冶金工程实验全册配套最完整精品课件

1、冶金材料实验和分析技术冶金材料实验和分析技术全册全册配套最完整精品课件配套最完整精品课件冶金材料实验和分析技术冶金材料实验和分析技术北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院前 言 冶金工艺技术的发展是一个不断创新和不断完善的过程。冶金材料实验和分析技术是冶金学科发展过程中极为重要的环节，也是“冶金工程专业”本科生必须了解的基本知识。本课程对冶金工程领域所涉及的实验技术和研究方法进行较系统的介绍。教学目的 （1）介绍冶金工程常用的实验设备和实验技术 （2）了解冶金工程常用的实验设备的用途、特 点和使用方法 （3）理解冶金工程实验的基本原理 （4）学会如何选择实验设备和实验方法

2、，以达到 实验研究的目的教材1陈伟庆主编，冶金工程实验技术，北京：冶金工 业出版社，2004.10 参考书2徐南平主编，钢铁冶金实验技术和研究方法，北京：冶金工业出版社，19993王常珍主编，冶金物理化学研究方法，北京：冶金工业出版社，1985主要内容1.冶金试验研究工作的程序和步骤冶金试验研究工作的程序和步骤2.高温冶金实验高温冶金实验3.冶金模拟实验冶金模拟实验4.冶金物相分析冶金物相分析 5.化学成份和钢中气体分析化学成份和钢中气体分析6.试样的采集和制备试样的采集和制备7.冶金熔体和散状原料的物性检测冶金熔体和散状原料的物性检测 8.连铸坯检测连铸坯检测 1 冶金试验研究工作的程序和步

3、骤冶金试验研究工作的程序和步骤n进行科学研究工作时，如何进行选题和查阅文献，如何作实验设计，如何分析和处理实验数据，如何撰写科研论文，对于科研人员来说，尤为重要。掌握和熟练运用这些方法，是科研人员必须具备的基本功。n进行科学研究时，一般的研究工作程序和步骤如下。1.1 试验研究工作程序1.1.1 选定研究课题 科研课题按研究内容可分为： （1）基础研究：以认识自然现象、探索自然规律 为目的，不直接考虑应用目标的研究。 （2）应用基础研究：有应用前景，以较新原理、 新技术、新方法为主要目的的研究。 （3）应用研究：其成果能在生产中应用，能产生 经济效益的研究。 如按经费来源大致有如下几类：（1）

4、国家课题：国家攻关项目、科技发展项 目、技术创新和重大基础研究项目（2）科学基金：国家自然科学基金，省市科 学基金（3）企业课题：科研院所和高校与企业合作 的研究开发项目（4）自选课题：自筹科技发展和研究经费， 以及研究生教育经费资助的课题选题报告（或称为项目建议书）一般应包括如下内容； 课题名称； 选题依据（目的意义、国内外研究现状分析）； 研究内容和方法以及预期目标； 创新点和关键技术； 研究基础； 研究计划和进度； 研究经费预算； 课题负责人和主要参加人员情况； 协作单位1.1.2 文献资料工作 选定研究课题前后，或在研究过程中都需要查阅大量文献。文献资料一般可分为： 专业书； 专业会议

5、文集； 专业期刊； 专利文献； 科研报告。 查阅文献的目的为： （1）借鉴前人的经验； （2）避免重复前人的研究工作。 查阅文献的方法有： （1）追溯法：先查阅一篇最近发表的有关文献，根据其后所附的参考文献向前追溯出一些相关文献。 （2）检索工具书：查阅有关文摘期刊，如Chemical Abstracts(化学文摘),再根据索引查阅有关原文。（3）专利文献查阅：专利文献主要指专利说明书，可到国家专利局查阅德温特公司(Derwent Publications Ltd.英国一家专门收集专利文献的出版公司)出版的World Patent Index(世界专利索引)，在根据索引和专利号查阅专利说明书。

6、（4）计算机检索：利用科技情报部门或图书馆的文献检索光盘或计算机联网系统查阅文献摘要。1.1.3 制定实验方案和进行试验准备 参考前人的经验选择试验方法，并根据研究内容制定试验方案、准备试验设备仪器和试验原材料。1.1.4试验工作 先做预备试验，根据预试验结果调整试验参数，进行正式试验。试验时做好原始记录，将试验样品和数据编号保存。1.1.5 试验结果的分析处理 在试验过程中，随时将试验结果进行整理、分析和处理，并制成图表，从中找出规律和发现新问题。1.1.6 科研论文编写 科研论文一般应包括如下内容： （1）题目：论文题目应做到简练、醒目、确切； （2）作者及工作单位：署名时可根据研究人员在

7、本 项工作中起实质作用的贡献大小排列名次，另 需注明工作单位，以便读者咨询和联系； （3）摘要:论文的简要总结摘要,通常用中英文写出； （4）前言：主要论述本项研究工作的目的和意义， 以及与本题有关的前人所做工作和知识空白； （5）实验方法：列出实验设备、仪器、材料和实验 条件以及操作方法，必要时画出实验装置图； （6）实验结果：通常用图、表、照片和公式表示实验结果， 并做必要的论述。论文所用物理和化学量应采用国际单 位制，各种符号应按国际惯例书写； （7）分析与讨论：对实验结果的理论解释，可根据自己的 或参考别人的文献提出自己的见解。如引用别人的文 献，应注明出处，以示对前人工作的尊重，并使

8、读者便 于查找； （8）结论：根据实验结果归纳出的明确论点和规律； （9）致谢：对参加本项研究的部分工作或对本项研究有帮 助的人，应给予提名致谢； （10）参考文献：论文在最后示出参考文献，表示作者的 严谨工作作风和对前人所做工作的尊重，也便于读者 查找。1.2 冶金工艺试验工作的步骤 冶金工艺试验研究的最终目的是将试验成果用于生产实践，为避免重大经济损失，一些新工艺的研究开发通常由小到大分为若干阶段。 （1）实验室试验阶段：冶金工艺研究的实验室试验多在高温实验炉的坩埚中进行，以探索技术的可行性，找出对工艺参数有影响的各种因素。 （2）扩大实验室试验：它是介于实验室小型试验与半工业试验之间的一

9、种中间试验。在研究内容比较简单的情况下，可省去小型试验而直接进行扩大试验。在某种情况下，还可代替半工业试验，其研究结果可直接用于工业试验。（3）半工业试验：在开发新工艺、新技术或缺乏经验的生 产方法时，一般采用半工业试验，其规模大小由具体 情况决定。通过半工业试验，应能解决将来生产上可 能遇到的一切问题，对该项新工艺作出正确评价，并 为工业设计积累必要数据。（4）工业试验：工业试验通常是在扩大实验室试验或半工 业试验的基础上进行的。对于可供借鉴的经验知识较 多的工艺，也可直接进行工业试验，例如新钢种的冶 炼。工业试验是为了将研究成果应用于工业化生产的 重要环节。 工业试验成功后，一般要有上级有

10、关部门组织专家进行技术鉴定，一方面正式肯定该项成果，作出评价；另一方面是对该项成果能否正式转入工业生产提出权威性意见。2 高温冶金实验 冶金实验大多数是在高温下进行的，本章将介绍高温冶金实验技术和研究方法以及高温冶金实验的实例。2.1高温实验炉 2.1.1 电阻炉 电阻炉设备简单、易于制作、温度和气氛容易控制，在实验室使用最多。电阻炉是将电能转换成热能的装置，当电流I通过具有电阻R的导体时，经过t时间便可产生热量Q： Q0.24I2Rt 当电热体产生的热量与炉体散热达到平衡时，炉内即可达到恒温。2.1.1.1电阻炉结构 根据用途不同，实验室用的电阻炉，有竖式或卧式管状炉、箱式炉等，其基本结构大

11、致相同。图2-1为竖式电阻炉的结构，主要由以下6部分组成： (1)电热体 (2)电源引线 (3)炉管 (4)炉壳 (5)炉衬。 (6)支架 图2-1. 竖式电阻炉 2.1.1.2电热体 电热体分为金属和非金属两类，以下分别介绍。电热体分为金属和非金属两类，以下分别介绍。 (1)(1)金属电热体金属电热体 金属电热体通常制成丝状，缠绕在炉管上作为加热元件，常用的电热丝有：金属电热体通常制成丝状，缠绕在炉管上作为加热元件，常用的电热丝有： 铬镍合金丝铬镍合金丝可在可在10001000以下的空气环境条件下长期使用。以下的空气环境条件下长期使用。 铁铬铝合金丝铁铬铝合金丝使用温度在使用温度在12001

12、200以下，可以在氧化气氛下使用以下，可以在氧化气氛下使用 。 铂丝和铂铑丝铂丝和铂铑丝铂丝使用温度在铂丝使用温度在14001400以下，铂铑则可用到以下，铂铑则可用到16001600。 能在氧化气氛中使用。能在氧化气氛中使用。 钼丝钼丝MoMo的熔点高，长期使用温度可达的熔点高，长期使用温度可达17001700，但，但MoMo在高温氧化气氛中可生成在高温氧化气氛中可生成 氧化钼升华，因而仅能在高纯氢、氨分解气或真中使用。氧化钼升华，因而仅能在高纯氢、氨分解气或真中使用。(2) 非金属电热体 非金属电热体通常做成棒状或管状，作为较高温度的加热元件，常用的非金属电热体有如下三种： 硅碳电热体Si

13、C电热元件在氧化气氛下能在1400以下长期工作， 图2-2是不同形状的SiC 电热元件，棒状SiC常用于箱式电阻炉（也称为马弗炉），管状SiC用于管式电阻炉。 硅钼电热体 MoSi2电热元件一般做成I或U型，如图2-3所示。这种电热体可在氧化气氛中1700以下使用。图2-3.二硅化钼加热元件 a-I型; b-U型 石墨电热体 石墨通常加工成管状，用于碳管炉（也称为汤曼炉）电热元件，也可做成板状或其它形状。石墨电热体在真空或惰性气氛中使用温度可达2200，碳管炉一般在1800以下使用。石墨耐急冷急热，配用低压大电流电源，能快速升温。但石墨在高温容易氧化，需在保护气氛（Ar、N2）中使用。 2.1

14、.2 感应炉感应炉 无芯感应炉是利用电磁感应在被加热的金属内部形成感应电流来加热和熔化金属的，感应炉的基本电路如图2-4所示 。 感应线圈是用铜管绕成的螺旋形线圈，铜管通水进行冷却。交变电流通过感应线圈时使坩埚中的金属料因电磁感应而产生电流。感应电流通过坩埚内的金属料时，产生热量，可将金属熔化。 图2-4.感应炉的基本电路 在电磁力的作用下，坩埚内已熔化的钢液将产生运动。钢液的运动可带来一些有益和有害的作用。 有益作用有： 均匀钢液温度； 均匀钢液成份； 改善反应动力学条件。 有害作用有：冲刷炉衬； 增加空气中氧对钢液的氧化； 将炉渣推向坩埚壁，使壁厚增 加，降低了电效率。 使钢液产生电磁搅拌

15、的电磁力大小可由下式计算： F KP/ （2-1） 式中： P炉料吸收的功率，瓦 f电流频率，赫兹 K常数 电磁搅拌的强弱与电流频率的平方根成反比。f 根据电流频率，感应炉可分为以下三种：（1）工频感应炉 工频感应炉是以工业频率的电流（50或60赫兹）作为电源的感 应电炉。国内工频感应炉的容量为0.520吨。 它是一种用途比较广泛的冶炼设备。（2）中频感应炉 所用电源在15010000赫兹范围内的感应炉称为中频感应 炉。中频炉电源频率为5002500赫兹。中频炉的容量可以从几 公斤到几吨。中频炉的电源设备有中频发电机和可控硅变频器。 中频炉的应用非常广泛，大部分冶金实验室都配备有5150公 斤

16、的中频炉。 (3) 高频感应炉 高频感应炉使用的电源频率在10300千赫兹，所用电源为高频 电子管振荡器、可控硅变频器或高频发电机，以产生高压高频率交流电供高频炉使用。高频炉受电源功率限制，主要用于实验室。作为科研试验用的高频炉容量通常仅有几百克。高频感应炉的电源设备复杂，工作电压高，安全性差，这种炉子逐步被中频感应炉所代替。（4）真空感应炉 真空感应炉是用来进行真空冶金的设备。真空炉的电源设备与中频感应炉基本相同。真空炉的感应圈和坩埚部分被放在能够密封的炉壳内（如图2-5所示），由真空泵抽气后，真空度可达到1.34-0.134Pa范围内。国产真空感应炉容量为101500公斤。真空炉的设备和操

17、作都比较复杂，可以在真空下加料、取样和铸锭，一般仅在进行特殊要求的钢种试验时才使用。图2-5. 容量10的实验室真空感应炉1-炉壳；2-坩埚；3-多孔塞；4-水冷管；5-金属取样和温度测量装置； 6-观察孔；7-转子流量计；8-气体净化器；9-气瓶2.1.3 其它高温炉 2.1.3.1 等离子电弧炉 等离子炉是用电弧放电加热气体以形成高温等离子体作为热源进行熔炼或加热的电炉。 等离子电弧炉由等离子枪、炉体及直流电源三部分组成，如图2-6所示。 图2-6. 等离子电弧炉 1-等离子发生器;2-炉顶密封部分; 3-底部电极;4-倾出口n当气态原子获得一定能量时，其最外层电子会脱离原子核的吸引成为自

18、由电子。而原子则成为正离子。这种现象叫做气体的电离。自由电子、正离子以及气体的原子和分子等组成的混合体叫做等离子体。n用于产生等离子体的装置称为等离子发生器，也叫等离子枪。当气体（常用Ar气）通过等离子枪内电弧区时，被电离成等离子体，从喷口高速喷出，气体又极快复合成分子状态而放出能量。氩弧等离子流的温度能达2万以上。等离子体发生器有两种(见图2-7) (a) 一种是等离子枪中只有一 个负电极，而正电极是用被 加热和熔化的金属充当，这 种方式称为转移弧。 (b)另一种是发生器本身就具有 正负两极，极间产生电弧， 这种电弧又被等离子气体带 出形成等离子体火炬，这种 方式称为非转移弧；n转移弧等离子

19、炉可用于金属熔炼;n非转移弧炬亦称为等离子体气体加热器，可用于加热气体或加热金属和钢液。图2-7.两类等离子弧发生器 a-转移弧; b-非转移弧2.1.3.2 电子束炉n电子束加热的原理是高速电子流轰击被加热金属表面，将它的动能转化为热能，从而金属被加热、熔化并流入水冷铜模内。图2-8是电子束熔炼原理示意图。n熔炼是在10-110-3Pa的高真空下的水冷铜坩埚（结晶器）内进行的，可以有效地避免金属液被耐火材料污染，因此电子束熔炼为一些金属材料，特别是难熔金属提供了一种有效地精炼手段。在实验室里，电子束加热已成功的用来区域精炼金属和生产单晶。 图2-8. 电子束熔炼原理示意图 2.1.3.3悬浮

20、熔炼炉n悬浮熔炼炉又称为无坩埚熔炼炉，其装置如图2-9所示。n当悬浮线圈通入交流电后就会产生一个磁场，如果有一个导体（金属试样）在这个高频磁场中，由于感应作用在金属内部产生感应电流，同时也产生一个磁场，其方向与悬浮线圈产生的磁场相反，从而产生一个斥力使导体悬浮于空间。n悬浮熔炼可以避免坩埚材料产生的污染，主要用于实验室的小型纯金属熔炼研究，也可用于冶金反应平衡研究。 图2-9. 悬浮熔炼炉2.1.3.4 冷坩埚熔炼炉n冷坩埚熔炼是一种采用水冷分瓣铜坩埚对物料进行真空感应熔炼的方法。典型的冷坩埚熔炼炉结构如图2-10所示。 n铜坩埚分瓣的目的是为了避免导电的坩埚对电磁场产生屏蔽作用；n水冷的目的

21、是为了使坩埚壁温度保持在冷态，避免熔池中熔料与坩埚发生物理和化学反应。图2-10.冷坩埚熔炼炉2.2 温度的测量 在冶金高温实验中，准确的温度测量和控制是必不可少的。 测量温度的方法分二类n接触式测温（如热电偶）-传感元件要紧靠被测物体或直接置于温度场中；n非接触式测温（如光学高温计）-利用被测物体的热辐射或辐射光谱分布随温度的变化来测量物体温度的。2.2.1热电偶2.2.1.1热电偶的工作原理 在一个由不同金属导体A和B组成的闭合回路中，当此回路的两个接点保持在不同温度t1和t0时（见图2-11）,只要两个接点有温差，回路中就会产生电流，即回路中存在一个电动势，这就是“赛贝克温差电动势”，简

22、称“热电势” 图2-11. 塞贝克效应示意图 由导体A、B可组成一对热电偶。接点1焊接在一起，工作时将它置于被测温的场所，故称为工作端（热端）。接点2要求恒定在一定温度下，称为自由端（冷端）。 常用的标准热电偶有:热电偶名称 极性 化学成分 使用温度() 长期 短期铂铑10-铂 Pt90%，Rh10% 1300 1600 Pt100% 铂铑30-铂铑6 Pt70%，Rh30% 1600 1800 Pt94%，Rh6% 表2-5 铂铑10铂热电偶分度表（分度号：LB-3）（自由端温度为0）工作端 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9温度（） 毫伏（绝对伏） 0 0.000 0.005 0.01

23、1 0.016 0.022 0.028 0.033 0.039 0.044 0.050 10 0.056 0.061 0.067 0.073 0.078 0.084 0.090 0.096 0.103 0.107 20 0.113 0.119 0.125 0.131 0.137 0.143 0.149 0.155 0.161 0.167 30 0.173 0.179 0.185 0.191 0.198 0.204 0.210 0.216 0.222 0.229 标准的热电偶分度表是指自由端为0时的热电势，实际测温条件下自由端不一定处于0，由此会带来误差，应加以消除或修正。 (1)自由端温度恒定

24、法 图2-15. 冰点瓶1.热电偶;2-保温瓶;3-试管; 4-变压器油;5-冰水混合物; 6-接仪表导线 (2) 自由端温度修正法 例例：用铂铑10铂热电偶测温时，自由端温度t130， 测得的热电势E（t，30）13.542mV，试求炉温。 由LB3分度表查得E（30，0）0.173mV。可得： EAB（t，t0）EAB（t，t30）EAB（t30，t0） 13.5420.17313.715mV 再由LB3分度表查得13.715mV为1350。 若自由端不作修正，则所测13.542mV对应1336，与实际炉温1350相差14。n铂铑30铂铑6热电偶（简称双铂铑）的热电势较小，0到室温的热电势

25、很小，实际测温时一般不用修正。n铂铑10铂热电偶（简称单铂铑）的热电势较大，自由端温度不是0时进行测温会产生较大误差，实际测温时应作修正。2.2.2 辐射温度计 用来测量热辐射体的辐射通量，并按温度单位分度输出信号的仪表，通称为辐射温度计。如光学高温计、红外温度计和比色高温计等。辐射温度计是非接触式测温。辐射温度计是非接触式测温。 以下介绍光学高温计 光学高温计是由望远镜与测量仪表连在一起的整体型测温仪器。常用的灯丝隐灭式光学高温计的示意图参看教材图2-16 。 用光学高温计测温时，是基于比较被测物体的亮度和光学高温计灯丝的亮度。 如图2-17所示（a）当灯丝的亮度较被测物体低时，灯丝发黑；（

26、c）当灯丝亮度高于被测物体时，灯丝发白；（b）当灯丝亮度恰好与被测物体相同时，灯丝隐灭在被测物体的背景中， 此时可以从高温计刻度盘上读出被测物体的温度值。 图2-17. 光学高温计灯泡灯丝亮度调整图2.3 高温实验用耐火材料2.3.1 纯氧化物耐火材料 (1) Al2O3：为中性氧化物，高温烧成的熔融纯：为中性氧化物，高温烧成的熔融纯Al2O3称为刚玉，在高称为刚玉，在高 温实验中被广泛使用。温实验中被广泛使用。 用途：坩埚用途：坩埚,炉管炉管,热电偶保护管、套管、垫片等热电偶保护管、套管、垫片等 （2）MgO：为碱性氧化物，常用来做坩埚，可盛钢铁液、金属熔体：为碱性氧化物，常用来做坩埚，可盛

27、钢铁液、金属熔体 和炉渣。抗碱性氧化渣的能力强，适合盛转炉型熔渣。和炉渣。抗碱性氧化渣的能力强，适合盛转炉型熔渣。 (3) ZrO2：系弱酸性氧化物。可用来做坩埚盛金属熔体，适合盛酸性：系弱酸性氧化物。可用来做坩埚盛金属熔体，适合盛酸性 或一般硅酸盐炉渣。可做固体电解质定氧探头。或一般硅酸盐炉渣。可做固体电解质定氧探头。 (4) SiO2：系酸性氧化物，纯：系酸性氧化物，纯SiO2称为石英。石英做成坩埚时，可盛称为石英。石英做成坩埚时，可盛 铁水和酸性炉渣。还可用于炉管铁水和酸性炉渣。还可用于炉管,液态金属取样管液态金属取样管,真空容真空容 器等器等 2.3.2 炉衬耐火材料和结合剂 在感应炉

28、中进行冶金实验时，需用耐火材料做炉衬。制作感应炉炉衬时，常用耐火捣打料配加结合剂捣打成坩埚，经自然养护、烘干后使用； 也可先用散状耐火材料制成坩埚，经干燥或高温烧结后，再放入感应圈内使用。2.3.2.1 耐火捣打料 耐火捣打料是不定型耐火材料的一种，它是由耐火骨料、粉料和结合剂组成的。 骨料为60-65%，由5-0.5mm 的颗粒组成； 粉料35-40%, 细度为0.09mm的大于85%。 几种普通耐火捣打料 （1）高铝质普通耐火捣打料 （2）铝镁质普通耐火捣打料 （3）镁质水泥耐火浇注料 （4）镁铬质普通耐火捣打料 2.3.2.2 结合剂 （1）水玻璃：硅酸纳（nNa2OmSiO2）。水玻璃

29、结合成型后耐火材料的室温强 度高，但对高温性能不利。 （2）磷酸盐：磷酸（H3PO4）常用作Al2O3的结合剂。在不定形耐火材料 中， 应用最多的是三聚磷酸钠（Na2P3O10）和六偏磷酸钠(NaPO3)6，这两 种聚合磷酸钠为白色粉末，均溶于水，是镁质耐火材料的良好结合剂。 （3）硫酸铝：Al2(SO4)3为白色粉末，溶于水，可作高铝质耐火材料的结合剂。 （4）卤水：主要成份是MgCl2，主要用作镁砂的结合剂。由卤水结合的镁砂成型 后，常温强度低，经高温煅烧后，MgCl2放出氯气并生成MgO. （5）软质粘土：含w(Al2O3)30、w(SiO2)55，可用作粘土质和高铝质 耐火材料的结合剂

30、。2.3.3 石墨和非氧化物耐火材料2.3.3.1 石墨 (1)常用石墨坩埚盛碳饱和铁水，以研究其熔体反应或渣-铁反应情况， (2)石墨坩埚可在感应炉中作容器，以熔化非磁性金属材料或氧化性炉渣； (3)石墨坩埚还常用作外层保护坩埚，其内层放入MgO或Al2O3坩埚，以使氧化物坩埚在升温速度较快时能均匀受热。2.3.3.2 金属坩埚 （1）纯铁坩埚：含氧化铁较高的炉渣能够侵蚀任何氧化物坩埚，并使炉渣成份显 著改变。而纯铁坩埚可以作为高氧化铁炉渣的容器，一般使用温度在1400以下。 （2）钼坩埚：可在较高温度下（如1600）作为氧化性炉渣的容器。但Mo易氧化，需在惰性保护气氛下或真空中使用。 （3

31、）铂坩埚：Pt坩埚可盛氧化性炉渣，常用温度1400，短时间可用到1600，可在氧化性气氛下使用。但价格昂贵，故很少使用。2.3.3.2金属陶瓷 金属陶瓷也可做坩埚、热电偶保护套管等。2.3.4 保温隔热材料 在高温实验炉中，为减少热损失和保证炉温稳定，常需要在炉壳内填充保温材料。保温材料要求导热系数小、具有一定的耐火度、容重应小些。 常用的保温隔热材料有:n硅酸铝纤维n空心氧化铝球n轻质高铝砖n轻质粘土转 2.3.5 高温实验耐火材料的选用 进行高温实验时，对耐火材料选用一般应考虑如下几点： 使用温度； 耐火材料和炉渣的酸碱性。例如，碱性渣要用碱性耐火材料； 热稳定性，激冷激热性能； 所盛金属

32、的种类。例如，铁水可用石墨坩埚，钢水可用Al2O3 或MgO坩埚； 使用气氛。例如，石墨坩埚必须在惰性或还原性气氛中使用； 所研究的渣系。例如，进行平衡实验，坩埚材料一般在渣中都要达到饱和，如研究渣中MgO的饱和溶解度时, 则要选用MgO坩埚。2.4 气氛控制和真空的获得 进行冶金实验研究时，常用到气体作为反应剂或载气,这些气体或参与反应,或作为惰性保护气氛。 某些冶金实验需要在真空条件下进行。 以下介绍气氛控制技术和获得真空的方法。2.4.1 气体的来源 实验室常用的气体有下列十种：O2、N2、H2、Ar2、CO、CO2、H2S、SO2、NH3和Cl2。 其中大多数气体装在高压贮气瓶中由工厂

33、生产出售，各种气体所用的钢瓶外都涂上不同的颜色，以便识别。各种气瓶的颜色由表2-10所示。气体种类O2N2H2CO2ArCl2NH3气瓶颜色天蓝黑深绿黑灰草绿黄表2-10 各种气体的颜色 在没有瓶装气体时，就需要自行制备。以下介绍一种铁矿石还原实验用CO气体的制造方法。 将瓶装CO2通入管式电阻炉，炉内装有木炭，并加热到1150-1200，产生如下反应： CO2 C CO然后将CO进行净化，脱除残留的CO2 和水，制的纯净的CO气体。 2.4.2 气体的净化大部分由工厂购入的气体含有杂质，在使用时需要进行净化处理。气体净化的方法有以下几类：(1)吸收净化；(2) 吸附净化；(3)冷凝净化(4)

34、过滤净化法；(5)催化净化。实验室中往往用几种方法结合起来净化气体。 常有气体的净化方法有：（）N2、Ar的净化高压瓶装氮气和氩气可能含有高压瓶装氮气和氩气可能含有O2、CO2、H2O等杂质。其净化方法是，等杂质。其净化方法是，先用装在管式电阻炉内的铜屑在先用装在管式电阻炉内的铜屑在600脱氧，反应如下：脱氧，反应如下： 4Cu+O2=2Cu2O再通过装在玻璃瓶内的再通过装在玻璃瓶内的KOH或碱石棉除或碱石棉除CO2，CO2+2KOH=K2CO3+H2O 最后再干燥脱水最后再干燥脱水,脱水时可按照脱水时可按照CaCl2硅胶硅胶P2O5的次序进行脱水。的次序进行脱水。如需脱除氩气中的杂质氮，可用

35、如需脱除氩气中的杂质氮，可用600镁屑脱氮，反应式为：镁屑脱氮，反应式为： N2+3Mg=Mg3N2（）CO的净化用钢瓶装的高压用钢瓶装的高压CO2通过加热到通过加热到1150-1200的木炭而制得的的木炭而制得的CO中，中，其主要杂质是其主要杂质是CO2和和N2。其中其中CO2杂质可以用杂质可以用50%KOH溶液或碱石棉除去，然后再按照溶液或碱石棉除去，然后再按照CaCl2硅胶硅胶P2O5的次序进行脱水。的次序进行脱水。因铁矿石还原实验常用因铁矿石还原实验常用CO N2的混合气体，所以的混合气体，所以N2杂质不必去除。杂质不必去除。（）（）H2的净化的净化钢瓶装氢气的主要杂质是钢瓶装氢气的主

36、要杂质是O2、N2和水。和水。 一般将一般将H2通过加热到通过加热到400的铂（或钯）石棉或经过活化后的的铂（或钯）石棉或经过活化后的105催化催化剂（一种含钯为剂（一种含钯为0.03%的分子筛，呈颗粒状，它能使氢和氧在室温下迅的分子筛，呈颗粒状，它能使氢和氧在室温下迅速化合为水），在催化作用下产生如下反应脱除速化合为水），在催化作用下产生如下反应脱除O2：2H2+O2=2H2O然后再经过硅胶，然后再经过硅胶，P2O5干燥脱水，即可满足大多数实验的要求。干燥脱水，即可满足大多数实验的要求。2.4.3 气 体 流 量 的 测 定 实验室内常用的气体流量计有转子流量计和毛细管 流量计两种 。 (1

37、) 转子流量计 转子流量计由一根垂直带有刻度的玻璃管和放入管中的 一个转子所构成 。使用时，气体从管的下口 进入管中， 使转子向上移动。 根据转子位置高低即可由刻度上读出相应的 流量 。 (2) 毛细管流量计 毛细管流量计如图2-19所示 。 Vs-流量； h-液面差K(系数）/（气体粘度）-由实验确定 图2-19毛细管流量计 2.4.5 真空的获得和真空泵 （）真空度用气体压强表示,单位用Pa表示托（Torr)=1mmHg=1/760 atm=133.3Pa低真空度：3 -1 Pa 高真空度：-1 -6 Pa 超高真空度； w(MgO)%时 (2-59) J白云石 = KMgO1+ w(Ca

38、O)%/w(MgO)%CMgO w(MgO)%w(CaO)%时 (2-60) 以上各式中：J为传质通量，g/cm2s；K为传质系数；CS，Cb分别为耐火氧化物在渣中的饱和含量和实际含量；w(MgO)%，w(CaO)%分别为白云石中MgO和CaO的含量；Q为白云石总溶解量，g/s；A为圆柱表面积，cm2；C为溶解驱动力，即CS与Cb的浓度差。 以dr/dt表示溶解速度，以上各式可变为 dr/dt = K（s/b100）（C） (2-61) 式中：s为炉渣密度，g/cm3；b为圆柱试样密度，g/cm3。 2.6.3 气一液反应动力学研究方法气一液反应动力学研究方法 钢铁冶金中的气一液反应，一般有钢

39、液的吸氮、吸氢，氧气对钢中元素的氧化，碳氧反应，钢液与空气接触时的二次氧化和真空处理等。 下面以测量液态铁被氧气氧化的速度为例，介绍高温下气一液反应动力学的研究方法。 研究液态铁的氧化速度时，可采用恒容法。恒容法的实验装置如图2-55所示。石英反应室的结构如图2-56所示。熔化设备为高频感应炉。用差压变送器测量系统总压力变化，电压信号送电子电位差计自动记录。用气相色谱仪分析气相成分。恒容法的特点是，实验系统的容积不变，但总压力改变，所测量的是某一压力下的瞬间溶解速度。 实验时，将纯铁样品放入MgO坩埚内，然后向系统中通入纯氩，排除空气。试样在氩气气氛中熔化，当钢液达到预定温度时，将系统抽真空（

40、60s可达0.13322Pa真空度）。之后，即将恒压瓶中的氧气通入反应室内，并测定氧气总压力的变化。在实验时，纯铁液氧化过程中反应室内氧气压力的变化见图2-57。 图2-55. 恒容法实验装置 1-水银压力计;2-参比气室;3-氧气储气室;4-薄膜压力计; 5-电桥控制器;6-记录仪;7-感应线圈;8石英反应室; 9-高温计;10-温度记录仪;V1-V8-真空阀 图2-56.石英管反应室1-石英反应室;2-氧化铝盖;3-石英坩埚4-MgO坩埚;5-液态铁;6-泡沫氧化铝; 7-绝缘垫;8-锥形接头;9-耐热玻璃盖 由图2-57可看出，液态铁的吸氧过程分两个明显不同的阶段。在液态铁与氧气接触阶段

41、，发生2Fe+O2=2(FeO)的反应，并放出大量化学热，这个阶段时间极短，仅有零点几秒。当生成的FeO与液态铁中的溶解氧含量达到平衡时，FeO不再溶解于铁液，而在液态铁表面生成氧化膜。如果氧气继续与铁液反应，则必须通过氧化膜，即进入O2氧化膜铁液的非均相反应阶段。对于铁液表面有氧化膜存在时，铁液吸收氧气的反应步骤如下： （1）氧气在气相中扩散，吸附在氧化物表面，气体分子解离成原子，氧原子在靠气相侧迁移； （2）氧原子在气一氧化物相界面附近进行界面反应； （3）氧化物层内氧离子扩散，氧离子与金属在氧化物一铁液界面反应； （4）氧原子在铁液相内扩散。 一般情况下，反应过程的总速率取决于其中最慢的

42、一个环节的速率。当有氧化膜存在时，可认为氧原子在气一氧化物界面靠氧化物侧的扩散速率是反应的限制性环节，因而铁液吸氧速度方程为： dnO/dt = AKL（CO CO） （2-62） 上式中：nO为氧原子的mol数，KL为传质系数，cm/s；A为反应界面积，cm2；CO、CO分别为氧化物相内和氧化物相表面的氧浓度，mol/cm3。 假定在气相一氧化物界面上氧分子首先解离，氧气与氧化物之间处于平衡状态，则1/2O2=O(氧化铁中) K = (CO)/PO21/2 (2-63) 因为nO = 2 nO2，将式(2-62)和(2-63)合并可得 dnO/dt = AKLK(1/2)( PO21/2 P

43、O21/2) (2-64) 上式中：PO2为实验中的氧分压（10010-2atm）； PO2为与铁液平衡时液态氧化铁的氧分压（约为 10-8atm），与PO2相比可忽略。 因为PO2V = nO2RT， 令Km = (1/2) KLK，式(2-64)可改写为 dnO/dt = Km (ART/V) PO21/2 (2-65) 当t = 0时，PO2 = P0O2,，将式(2-65)积分可得 2（P0O21/2 PO21/2 ）Km (ART/V) t (2-66) 将实验结果按式(2-66)的关系作图得到图2-58的结果。由该图可看出符合式(2-66)的关系，说明以上铁液吸氧的速率方程式符合实

44、际情况，因而证明铁液通过氧化膜被氧化的速度限制性环节是氧原子在气相一氧化物界面靠氧化物侧的扩散。图2-58中的斜率Km代表了反应过程中铁液吸氧速率的大小。实验时，还可在铁液中添加不同的合金元素，以研究铁液中各种元素对铁液吸氧速度的影响。 图2-57. 在氧化过程中反应室内氧气 图2-58. 2(P0O2-PO2)与 压力变化的一个例子 (ART/V)t 的关系 No A,cm2 T, 1-反应开始;2-氧气冲入真空室中压力降低; T-6 3.11 15533-氧气与钢液迅速反应;4-表面产生氧化铁 T-12 3.23 1636膜后的反应阶段 P-1 4.05 1600 O-5 5.18 160

45、0 2.6.4 气一固反应动力学研究方法气一固反应动力学研究方法 2.6.4.1热天平法热天平法(减重法减重法) 在钢铁冶金中所涉及的气一固反应中，人们研究最多的是铁矿石还原。研究气体还原铁矿石动力学的常用方法是热天平法。用该方法实验时，将矿球用铂丝悬挂在天平上，吊在高温炉内，在惰性气氛中升温至预定温度，通入恒压恒流量的还原气体进行还原。随着反应的进行，矿球的质量不断减少（因失氧），其值可从天平上读取。反应t时刻的矿球还原率F可由下式表示。 WoWt t时刻矿球累计减重（失氧量，mg）F (2-67) Wo（0.43TFe 0.112FeO） 矿球中总氧量（mg）式中：Wo为试验前矿球的质量；

46、Wt 为还原开始t分钟后矿球质量； TFe为还原前矿球中总Fe含量；FeO为还原前矿球中FeO含量。 根据矿球化学分析结果，矿球所含总氧量为WoO，其中 OOFe2O3+OFeO (TFe56/72FeO)48/112+16/72FeO 0.43TFe0.112FeO 2.6.4.2 气相成份分析法气相成份分析法 除了热天平方法之外，还有气相分析法。气相分析法是使用红外线气体分析仪在线测量还原反应逸出的气体中组分（CO，CO2）的浓度，并根据逸出气体的流量得到矿石样品的还原率F。 F= (n1+n2)/nO (2-68) 式中: n1以CO形式逸出的氧mol数=(1/22.4)f%COt n2

47、以CO2形式逸出的氧mol数=(1/22.4)f%CO2t f 逸出气体的流量 2.6.4.3 固相化学分析法固相化学分析法 固相分析法是在还原过程中取样做化学分析以确定还原率。热天平法测试简单、精度高，是研究气体（CO、H2）还原铁矿石的动力学的常用方法，但对于还原反应外有失重的原料就不适用了，下面以含锌粉尘配碳球团中Zn的还原挥发动力学的研究为例，介绍固相分析法。 例例: 含锌粉尘配碳球团中氧化锌还原挥发动力学研究方法含锌粉尘配碳球团中氧化锌还原挥发动力学研究方法 (1)实验方法 将含锌粉尘(高炉尘或电炉尘)与转炉粉尘混匀，配入煤粉和结合剂，在圆盘造球机上造出直径10mm的球团，烘干后放入

48、钼丝网袋中，吊在碳管炉内（炉内为氮气气氛，温度已升到预定值），达到预定时间后取出球团激冷，然后将球团粉碎进行化学分析。 以HZn表示锌挥发率 HZn=1-w(Zn)%W / w (Zno)%Wo =1-还原球团中含Zn总量/生球团中含Zn总量 （2-69） 由于球团还原前后的w(TFe)总量不变，即： Wow(TFeo)%=Ww(TFe)% W / Wo= w(TFeo)% / w(TFe)% 代入（2-69）式得 HZn=1-w(Zn)%w(TFeo)%/w(Zno)%w(TFe)% （2-70） 式中：w(Zno)%，w(TFeo)%分别为生球团中Zn和TFe含量，质量百分比。 w(Zn)

49、%，w(TFe)%分别为还原球团中Zn和TFe含量，质量百分比。 Wo，W分别为生球团和还原球团的质量，g。 因此通过分析球团还原前后的w(Zn)%和w(TFe)%，可计算出锌的挥发率HZn。图2-59为实验得出的不同温度下HZn随时间的变化，可看出随温度升高，球团中锌的挥发速度明显加快。（2）反应级数的确定 假定球团中氧化锌的还原速度为一级反应： -dZnO/dt = KCZnO 积分后得: -ln(1-f)=Kt 用f（锌的还原率）代替HZn（因Zn的沸点为906，在实验温度下氧化锌还原后即挥发），可得到图2-60，可看出球团中氧化锌的还原挥发速度符合一级反应的关系。 （3）反应活化能 由

50、图2-60中的直线斜率可求出不同温度下的反应速率常数K，根据Arrhenius公式 K = Koexp(-E/RT) lnK = lnKo-(E/R)(1/T) 将lnK与1/T作图，可得到图2-61，由图中直线斜率可求出反应活化能E=79.42 kJmol-1。图2-59. 锌挥发率HZn与还原时间 图2-60.-ln(1-fzn)与还原时间 的关系 的关系图2-61. lnkzn与1/T的关系 图2-62. 球团中不同w(C)%时,锌 还原率fzn与还原时间的关系 (4) 氧化锌还原挥发的限制性环节的确定 球团中氧化锌还原挥发的反应方程式为： ZnO(S)+CO=Zn(g)+CO2 (Zn

51、O的还原挥发反应) C(S)+CO2=2CO (碳的气化反应) 将不同碳含量的球团进行还原实验，结果如图2-62所示，可看出不同碳含量时球团中锌的挥发速度相同，因此可排除碳的气化反应为限制性环节的可能性。 颗粒气化收缩的气-固相反应模型如图2-63所示，由该模型可推导出： 气膜内气相扩散为限制性环节时： t=K11-(1-f)2/3 （2-71） 界面化学反应为限制性环节： t=K21-(1-f)1/3 (2-72) 式中：t 反应时间 K1，K2常数 f锌还原率 将实验结果图2-59（图中园点）与(2-72)式表明的关系（图2-59中曲线）相比较，可看出二者符合的很好，说明球团中锌的还原挥发

52、速度符合界面化学反应为限制性环节的关系。 根据上述实验分析：温度对锌的还原挥发速度有显著影响；实验结果与界面化学反应的关系式相符合；实验得到的反应活化能E=79.42 kJmol-1，其数值较大，并与有关文献报导的ZnO还原反应活化能83.60 kJmol-1相近。 因此可确定ZnO与CO的界面化学反应为球团中锌还原挥发速度的限制性环节。图2-63. 颗粒气化收缩的 气-固相反应模型3 冶金模拟实验3.1冶金水模型实验 3.1.1 模拟原理 实验前按模型和实际两系统中决定性的相似准数（也称为无量纲准数）的关系，确定模型实验的参数。 在水模型实验中，常用水来模拟金属液，水模型中流动和实际钢液流动

53、相似的条件为Fr数和Re数相等，即： Fr水Fr钢； Re水Re钢 如果取反应器尺寸作为特征长度L，液面流速作为特征速度u，当Fr数相等时：钢钢水水gLugLu/222/1)/(/钢水钢水LLuu所以 当Re相等时： 水u水L水/水 = 钢u钢L钢/钢 水和钢液具有相似的物理性质，即： 水/水 钢/钢 所以 u水/u钢 = L钢/L水 如能应用尺寸1：1的模型，即L水/L钢=1；则u水=u钢，可做到Fr数和Re数均相等，相似是理想的。 如不采用1：1模型（例如等比例缩小），仅仅保证Fr水和Fr钢相等，而检验Re数是否属于同一自模化区，即不必保证模型和实型的Re数相等，而保证二者处于同一自模化区

54、，也可做到流动相似。 在水模型实验中，常常采用保证决定性准数相等的近似模化法，即采用模型和实型两系统的Fr准数相等的方法。3.1.2水模型模拟实验方法 3.1.2.1 熔池混匀时间的测定 冶金容器中的混匀时间具有重要的实际意义。这里介绍水模型中测定混匀时间的方法。 （1）电导法: 电导法测定混匀时间是将KCl（质量浓度200g/L）溶液瞬时注入水模型容器内（容器用有机玻璃制做）的水中，然后连续测量水中的电导率变化，直至电导率稳定时为完全混匀时间。 实验时，电导测头测出的水溶液的电导率变化可由记录仪连续记下的电导仪输出电压的变化来表示。如将电导仪输出电压通过A/D转换器输入微机，可将测量结果存入

55、磁盘同时按照预定关系进行处理，并打印出实验结果和图形。这种方法称为“在线”测量和实时处理。 （2）pH值法：实验时在水中加入H2SO4（或HCl）做示踪剂，用离子计或pH计测量水中pH值的变化，以确定混匀时间。 图3-1是测定顶底复吹转炉水模型内混匀时间的装置。图3-2是测出的钢包内吹气量与混匀时间的关系。图3-1. 顶底复吹转炉水模型 图3-2吹入气体的流量与混匀时间的关系 3.1.2.2、气液反应模拟 使用NaOH-CO2系模型实验可以模拟气液反应过程的传质现象。例如对钢液吸气速度的模拟研究和复吹转炉过程的传质模拟研究等都可以采用NaOH-CO2体系实验。 实验时可将一定浓度（例如0.01

56、mol/L）的NaOH水溶液注入水模型容器中，用喷枪将CO2气体吹入溶液中。由于CO2被NaOH溶液吸收，溶液的pH值将发生变化。用电极探头测定容器中溶液的pH值，并可将pH计的输出信号通过A/D转换器输入微机进行在线测量和实时处理。 实验表明，NaOH-CO2吸收反应为一级反应，其吸收速度可表示为 dC/dt = (AK/V)(CeCt) 将上式积分可得 ln(CeCt)/ (CeC0) = (AK/V)t 式中：A：为反应表面积（cm2）; V：为NaOH溶液的体积(cm3); t：为反应时间(s); K为CO2的传质系数（cm/s）; Ce，Ct，C0：分别为CO2的平衡浓度，t秒后的C

57、O2吸收浓度和CO2的初始浓度(mol/L)。 由实验得出的log(CeCt)/Ce - t曲线如图3-3所示，利用上式的关系可求出容量传质系数AK/V。当反应界面积A和溶液体积V已知时，即可求得传质系数K。 图3-3. 不同CO2流量下的log(Cw-Cbt)/Ce-t关系 3.1.2.3 液一液反应模拟 为模拟渣钢反应，研究液液之间的传质速度，可在水模型容器中用纯水模拟钢液，10号机油模拟熔渣，用苯甲酸（C6H5COOH）作示踪剂。 实验时，先将苯甲酸溶于机油中，然后放在纯水表面上，吹气搅拌。苯甲酸逐渐向水中传递，通过电导率的变化测定水中苯甲酸浓度的变化过程。电导曲线表示油和水两相间的传质

58、速率。 图3-4是实验得出的水中苯甲酸浓度随时间的变化，各个曲线对应不同的吹气流量。图3-4. 不同气体流量下,两相传质过程的示踪剂浓度曲线该图表明，随吹气流量增加，苯甲酸向水中传递的速度加快。 3.1.2.4 喷射粉粒的模拟 模拟喷射冶金的喷粉过程的水模型如图3-5所示。该实验通常要用聚苯乙烯粒子（密度1g/cm3，直径0.7mm）或发泡聚苯乙烯粒子（密度0.20.5g/cm3，直径0.71.3mm）模拟粉粒。 图3-5. 喷粉的水模型装置 1-电导计; 2-喷粉罐; 3-阀门; 4-流量计 实验时，由载气将粉粒通过浸入式弯头喷枪喷入容器内水中。然后进行以下三个方面的研究： （1）拍照粉粒突

59、破气泡界面的现象，以研究粉粒突破气 泡的条件。测定粉粒突破气泡后射入水中的长度。 （2）连续拍照粉喷入水中后，在容器内分散的情况，以 判定粉粒在水中均匀分散所需的时间。 （3）同时用电导法测定喷粉时容器内的混匀时间。 图3-6是喷粉过程中观察拍摄到的粉粒喷入水中后的分散现象，该图表明，粉粒喷入后即随循环流而浮沉运动；4.5s时已均匀分散；15s时，由于水的浮力作用，粉粒密度小于水时又再次向水面聚集。 图3-6. 聚苯乙烯粒子喷入水中后的分散现象 3.1.2.5 连续反应器停留时间分布的测定 连续反应器内物质的停留时间分布通常采用“刺激一响应”实验进行测定。图3-7是底吹连续提铌炉的水模型示意图

60、。 图3-7. 底吹连续提铌炉水模型示意图 1-供气装置; 2-有机玻璃方箱; 3-圆柱型容器 实验时在某一瞬间一次将示踪物（KCl溶液）由入口处投入以稳定状态流入底吹炉内的流体（水）中即输入脉冲信号。然后连续测定出口流的响应即电导率变化，这种实验方法叫脉冲响应法。 由于KCl浓度在一定范围内与电导率成线性关系，因此由电导信号可以得到浓度数据。 定义无量纲浓度C()为：C()= C/C0 上式中：C为流体出口处t时刻的浓度; C0（C0 = Q/V）为一次投入数量为Q的示踪剂后，瞬时均匀分 散在容积V的反应器内的浓度。 定义无量纲时间为： = t/ 上式中：为表观停留时间（ = V/v）， V