing CaCl2-MgCl2 melts were higher than those of the pure components. And different complex ions were formed at different temperatures, the highest points of viscosity in the system are corresponding with different compositions.
Keyword:
molten chloride melt; viscosity; rotating cylinder method;
Received: 2004-04-20
粘度是高温熔体的重要物性参数, 是影响高温熔体反应特性的主要因素之一, 粘度对冶炼、 提纯、 铸造、 急冷非晶体材料制备、 液相烧结、 核反应堆的液态金属冷却及焊接过程等动力学都有显著的影响。 同时, 熔体粘度的变化是其结构变化的宏观反应之一, 对熔体粘度的研究也有助于研究高温熔体的微观结构。 美国、 欧洲和日本
氯化物熔融盐体系的粘度研究比较少, 国内外报道相关文献也不多, 但氯化物熔盐的粘度物性对熔盐氯化、 熔盐电解和流化床生产TiCl4等工艺有着重要的意义。 氯化物熔融盐的粘度物性是熔盐氯化工艺参数设定的重要条件, 对于熔盐氯化的反应过程中涉及的熔盐物化性质有粘度、 表面张力和密度
本文作者用旋转柱体法(Rotating cylinder method)高温粘度计系统测量了熔融CaCl2-MgCl2体系的粘度, 考察了纯CaCl2和MgCl2熔融粘度随温度的变化关系, 同时研究了由二者组成的CaCl2-MgCl2二元体系粘度随温度和组分的变化。 并将其与文献报道的纯熔融CaCl2和MgCl2熔体的粘度值
1 实验
1.1 实验材料和设备
主要实验材料有: 无水氯化钙, CaCl2含量大于96%,分析纯, 北京试剂红星化工有限公司生产; 无水氯化镁, 分析纯, 美国Strem Chemical试剂公司生产, MgCl2含量为97.5%, H2O含量为2%。
高温回转粘度计装置示意图如图1所示, 该粘度计控温精度是±0.5 ℃, 粘度测头位控误差<1 mm, 测试误差1%。
1.2 实验过程
首先校定粘度计系统的常数, 将其作为粘度测试软件的计算参数。 将盛有约150 g(保证有50 mm左右的熔池深度)化学分析纯实验试剂的氧化铝坩埚放置在高温炉体的恒温段中加热, 升温过程中, 通有氩气保护和冷却水, 使炉内保持惰性气体气氛以及炉体外壳温度处于常温状态。 升温到设定的温度后, 恒温40 min, 保证炉内温度和坩埚熔池温度恒定统一。 启动粘度测试软件, 控制炉体升高到设定高度使粘度测头离熔池液面10 mm处空转3 min保持稳定, 炉体继续升高使粘度测头插入到熔池内设定深度(一般为20 mm), 在熔池中旋转3 min稳定后, 计算机开始取粘度数据, 每隔5 s取一个值, 连续取41个数据点作为1组保存, 在同一温度下的每1种试样成分条件下取5组数据, 对5组数据进行结果分析。
图1 粘度测试仪的实验装置示意图
Fig.1 Scheme of viscosity measurement equipment 1—Furnace bracket; 2—Heating furnace; 3—Crucible bracket; 4—Al2O3 tube; 5—Al2O3 crucible; 6—Molten reagent; 7—Detector; 8—Photoelectric sensor; 9—Synchronous dynamo; 10—Gas inlet; 11—Thermocouple; 12—Water inlet; 13—Water outlet; 14—Controller; 15—Computer system
2 结果和讨论
2.1温度对纯熔融CaCl2和MgCl2粘度的影响
温度是熔盐体系粘度的主要影响因素之一, 纯CaCl2的熔点是1 055 K, 纯MgCl2的熔点是981 K
图2 纯熔融CaCl2和MgCl2粘度随温度的变化
Fig.2 Viscosity of molten CaCl2 and MgCl2 variating with temperature (a)—CaCl2(molten CaCl2 melt); (b)—MgCl2(molten MgCl2 melt)
2.2CaCl2-MgCl2二元氯化物熔盐体系粘度随温度和成分的变化
熔盐混合物体系的粘度与熔盐体系组成有一定的关系, 氯化法生产钛白工艺中熔融粘结物的主要组成是CaCl2和MgCl2的混合物。 本实验研究了CaCl2-MgCl2组成的二元混和体系粘度随成分和温度的变化关系, 考察了在1 073 K到1 373 K温度范围内, CaCl2与MgCl2摩尔比分别为1∶1, 2∶1, 3∶1和4∶1体系的粘度随温度的变化关系。 如图3所示, 所有的熔盐体系粘度随温度升高而明显降低。
图3 不同组分CaCl2-MgCl2体系粘度随温度的变化
Fig.3 Variation of viscosity of different component molten CaCl2-MgCl2 with temperature
从图4可以看出, 在相同温度条件下, 纯熔融熔盐的粘度处于曲线最低点, 这是因为不同组元熔盐间相互作用大, 在混和熔融状态下相互作用形成配合离子, 配合离子是体积较大的粒子, 排列也更紧密, 增加了熔体中粒子的流动难度, 从而提高了熔体体系的粘度。 在不同温度时, 熔体体系粘度最高点有所不同, 这说明在不同的温度条件下熔体形成了不同配合物, 而造成熔体流体流动难易程度不相同。 比较所有温度条件下的曲线, 温度较低(1 073 K和1 173 K)时熔融体系粘度最高点出现在当二元混合物组成摩尔比为1∶1(MgCl2摩尔分数是50%), 而当温度较高时(1 273 K和1 373 K), 熔融体系粘度最高点出现在当二元组成混合摩尔比为3∶1(MgCl2的摩尔分数是25%)。
图4 熔融盐体系粘度随体系组成的变化
Fig.4 Variation of viscosity of molten melt with component
3 结论
1) 实验测得熔融盐的粘度比文献报道的数据大, 这是由于实验试剂含有少量杂质的原因, 也可以说明, 含有少量氧化物(氯化物水解的产物)可以明显增加氯化物熔盐体系的粘度。
2) 随着温度的升高, 熔融盐体系粘度明显降低, 验证了温度升高有助于提高熔融粒子的活性, 提高熔盐流动性的理论。
3) 混合物熔盐的粘度明显要比纯熔融物质的粘度要高, 说明在熔融状态下, 熔盐体系形成了体积较大的配合物粒子, 增加了熔融盐体系流动的难度, 体系粘度增加。
4) 在不同温度下, 混合物熔盐在不同摩尔比组成条件下体系有最大粘度值, 这说明在不同温度条件下, 熔融盐体系形成的配合物粒子组成有所不同。
参考文献
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