GB/T 31424-2015 煤灰黏度测定方法

　　ICS 73. 040 D 21

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 31424—2015

　　煤灰黏度测定方法

　　Determination ofcoalash viscosity

　　2015-05-15发布 2015-07-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 31424—2015

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国煤炭工业协会提出 。

　　本标准由全国煤炭标准化技术委员会(SAC/TC42)归 口 。

　　本标准起草单位 :煤炭科学研究总院检测研究分院 、中国科学院山西煤炭化学研究所 。

　　本标准主要起草人 :武增礼 、白进 、陈宝华 、王秋湘 、孔令学 、李文 。

　　煤灰黏度测定方法

　　1 范围

　　本标准规定了用钢丝扭矩式黏度计测定煤灰动力黏度的术语和定义 、方法提要 、试剂和材料 、仪器设备 、样品制备 、试验准备 、测定步骤 、结果表述 、方法精密度和试验报告等 。

　　本标准适用于煤灰和炉渣 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 212 煤的工业分析方法

　　GB 474 煤样的制备方法

　　GB/T 483 煤炭分析试验方法一般规定

　　GB/T 1598 铂铑 10-铂热电偶丝 、铂铑 13-铂热电偶丝 、铂铑 30-铂铑 6热电偶丝

　　3 术语和定义

　　GB/T 483中界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　灰黏度 ash viscosity

　　煤灰在熔融状态下对流动阻力的量度 。

　　[GB/T 483—2007,定义 3. 3. 33] 3.2

　　动力黏度 dynamicviscosity

　　面积各为 1 m2 并相距 1 m 的两层流体 , 以 1 m/s 的速度作相对运动时所产生的内摩擦力 。 3.3

　　临界黏度 criticalviscosity

　　煤灰的黏度-温度曲线中两条切线的交点所对应的温度为临界黏度温度 ,该温度下的黏度值为临界黏度。

　　4 方法提要

　　将煤灰制成适当尺寸的小球 ,逐个放入已在高温炉内加热到一定温度的坩埚中熔融 ,将钢丝扭矩式黏度计的测杆插入熔体中并使之以一定速度旋转 。采用降温测定方法 ,从最高温度开始 ,每隔 20 ℃ ~ 50 ℃测定一个温度点的钢丝扭转角 ,直至黏度大于 50(或 100)Pa · s。从黏度-扭转角曲线上查出各温度点的黏度 , 以温度为横坐标 ,黏度为纵坐标 ,绘制温度-黏度曲线 。

　　5 试剂和材料

　　5. 1 黏度标准物质

　　5. 1. 1 硅油 :黏度值已知(约为 1 Pa · s、5 Pa · s、10Pa · s、25Pa · s、50Pa · s和 100 Pa · s)的有证标

　　GB/T 31424—2015

　　准物质 ,用于常温下标定黏度计 。

　　5. 1.2 硼酐 :黏度-温度关系已知的有证标准物质 ,用于高温下标定黏度计 。如不能得到硼酐黏度-温度关系已知的有证标准物质 ,可按 8. 3所述方法 ,用已经在常温下用硅油标准物质标定过的钢丝扭矩式黏度计 ,测定硼酐在不同温度下的标定黏度值 。

　　5.2 氢气

　　纯度不小于 99. 5% 。

　　5.3 氮气

　　纯度不小于 95% 。

　　5.4 糊精溶液

　　100 g/L,称取 10 g糊精(化学纯)溶于 100 mL蒸馏水中 。

　　6 仪器设备

　　6. 1 钢丝扭矩式黏度计

　　用于煤灰黏度测定的钢丝扭矩式黏度计由供气系统 、高温炉 、测量系统组成 , 图 1 为一种典型的钢丝扭矩式黏度计 ,其黏度测量范围 1 Pa · s~ 100Pa · s,最高工作温度为 1 700 ℃ 。

　　说明 :

　　1 — 测量头 ;

　　2,3— 光电管 ;

　　4 — 指示仪表 ;

　　5,6— 温度控制器 ;

　　7 — 坩埚 ;

　　8 — 热电偶 ;

　　9 — 高温炉 ;

　　10 — 坩埚内熔体高度 ;

　　11 — 测杆 ;

　　12,16— 光源 ;

　　13,15— 带光窗转盘 ;

　　14 — 钢丝 ;

　　17 — 电机 。

　　图 1 钢丝扭矩式黏度计

　　6.2 供气系统

　　由氢气钢瓶 、氮气钢瓶 、减压阀 、压力表和浮子流量计组成 。

　　6.3 高温炉

　　6.3. 1 高温炉 :最高加热温度可达 1 700 ℃ ,恒温区(各部位温差小于 2 ℃)高度不少于 40 mm ,温度在600 ℃ ~ 1 700 ℃连续可调 ,控温精度 ±5 ℃ 。

　　6.3.2 热 电 偶 : 由 铂 铑 30-铂 铑 6(或 型 号 符 合 GB/T 1598 规 定 的 其 他 热 偶 丝) 组 成 , 测 量 范 围 为300 ℃ ~ 1 700 ℃ , 热偶丝直径为 0. 5 mm ,加气密刚玉保护管使用 。

　　6.3.3 刚玉套管 :可耐 1 700 ℃以上高温(见图 2) 。

　　单位为毫米

　　图 2 刚玉套管

　　6.4 测量系统

　　6.4. 1 测量系统 :主要包括电动机 、钢丝 、测杆和上 、下转盘 。

　　6.4.2 弹性钢丝 :直径 0. 25 mm~0. 30 mm。

　　6.4.3 测杆(见图 3) : 钼 制 品 或 其 他 耐 高 温 材 料(刚 玉 、铂 铑) , 直 径 4 mm , 长 320 mm , 一 端 带 直 径10 mm , 长 10 mm 的圆柱体 。测杆的垂直度为 0. 03 ∶ 100;测杆头尺寸的偏差为 0. 1 mm;表面粗糙度为 3. 2 μm。测杆使用前应检查 。

　　单位为毫米

　　图 3 测杆

　　6.4.4 毫秒计 :量程 0 ms~ 10 000 ms,分度值 1 ms,用于测定钢丝扭转角 。

　　6.4.5 钼(铂)丝 :直径为 1. 5 mm、1. 0 mm、0. 8 mm。

　　6.4.6 坩埚(见图 4) : 刚玉或其他耐高温材料(钼 、铂铑) , 内径 33 mm ,外径 37 mm ,高 50 mm ,耐火温度1 900 ℃ 以上 。

　　单位为毫米

　　图 4 坩埚

　　7 样品制备

　　将按 GB 474制备的煤样 ,按 GB/T 212灰化 ,每个煤灰样至少 100 g。将烧成的灰分成两份 ,一份备用 ;另一份用糊精溶液润湿后制成直径约为 10 mm 的灰球 , 晾干或低温烘干后 ,待用 。

　　注 : 也可预先用高温马弗炉将煤灰熔融 ,冷却后待用 。

　　8 试验准备

　　8. 1 恒温区的确定

　　8. 1. 1 高温炉首次使用时 ,加热元件更换和炉子使用较长时间后都应确定恒温区 。

　　8. 1.2 在炉内底部固定一支热电偶,热端位于炉膛中部(见图 5) 。将该热电偶热端设为测量的基准端 ,以控制炉子升温 。从炉顶上部置入一支可移动的热电偶 ,并将其热端与固定热电偶热端置于同一水平位置 。炉温升至 1 700 ℃ ,恒温 5 min~ 10 min后 ,分别读出移动热电偶和固定热电偶的测量值(两点的温度值应相等) 。

　　说明 :

　　1— 炉管 ;

　　2— 移动热电偶 ;

　　3— 固定热电偶 ;

　　4— 恒温区 。

　　图 5 恒温区确定

　　8. 1.3 将移动热电偶向上移动 10 mm(要控制好固定热电偶温度值使其保持恒温状态) ,恒温 5 min~

　　10 min,读取并记录该点的温度值 。然后 ,将移动热电偶继续向上移动 10 mm ,记录该点的温度值 。依次逐点类推 ,直至温度开始下降 。将移动热电偶热端重新置于与固定热电偶的同一水平位置 ,开始向下移动 10 mm ,记下该点温度值 。继续向下移动 10 mm ,记录该点的温度值 。依次逐点类推 ,直至温度开始下降 。根据上述结果 ,确定出恒温区 。

　　8.2 熔体温度的校正

　　将一支测定用热电偶(外热电偶)由炉底置入炉内距离坩埚底部 2 mm~ 3 mm(见图 6) 。在坩埚内装入熔体 ,其数量与测定时所需相同 。将另一支热电偶(内热电偶)放入坩埚内 ,按测定时的升温速度将炉温升至最高温度 1 700 ℃ ,并恒温 2 min~ 3 min。测出外热电偶及内热电偶的温度后 , 降温(与测定时降温速度相同) ,每降 50 ℃恒温测量一个点 ,至 1 000 ℃后完毕 。绘出外热电偶与内热电偶温度校正曲线 , 以此为温度测量时的修正依据 。

　　说明 :

　　1— 钼丝加热管 ;

　　2— 外热电偶 ;

　　3— 坩埚 ;

　　4— 内热电偶 ;

　　5— 刚玉电偶套管 。

　　图 6 熔体温度校正

　　8.3 黏度计标定

　　8.3. 1 常温标定法

　　用黏度值 约 为 1 Pa · s、5 Pa · s、10 Pa · s、25 Pa · s、50 Pa · s 和 100 Pa · s 的 硅 油 标 准 物 质(5. 1. 1) 为测定介质 ,在 19 ℃ ~ 21 ℃下 ,用钢丝扭矩式黏度计测定相应的扭转角(或毫秒计读数) 。 以硅油黏度标准值为纵坐标 ,扭转角为横坐标 ,绘制黏度-扭转角(或毫秒计读数)曲线 。

　　8.3.2 高温标定法

　　取破碎成 5 mm~ 15 mm 的小块硼酐(5. 1. 2)50g左右为测定介质 ,在黏度为 1 Pa · s~ 100 Pa · s的相应温度范围内 ,从 1 200 ℃开始 ,每降温 50 ℃测定一个黏度值 ,直至 700 ℃ 。用钢丝扭矩式黏度计测定不同温度下的扭转角(或毫秒计读数) 。 以硼酐黏度测定值为纵坐标 ,扭转角(或毫秒计读数) 为横坐标 ,绘制黏度-扭转角(或毫秒计读数)曲线 。

　　8.4 坩埚捆绑

　　用直径为 1. 5 mm 的钼丝作坩埚架(长度视炉口到炉内恒温区的距离而定) ,然后用直径为 1. 0 mm (或 0. 8 mm)的钼丝绑扎于坩埚架上(见图 7) 。

　　说明 :

　　1— 直径为 1. 5 mm 的钼丝 ;

　　2— 坩埚 ;

　　3— 直径为 1. 0 mm(或 0. 8 mm)的钼丝 。

　　图 7 坩埚捆绑

　　9 测定步骤

　　9. 1 将一捆绑好的坩埚稳定地吊在炉膛中 , 坩埚应位于炉膛恒温区 ,其底部距热电偶 2 mm~ 3 mm。转动黏度计悬臂 ,使测杆对准高温炉炉口中央 。开动黏度计 ,观察测杆是否同心旋转 ,如有明显摆动 ,应更换测杆或将其调直 ,并调节测量系统各接头 ,使电动机轴 、弹性钢丝和测杆在同一轴线上 。慢慢降下黏度计悬臂 ,至测杆刚好触及坩埚底部 ,记下高度标尺读数 H1 (mm) ,然后提起测杆 。将测杆插入带水的坩埚中 ,开动黏度计 ,测定并记录零点读数 。

　　9.2 接通电源 ,温度低于 1 200 ℃时 ,升温速度为 10 ℃/min~ 15 ℃/min ,温度为 1 200 ℃ ~ 1 500 ℃时 ,升温速度为 5 ℃/min~ 7 ℃/min;温度为 1 500 ℃ ~ 1 700 ℃ ,升温速度为 3 ℃/min~ 5 ℃/min。

　　9.3 当炉温升至 600 ℃时 ,打开氮气钢瓶开关 ,氮气流量为 500 mL/min,往冷却水套中通入冷水 。 当炉温升至 1 500 ℃或以上 时 , 打 开 氢 气 钢 瓶 开 关 , 并 调 节 氮 气 和 氢 气 的 流 量 , 使 氢 气 在 混 合 气 体 中 占20%(体积分数) ,混合气体总流量为 1 000 mL/min。然后将灰球逐个投入坩埚中熔融(或投入已熔融好的晶体) ,直到熔体高度达到 25 mm~ 30 mm 为止 。熔融过程中应防止熔体起泡溢出 。全部灰球熔完后 ,保温 10 min以上 ,待熔体中气泡完全消失后 ,用一根直径 1. 5 mm 的钼丝插入熔体至坩埚底 ,然后立即抽出 ,于冷水中急冷 , 由钼丝上的熔体痕迹量出熔体高度 HD (mm) 。将测杆小心放入炉内坩埚中央 ,并调节它的高度使其插入熔体 15 mm , 即黏度计高度标尺读数 H2 满足式(1)的要求 :

　　H2 = H1 + HD - H0 …………………………( 1 )

　　式中 :

　　H2— 测杆插入熔体 15 mm 时 ,黏度计高度标尺读数 ,单位为毫米(mm) ;

　　H1— 测杆触及坩埚底部时 ,黏度计高度标尺读数 ,单位为毫米(mm) ;

　　HD— 坩埚内熔体高度 ,单位为毫米(mm) ;

　　H0— 测杆插入坩埚内熔体的高度 ,等于 15,单位为毫米(mm) 。

　　9.4 开动黏度计进行降温测定 ,根据黏度变化情况每隔 20 ℃ ~ 50 ℃测定一点 。 每点测定时应先恒温10 min~ 15 min,待温度和扭转角(或毫秒计读数)都稳定后开始测定 ,在 5 min内至少读取 3 次温度和扭转角(或毫秒数) ,取其平均值为该点温度和扭转角(或毫秒数)值 。 当黏度大于 50Pa · s(或 100Pa · s)时停止试验 ,并迅速将测杆提升至炉外 ,浸入冷水中冷却 。炉温降至 1 000 ℃以下时 , 断电 、停止通氢气 ,温度降至 400 ℃以下时 ,停止通氮气 。

　　10 结果表述

　　10. 1 根据各测定点的扭转角减去零点扭转角(或毫秒计读数减去零点毫秒计读数)从黏度计标定曲线上查出相应的黏度值 。

　　10.2 记录和报告各温度测点下的黏度值 ;并以温度为横坐标 、黏度值为纵坐标 ,绘制或者利用数学方法拟合被测煤灰的黏度-温度曲线 ,绘制曲线的两条切线 ,切线的交点(图 8 中 o 点) 所对应的温度为临界黏度温度 ,查出临界黏度 ,最后将黏度-温度曲线 、临界黏度和临界黏度温度同时报出 。

　　图 8 煤灰黏度-温度曲线

　　11 方法精密度

　　煤灰黏度测定方法的精密度如表 1规定 。

　　表 1 煤灰黏度测定结果的重复性限

　　12 试验报告

　　试验报告中至少包含以下信息 :

　　— 样品标识 ;

　　— 依据标准 ;

　　— 试验中的异常现象 ;

　　— 与标准的任何偏离 ;

　　— 试验气氛性质及控制方法 ;

　　— 煤灰的临界黏度和黏度-温度曲线 。