冶金分析幻灯片

1、冶金分析授课教师：刘淑萍河北联合大学化学工程学院1. 冶金分析概述1. 定义：冶金分析是一门专业性很强分析化学。 它是研究冶金生产过程中各种物料的组成及 其含量的测定方法和有关理论的一门学科。2. 作用：在冶金分析中，对原料的选择、冶炼 工艺流程的控制，冶金产品的检验，新产品 的试制及应用，都必须以分析结果为重要依 据。1. 冶金分析概述3.发展状况及意义： 用氧顶吹转炼钢代替平炉炼钢，缩短时间 由十几小时到几十分钟，提出炉前分析。 现代冶金分析不仅要作组分分析，而且要作 状态、价态、结构微粒微区薄层纵深分析。 现代分析技术图书馆中冶金样中有很多现代分析的书籍，作为我们只能是了解，将来工作需要

2、的话再深造1. 冶金分析概述4 冶金分析过程的特点1.试样来源复杂。 3. 选择的方法要求快速、简便、易重复 2. 同一元素分析方法多，杂质影响大。例Si 光度 容量 重量 4. 取样方法多，正确。1. 冶金分析概述5、冶金分析方法分类按作用分 标准方法 非标准方法1). 标准方法：由国际某个组织或国家的某个特定机构统一规定的分析方法。可分为： 标类法：原料分析和成品的质量分析，由所得结果来作为工艺计算、财务计算，评定产品质量的依据，要求准确度高。 快速法：一定准确度下要求快速，用于控制生产过程炉前分析，是冶炼过程中不可少的。 仲裁法或校核法 仲裁： 以解决争议为目的的分析方法 校核：厂内复核

3、某项分析结果而进行的分析 方法1. 冶金分析概述1. 冶金分析概述(1) 这些方法往往是原标类法中增添一些补充而使精确度提高，要求技术更高的分析人员进行。(2) 分析方法标准须满足以下要求： 在政府标准化管理机构领导和组织下进行，按规定的程序编制。 按规定格式编写。 方法的成熟性得到公认，方法的准确度和精密度可通过协作试 验确定。1. 冶金分析概述(3)一些标准代号： ISO国际质量认定标准 中国国家标准方法代号GB 例：GB223.69-89钢铁及合金中燃烧气体容量法测碳 ASTM美国标准检验协会 JIS日本工业标准 中国部颁标准 YB 冶金部、HB 化工部. 地方标准1. 冶金分析概述 2

4、).非标准方法 企业标准 文献方法 冶金分析方法很多，且准确度也不相同。因此，测定一个试样的某个组分时，采用不同的方法，测得结果有出入。故，一般都用国家标准方法。唐山钢铁公司对GB进行内部简化，但不影响结果的准确度2. 标准试样、基准试样 一、标准试样（标样）：已经准确知道其化学组成的天然样品或工业产品（矿石、金属、合金、炉渣等）或人工配制的人造试样。 要求: 组成均匀； 稳定不变； 主要化学成分准确地确定辅助元素的含量，只是参 考，不能作为标准。 二、基准试样：纯度极高的单质或化合物，一般至少相当于保 证试剂（GR：光谱纯；SP或EP：放射纯）2. 标准试样、基准试样 四、两样作用 1）检验

5、分析结果是否正确，校正误差 2）在各种仪器分析中用的制作工作曲线 3）用于标定各种标液浓度（基准试样可直接配标液） 4）仪器的校准 5）检查和改进分析方法 三、两种试样的区别： 基准是由一般化学试剂提纯而得。 标准是由国家内有关研究机关或工厂实验室组织生产，它的准确含量由最可靠方法、由有经验的分析人员测定而得。2. 标准试样、基准试样 六、我国现有的标准物质（P131-138） GBW表示什么 五、存储与选用 存储：于干燥器中密封，防氧化、玷污、受潮失效。怕光 的可于棕色干燥器中。 选用：与待测试样组分尽量一致，并成分含量接近。3. 分析结果的表示方法、允许差一、表示方法 1. 分析结果的表示

6、方法常以被测元素在试样中的存在状 态而定。（在后续课程中会显示出来） 例如：铁的表示 合金中的铁用Fe%表示 矿石中的铁一般用Fe2O3%表示 若为了知道铁矿石中的铁含量来制定冶金工业生产。 用全部的（各种存在状态的铁）含量， TFe%：试样中含铁元素的质量分数.3. 分析结果的表示方法、允许差 硅酸盐和炉渣样品：因为它们是硅酸盐，是SiO2和金属氧化物的复合物。 Si以SiO2% Ca以CaO% Al以Al2O3% Mg以MgO% Fe以Fe2O3 Mn以MnO% 用氧化物表示分析结果在一定程度上，反映了客观实在，便于检查分析结果的可靠性。所以，所有组分氧化物百分率的总和应为100%左右。3

7、. 分析结果的表示方法、允许差2、根据试样的聚集状态 气体：体积百分比； 液体：g成分重量/L液 固体：重量百分比； 微量痕量组分时，用ppm、ppb表示的也有3. 分析结果的表示方法、允许差3、分析结果的规范表达 质检所的正规报表3. 分析结果的表示方法、允许差二、准确度与允许差 1. 分析结果所表达的意思： 表示组分含量大小 表示准确程度（98.2% 不准；98.20% 准确） 2. 允许差 化学成分允许差 成品化学成分允许差 化学成分允许差：规定用同一方法分析同一元素时，允许的平行 测定结果的偏差。3. 分析结果的表示方法、允许差元素分析方法含量Tk（偏差）Ni重量法0.20.80.05

8、70.81.50.093光度法0.0100.0250.00250.1010.2500.0103. 分析结果的表示方法、允许差允许差的特点： 同一分析方法，同一试样中某元素其含量范 围不同,规定的允许差不同。 方法不同，允许差不同。 范围，允许差Tk。 标样Tk小于实际样品Tk。3. 分析结果的表示方法、允许差钢 成品化学成分允许差： 规定允许的铁水（钢水）的分析结果与成品（固体）取样分析结果差。 例：GB/T222-2006 钢的成品化学成分允许差3. 分析结果的表示方法、允许差 本讲思考题： 1.如何用置信度、置信区间表示测量范围？ 2.允许差有几种表示方法，各代表什么意义？ 3.化学方法允

9、许差的特点是什么？ 4.何为标样？在冶金分析中的作用？ 5.如何选用保管基准试样？第二章 矿石的分析1、掌握矿石试样的采取和制备； 铁矿石分析方法； 酸溶铁（SFe）； 全铁测定（TFe）； 亚铁（FeO）测定。2、了解铁矿石一般分析项目：SiO2、全铁 TFe、S、P。 从冶炼出发还要测酸溶性铁（SFe）、氧化亚铁（FeO） CaO、MgO、MnO2、烧碱。3、 难点：亚铁分析方法 一、矿物 地壳中具有一定化学成分和一定物理化学性质的天然产物矿物 金属矿物指用以提炼各种金属元素的分类 非金属矿物为耐火材料、冶金材料（熔剂）陶瓷材料 2.1 概述2.1 概述二、 矿石 矿物在自然界中或以单质、

10、以化合物、以多种化合物的组合形式存在的，含有一种或数种有用矿物，其富集程度达到了现代工业中具有经济价值的品位（工业品位）的自然集合体称为矿石。 1. 种类： 含有一种被研究的金属：如常见的赤铁矿 同时含有多种矿物。如铅锌矿 2. 脉石： 含有有用矿物的岩石，在组成上可能很不一致，以石英和硅酸盐为最多。 常见的：碳酸盐、黄铁矿、某些金属（如铁、锰）的氧化物 和氢氧化物 矿石是冶炼的基础原料。分析是保证产品的质量、控制冶炼过程和研究新工艺必不可少的手段。2.1 概述2.2 矿石试样的采取和制备一、取样方法 1. 在呈块状堆积的矿石中，应在具代表性的分布点上取样，取样点的数目和每点上取样量的多少，按

11、实际情况确定。 选横、竖线交点作为取样点，用锹或铲从深0.50.7m处各取一份试样。表层风化、氧化 大块堆底细砂，中心聚集 不均因素 大堆不能扒开取样2.2 矿石试样的采取和制备2. 车厢取样 没有运输不分层时，在表面取样 有运输已分层时，则按不同深度取样在若干个车厢一份份取样时，则可以在第一节车厢取A点，第二车厢取B点.2.2 矿石试样的采取和制备3. 在选矿或烧结料运输皮带上取样。 只要每隔一定时间间隔取样一次。取样点处用铲将皮带上全宽度范围内物料全部扒下。 取样器：锹、铲、挖料钻 直径1250nm薄铁圆筒状取样管2.2 矿石试样的采取和制备二（取样量）制样(见P2中1.1.11.1.2部

12、分) 送到分析室的原始样是几十公斤、几公斤不等，代表矿体的某一块数或矿层的化学组成。 分析用样只需几克、几十克，最多也不过百克，因此对原始试样进行加工。 矿物原料试样的制备，要经过破碎、混匀、缩分、过筛、吸铁等工序，即由原始试样缩减到分样用量为止。 kgQ k值0.10.5矿石特性系数 mmd1. 最低重量：用切乔特公式2.2 矿石试样的采取和制备各类矿石K值矿种k值铁 锰0.10.2Cu Mo W0.10.5Ni(硫化物) Co0.20.5Cr不大于0.250.3Pb Zn Sn 0.2铝土矿(非均一的,如黄铁矿化铝土矿,钙质铝土角砾岩)0.30.5锑 汞不小于0.10.2菱镁矿 石灰石 白

13、云石0.050.1脉金(颗粒基本上小于0.1mm)0.2脉金(颗粒基本上近于0.1mm)0.4脉金(颗粒基本上大于0.6mm)0.81.0铌 钽 锆 铪 Be Li Ru Os 稀土元素 0.10.5磷矿石(分布均匀者) 萤石 黄铁矿0.2高岭土 粘土 石英岩0.10.2明矾 石膏 硼矿0.22.2 矿石试样的采取和制备 例如:有一矿样已全部通过20号筛(d=0.84mm),矿种的K=0.2,则需要缩分出的样品的最低重量为：Q=0.20.842=0.141kg 说明:该矿种通过20号筛缩分出连续加工的样品重量不能少于141g,否则失去代表性. 缩分次数: 当样品原始重量比它最低可靠重量大N倍,

14、则缩分次数:N=2m, m:缩分次数. 2.2 矿石试样的采取和制备 例如: 原重2kg 全部通过20号筛最低可靠重量141g，N=2000/141=14倍，2314141g，就是最低可靠质量，有足够的代表性。 实际工作中,如没有提出特殊要求，k=0.2。全部按要求的筛号碎后，缩分至最低可靠重量以上，再全部细碎至所需粒度。2.2 矿石试样的采取和制备2. 样品加工程序: 三个阶段:粗碎、中碎、细碎 每个阶段又包括四个程序：破碎 过筛 混匀 缩分3. 样品过筛，过程中一定要使样品全部通过，绝不能任意弃去筛上样品.2.2 矿石试样的采取和制备4. 样品混匀,代表性 掀角法(量小的) 分样品法(量大

15、的) 环锥法5. 样品缩分 四分 分样器6. 样品烘干 大宗样品自然干(风干法) 少量样品电烘箱 105110 有些样品不可烘干: 物相分析,测定Fe2+样品 有些样品低温烘干: 黄铁矿中硫化矿 6080 有些样品较高温烘干: 铝土矿 锰矿 1302.3 矿石分析 一、铁矿石分析 1. 铁矿定义与种类矿石主要成分含铁量%铁的品位要求磁铁矿FeOFe2O3(Fe3O4)72.45660赤铁矿Fe2O370.05458菱铁矿Fe2CO348.23035褐铁矿Fe2O3nH2O4862.945502.3 矿石分析矿石中 TFe/ FeO2.7 磁铁矿； TFe/ FeO2.7 赤铁矿 TFe与SFe

16、之差 硅酸铁 这部分铁在冶炼中不能还原为金属铁. 当硅酸铁中的铁大于24%,要相应提高全铁品位要求.不够品位要求的进行选矿处理.2.3 矿石分析 2. 组成 脉石: CaO、MgO、Al2O3、SiO2等铁矿石 伴生元素: S、P、Pb、Zn、Cu、Mn、Cr、V、Ti Fe的氧化物盐: FeOFe2O3、Fe2SiO3、Fe2CO3、 Fe2(SiO3)3、 Fe2(CO3)3、2.3 矿石分析 3. 分析项目 铁矿石中的铁大都以高价铁(Fe2O3)状态和亚铁(FeO)状态存在，少量以硅酸盐形式存在，几乎无金属铁，还含有少量有害组分: SiO2、S、P、As等，它们冶炼过程中还原为单质渗入生

17、铁中，严重影响金属质量。 铁矿石一般分析项目：SiO2、全铁TFe、S、P。从冶炼出发还要测酸溶性铁(SFe) 、氧化亚铁(FeO) 、CaO、MgO、MnO2、烧减等.SiO2 GB1364-78 S GB1368-78 Al2O3 GB1365-78 CaO GB 1366-78 P GB1369-78 Mn 1370-78 MgO GB1367-78 Fe和H2O分 1363-78 GB/T6730.1-1986 GB/T6730.22-1986代替 . . . . . .2.3 矿石分析 参考国标 2.3 矿石分析 4. 分析方法(书P9) 铁矿石的分解: 1) HCl(浓)分解，残渣

18、为白色或浅灰色. 2) 若黑色或其它色，用HF或NH4F处理. 3) 磁铁矿分解慢，用SnCl2或H2SO4H3PO4（21）混酸 4) 铁矿石系统分析.熔剂KOH/Na2O2/Na2CO3/半熔法 （半熔法参考分析化学熔剂部分） 5) 铬铁矿:Na2O2 6) 钛铁矿:焦硫酸钾2.3 矿石分析 铁矿石的合适溶剂P11 引出SFe、TFe以及TFe溶（熔）解的两种方法（1）酸溶铁(SFe) a. 重铬酸钾容量法 2.3 矿石分析 2.3 矿石分析 这里是汞盐测铁法（国家仲裁方法）反应方程：2Fe3+Sn2+6Cl-2Fe2+SnCl62- Sn2+2HgCl2+4Cl-2Hg2Cl2+SnCl

19、62- 主反应： 6Fe2+Cr2O72-+14H+6Fe3+2Cr3+7H2O Hg被Cr2O72-氧化，并能将反应生成Fe3+ Fe2+。 还原时，较浓的酸度、较小的体积、较热的试液容易掌握还原终点。SnCl2将Fe3+黄色退去，在过量12D为宜。否则太过量的Sn2+发生： H2SO4-H3PO4的作用： a. 调节酸度 b. 降低Fe3+/Fe2+，使指示剂进入突跃之内。 C. Fe3+ +PO43-生成无色配离子Fe(HPO4)+，掩蔽Fe3+的黄色 干扰终点的观察 理论分析反应的可行性。 ， 2.3 矿石分析 2.3 矿石分析 终点判断： 终点色由Cr3+绿、Fe3+黄、指示剂紫红三

20、者比例大小决定终点颜色，但只要绿色得到一定程度突然转色，就是终点，这里一定观察到中间色。b. SnCl2与TiCl3联合还原法。P11 SnCl2加到试液颜色由小米黄之后，钨酸钠为指示剂，用TiCl3无汞盐测铁法：滴定至黄变兰（钨兰），再过量一D停止，用Cu2作催化剂，把过量的Ti3+再处理，不用Cu2也可以，时间变长。值得提的是，兰色的存在保证不受空气中O2干扰。c. EDTA容量法.磺基水杨酸指示剂测定2.3 矿石分析 2.3 矿石分析 (2) 全铁测定TFe 在溶样时，HCl不能把铁矿石中的Fe2(SiO3)3溶解。因此，在酸溶时，加入适量碱金属氟化物，则测得值中包括了硅酸铁， 即 TF

21、e。氟化物用量:1g过多: Fe2+氧化 并防碍Fe3+的还原 侵蚀玻璃烧杯析出的硅酸，吸附铁离子. 用酸不能完全溶解的铁矿样必须改用碱熔分解.（3） 亚铁测定 P12 有时由于高炉冶炼的需要或者确定可否进行磁选时，需要了解 矿石或烧结矿中亚铁的量。需测定亚铁很不容易，因为O2/H2O=1.23V，Fe=0.68V，在溶解试样时如果不采取措施， 就可能发生Fe2+ Fe3+反应。因此，溶样时：,溶样在隔绝空气的简易装置中进行 对于单纯的铁矿中亚铁的测定，HCl-NaF分解试样或 H2SO4-HF（Pt坩埚中） HCl-NaF溶样时，FeO、FeSiO3都被溶解，直接Cr2O72-滴定。2.3

22、矿石分析 2.3 矿石分析 操作: . 排空气:加HCl之前加入适量NaHCO3或洁净的方解石。 II加入HCl后立即产生CO2排出空气。 III立即塞以带导管的胶塞，试样分解完毕。 IV 开启塞子并迅速加入NaHCO3饱和溶液或几粒方解石,重新盖上塞子，流水冷却。 V 加H2SO4-H3PO4混酸和指示剂，立即滴定Cr2O72-至终点.2.3 矿石分析 对于含高价锰 含高价锰和酸溶性硫化物.不学 高价铈和铬的作业： 1. 写出无汞盐测铁的原理和步骤? 2. 铁矿石中铁有几种表示方法?比较溶解时各有什么不同? 3. 常见的铁矿石中主要的杂质有哪些?测铁时如何消除干扰? 4. TFe测定中，加入

23、NaF用量？为什么？2.3 矿石分析 4. 金属铁测定 (后叙3.3)5. 铁矿石中其它项目分析. 关于MnO在锰矿分析中介绍. 关于SiO2、S、P、TiO2、Al2O3、CaO、MgO 测定可： 单独称样，只作其中单项分析。 不制成母液，然后按硅酸盐系统分析方法测定各项。 母液制备: 熔剂: KOH+少量的Na2O2或NaCO3+硼酸(2+1) 坩锅:银 水浸取，硝酸酸化，定容250ml，分取各测。2.3 矿石分析 SiO2测定: 高氯酸脱水重量法 动物胶凝聚重量法硅酸盐分析中讲 氟硅酸钾容量法 硅钼蓝光度快速法 钢铁分析中讲（系统分析中）2.3 矿石分析 P测定 磷易氧化，所以矿石中没有

24、游离状态的磷，铁矿中的磷几乎都以磷酸盐形态存在。 方法 重量法:焦磷酸镁法，磷钼酸铵法，很少用。 容量法:钼酸铵容量法，柠檬酸钼酸铵容量法。 光度法:磷钼蓝法，磷钼兰法。 脱Si是难点、重点 HCl、HNO3-HClO4是冒烟，脱Si2.3 矿石分析 S的测定 铁矿石中，硫多以硫化物(FeS2)或硫酸盐(CaSO42H2O)等形式存在。在铁矿中S含量在百分之几至千分之几，少数达百分之几。方法 1. 碱熔或酸溶，使S转化为可溶性的硫酸盐，测SO42-有： BaSO4重量法、EDTA容量法、硫酸联苯胺容量法2. 矿样在管式炉中通过O2或空气燃烧SSO2 吸收后测定方法有： 碘量法 中和法 常用方法

25、在钢铁分析中讲解. 光度法2.3 矿石分析 CaO、MgO、Al2O3、TiO2测定吸取滤下液(母液)，合适酸度测定，见硅酸盐分析方法。2.3 矿石分析 二、 锰矿石分析 锰在自然界中分布很广，几乎所有矿石及硅酸盐的岩石中都含有锰。最常见的锰矿是无水或含水的氧化锰或碳酸锰。2.3 矿石分析 1. 种类、重要成分及Mn%种类 重要成分Mn%杂质成分有软锰矿MnO262%SiO2、S、P、As、Fe、Al、Cu、Mg前四种为有害元素硬锰矿MnO2MnOnH2O54%黑锰矿Mn3O472%菱锰矿MnCO390锐铁矿TiO702.3 矿石分析 作用：抗Cl-腐蚀测定方法 光度法：无机H2O2显色剂Ti

26、(H2O2)红色物质。Ti3+ Ti4+两种变价这一化学性质。有机（含羟基），Ti与氧的键合能力强。容量法：操作过程：见下页（结合P164页讲解）K2S2O7 用于碱性、中性氧化物熔解反应：2.3 矿石分析 干扰离子：Fe3+，V4+,5+，Mo5+,6+，W6+，F-2.3 矿石分析 应用高铁标准溶液滴定时，用硫氰酸盐（紫色）或中性红指示剂。 高铁法： Al3+/Al1.66V Ti4+/Ti3+0.092V Fe3+/Fe2+0.68V 作业：根据相关资料，把以上内容复习并总结，准备小测。2.3 矿石分析 钛矿石中钛的分析 滴定：还原：终点指示： 隔绝空气条件下，用金属Al将四价钛还原为三

27、价钛，而后用 Fe3标液氧化三价钛，以硫氰盐为指示剂。当三价钛完全被后，微过量的Fe3离子生成红色硫氰酸铁，借以指示终点。 一、原理2.3 矿石分析 1. 1. K2S2O7熔融法 称0.20.5g样品于瓷坩埚中，加3gK2S2O7，低温（300500）熔化后，再高温（高温炉500）熔至红色熔体。冷却后放入烧杯，用5H2SO480ml浸取洗涤坩埚，加热煮沸、过滤、沉淀，用10H2SO4洗4次，合并滤液。加35NaOH至沉淀物Fe(OH)3、Ti(OH)4凝聚，用定性滤纸过滤。沉淀用2NaOH洗5次，后以10H2SO4热液溶解沉淀于锥形瓶中，洗涤5次，控制总体积约100ml，加浓HCl 50ml

28、，加饱和(NH4)2SO4（防止Ti3+氧化）10ml或乙酸，加2gAl片，用带封闭的漏斗的胶塞塞紧，煮沸至Al片全溶，液体变清。冷却后用NH4Fe(SO4)2 标液滴至紫色变浅，加10mlKSCN（5）继续滴至稳定的红色为终点。，2.3 矿石分析 2.3 矿石分析 2. Na2O2熔融法 称0.20.5g样品于瓷铁坩埚中，加入3gNa2O2与与样品混匀，表面盖上2gNa2O2，在700熔至透明，冷却后用30ml水浸取，水洗坩埚数次后，过滤沉淀残渣，将沉淀用约50ml10H2SO4溶于锥形瓶中，用1H2SO4洗滤纸，补加30ml浓HCl至总体积为200ml左右，加3gAl片，加热至红色消失，再

29、添加Al片，每次加约0.1g至反应变慢，Ti3+紫色不断增加，而后加入0.1gAl片，盖上装有NaHCO3的盖氏漏斗，加热煮沸数分钟，取下冷至室温，打开胶塞，加入100ml饱和(NH4)2SO4和10ml5KSCN，用NH4Fe(SO4)2滴至终点。，以下内容要求：1. 钢铁分析在冶金分析中是重要的一部分内容，在这一讲里重点掌握钢铁分类和所含的其它元素及含量。2. 了解五大杂质元素C、Si、Mn、S、P在钢铁中存在的形式及它们对钢铁性能的影响。第三章 钢铁分析3.1 钢、铁基本知识、区别、分类一、钢铁材料 黑色金属材料是铁、饹、锰及它们的合金。通常称为钢铁材料。常用钢、铁材料有钢、生铁、铁合金

30、、铸铁及各种合金（高温合金、精密合金等）二、钢与铁的区别1. 炼铁：生铁是以铁矿石为原料并用焦炭在高炉中还原而得。 铁矿石的主要成分为氧化铁，但也含有许多杂质，经高炉冶炼后这些杂质大部分都可以除去。仍留在生铁中的杂质元素有： 冶炼所用到的炭C； 矿石中残留下来的Si、Mn、S、P等。3. 钢铁分析的五大杂质元素：C、Si、Mn、S、P 基本成分：Ti、C、Mn、Si、S、P 4. 区别：含碳量决定于是钢还是铁 C在1.7以上 生铁 C在0.051.7 钢3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 白生铁（白口铁）：当碳以化合形式（碳化物）存在，生铁 剖面带暗白色，称为白口铁。极硬且脆，难于加工，炼钢

31、灰生铁：当生铁中Si的含量较高，其中碳以游离状态的石墨 形式存在，生铁剖面带灰色，称为灰生铁。硬度低，流动 性大，便于加工，用于铸铁(以C的形式存在)3.1 钢、铁基本知识、区别、分类5. 分类铁的分类：3.1 钢、铁基本知识、区别、分类钢的分类： 碳素钢 低C钢：小于0.25 中C钢：0.250.60 含碳量 高C钢：大于0.6 工业纯铁：小于0.04合金钢 低合金钢：合金元素总含量小于5 中合金钢：合金元素总含量510 高合金钢：合金含量总元素大于10 低合金结构钢：含有少量合金元素（多数情 况下，总量不超过3）的低合金高强度钢合金元素：Ni、Cr、Mo、V、Ti、Co、Be、N按化学成分

32、分类3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 按用途分类 碳素结构钢 普通碳素钢结构钢 优质碳素结构 建筑及工程用，机械制造用 合金结构钢 渗碳钢、调质钢、 弹簧钢、轴承钢 碳素工具钢工具钢 刀具钢 低合金刀具钢，高速钢 刀具、 合金工具钢 量具钢 量具、 模具钢 模具特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢 （耐酸、低温、耐热、电工、超高强钢）3.1 钢、铁基本知识、区别、分类普通钢：这类钢含杂质元素较多，一般含磷不大于0.045，含S 不大于0.055 普通钢按标准又分为三类 甲类钢：保机械性能和P、S、N2、Cu含量的钢 乙类钢：保化学成分C、Si、Mn、P、S和残Cu含量的钢 特类钢：即保机械性能化学

33、成分，又保Cr、Ni、Cu、N2含 量的钢结构钢：一般含P、S均0.040%工具钢: 一般含P0.035，含S0.030%高级优质钢 一般含P、S量均被限制在0.030以下。 按质量分三类优质钢 3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 按冶炼方法分类： 按炉别分：平炉钢（碱性、酸性），转炉钢（低吹、侧吹、顶吹），电炉钢（电弧、电渣、感应、真空感应） 按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢6、五元素在钢铁中存在的形式及它们对钢铁性能的影响。 以下5元素的讲解均从形式 来源 含量 性能 几方面表述3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 碳： 钢中以Fe3C、Mn3C 等化合状态存在，称作化合碳 铁中以无定

34、形碳、退火碳、结晶性碳、石墨碳等固熔体状态 存在，称游离碳。 碳是对钢性能起决定作用的元素，含C量增加，强度、硬度、耐磨性增加。塑性（延伸率、断面收缩率）、韧性降低。当钢中含有形成稳定碳化物的元素：铌、Ti、V、Mo、W等时，其屈服强度的提高更为显著。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类硅：存在形式：以固熔体及FeSi、MnSi、FeMnSi等形式存在；有少部分则以硅酸盐形态存在 ，形成钢中非金属夹杂物。如： 2FeOSiO2、2MnOSiO2、Al2O3SiO2. 来源：一般由矿石引入，也有特殊目的在冶炼时特意加入。 炼钢生铁 0.31.5Si 含量 铸造生铁 3 钢中小于1 硅钢4（磁性材料

35、） 、 3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 性能：是钢中常见有益元素之一。 a. 硅和氧的亲和仅次于Al、Ti，而强于Mn、Cr、V。炼钢时被用作还原剂、脱氧剂。 b. 增加钢的强度、弹性、耐热、耐酸性及电阻系数. c. 硅是硅钢的主要成分，能降低铁损，增加磁感强度。缺点:增加钢的过热和脱碳敏感性，使钢中石墨化的倾向增大。 用于：结构钢、弹簧钢、不锈钢、耐热钢、硅钢、电阻3.1 钢、铁基本知识、区别、分类锰: 存在形式：主要以MnS，也以MnSi、 MnC、FeMnSi及固熔体状态存在。 来源：同Si 含量： 钢：0.30.8%， 0.8%时为锰钢. 生铁：0.52% 高锰铁：大于13% 3.

36、1 钢、铁基本知识、区别、分类 性能： a. 良好的脱氧剂. b. 阻止FeS的形成二形成MnS，消除或减弱”热脆性”，改善钢的热加工性. c. 高锰钢具有较高的硬度和强度. d. 合金元素，含量高时有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火敏感性。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类硫: 存在形式：主要以MnS形式存在，部分与铁块结合成FeS。 来源：矿石代入,生铁(炼钢原料)和其它原料。 含量：钢0.05%, 生铁0.35%。 S有偏析现象，取样注意。 3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 性能：钢中有害元素。 a. 热脆性：S在钢中溶解度极小，与Fe形成FeS。FeS与Fe形成低熔点(985)共晶

37、体，即熔化，晶粒间结合力大为减弱，产生裂纹，以致开裂热脆。 或者：FeS熔点低最后凝固，位于钢的晶粒之间，当加热压制时FeS熔化，而钢的晶粒失去连接作用，易被压碎。 b. S不利于钢的焊接性，焊条钢对S含量要求甚严。 c. 在特定条件下，切削钢中S 、Mn改善钢的切削加工性能。 d. S在钢中易偏析，取样时要注意。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类磷: 存在形式：Fe2P、 Fe3P及固溶体形式存在，极少数以磷酸盐形式存在。 来源：主要来自矿石，生铁。 含量：钢0.05%，偶有高至0.1%；炼钢生铁 0.3%； 轧棍之类 0.40.5% P有偏析现象。 3.1 钢、铁基本知识、区别、分类 性能

38、：P是钢中有害元素。 a. 冷脆：剧烈地使塑性和韧性恶化，特别是低温韧性降低最甚。 b. 含P高时熔点低，流动性大而易于铸造，并可避免在轧钢板时轧辊与钢板粘合，故有时特意加入P。 c. P偏析，含P高的部位塑性大大降低，钢中P有限制。 d. P对焊接性能不利，为获得优质焊接接头，P尽量低。 e. P可改善钢的抗蚀和切削加工性能。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类饹Cr： 铬作为残余元素时，它虽提高强度、硬度，但降低塑性和韧性。在碳素钢中含Cr少量，也与Ni一样能降低钢的冷冲性能，故碳素钢中Cr、Ni都要求在0.3以下。镍Ni： 作为残余元素，影响与Cr相同。钨W： 作用：增加钢的回火稳定性，红

39、硬性和热强性，以及形成特殊的碳化物而增加钢的耐磨性。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类铜Cu： 残余元素，一般规定钢中为0.3左右。1100以上有铜脆。（氧化气氛中加热，氧化铁皮下形成富铜合金层。熔化浸蚀钢表面层晶粒钢的表面鱼鳞状开裂）3.1 钢、铁基本知识、区别、分类铝 Al： 铝与O、N有很大的亲合力。 铝在钢中的作用： 炼钢脱氧定氮剂。细化晶粒，减少或消除低碳钢的时效现象，提高钢的冲击韧性，特别是降低钢的脆性转变温度。 作为合金元素，显著提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度。 铝提高钢在氧化性酸中的耐腐蚀性。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类钒V： 钒是强的碳

40、化物，氮化物形成元素，在钢中主要以碳化物的形态存在。 在钢中的作用：细化钢的晶粒和组织，提高钢的强度和韧性；增加淬火钢的回火稳定性，产生二次硬化效应，提高耐磨性。3.1 钢、铁基本知识、区别、分类思考题：1. 以含碳量决定于是钢还是铁指标是多少？2. 钢铁分析的五大杂质元素是哪几个？在钢铁中存在的形式及它们对钢铁性能的影响？3. 除了五大杂质元素外，还有哪几个元素对钢铁性能的影响值得考虑？3.2 钢铁试样的制备以下内容要求：1. 掌握生铁试样的采取和制备；钢样的采取与制备。2. 了解两种样品采取和制备方法的区别和不同。3.2 钢铁试样的制备 钢铁是熔炼产品，其组成并不均匀，这主要是在铸锭冷却时

41、，由于其中各组分的凝固点不同而产生偏析现象，使S、P、C等在锭中各部分的分布不匀。故钢或生铁的铸锭、铁水、钢水在取样时，均须按一定手续采取，才能得到平均试样。 3.2 钢铁试样的制备一般规定： (1) 制样者遵守试样制备规程，设备维护及安全规程等，以确得试样制备质量。 (2) 测样时，防止油污、灰尘及其它杂质带入试样中。制样所用的工具、设备、场所等都应保持清洁。 (3) 制备金属试样时，应除去表面锈垢、涂层及其它金属镀层；试样内应无气孔夹渣。 (4) 制前，应将钢钵、捣杵，破碎和研磨机械清洗干净，并用此试样“洗”13次。 (5) 制中，可用四分法缩分。什么品种，多大粒度，缩分到什么程度，均有规

42、定。 (6)试样收发要建帐登记。制备好的试样，装袋或装瓶后，应注明名称、分析项目、编号、委托日期、单位等。 (7)为备复查，加工剩余试样，应按月、日顺序保存一段时间。3.2 钢铁试样的制备一、生铁试样的采取和制备（P57） 铁样一般在出铁时从铁水中采取，进行成品检验时要在铁锭中取。1. 铁锭 从一批铸铁锭中取样，每10 t 取一锭。把取得的锭块分成均匀的数组，每组中锭块不超过10个，然后在各组中取样。3.2 钢铁试样的制备 白口铁： 硬度大不能钻取，可用重锤敲打一块，用砂轮打光表面，再用大锤打碎，在铁块不同部位取相等的量混合成50g以上，放入硬质钢制的冲击钵中捣碎，直至完全通过100筛目。用垫

43、纸的磁铁吸引铁样，轻轻敲击磁块，弃去不被磁铁吸引的杂质，将试样放入纸袋中，送化验室。 灰口铁 (73) 采样：将锭块表面用砂轮打净，在现出发亮金属色泽处，用直径1318mm的麻花钻或平头钻直接钻取若干点。 小块样：中心钻一孔。 大块样：一点垂直于铁块，其余两点在以此为中心的对称两边。最初5mm深处的钻屑弃去，一般钻至离另一面剩有5mm距离的地方（试样过厚可钻至中心）3.2 钢铁试样的制备3.2 钢铁试样的制备注意：（P57） 在钻孔位置或钻孔内部如发现气孔，夹渣或其它杂质时，在 原孔邻近的位置，平行原孔重新钻取。 转速一般控制在200转/分以下，避免钻屑太厚或氧化变质，保持钻头锋利，不使试样成

44、粉引起飞散损失。55mm制样：将试样混合后，收于洁净的容器内。 同一批分的样屑各称相等重量，总量约50g，混匀后缩分出1015g用于测定碳；余下的4035g，在淬火的钢钵或其它制样设备中击碎。3.2 钢铁试样的制备注意： （1）在淬火的钢钵或其它制样设备中击碎时 防止试样过细，要击边过筛。 过筛时必须用严密的筛盖盖好，以免试样细粉损失。 试样要全部通过规定的筛孔。（2）试样粒度根据测定方法和测定成分确定 标准法分析常规成分 60目 快速法分析常规成分 80100目。 燃烧法分析碳约为20目（不过筛）。、3.2 钢铁试样的制备2. 铁水（P58） 在高炉铁水流入沟中时，用长柄铁勺在铁水流出量达1

45、/4、1/2、3/4时从铁水流中取样三次，分别倒入铸样模中，凝固后制样取样。 方法同上（书上P5758 A、B、C三点）。3.2 钢铁试样的制备二、钢样的采取与制备 炼钢生产中炉前分析是从钢水中取样，成品检验和钢材分析需要从钢锭、钢材上取样。 1. 钢材 采取钢样： 刨取法和钻取法 先用钢丝刷或砂轮将表面磨净，自钢材整个横截面普遍刨取；在横截面上沿轧制方向钻取。 钻眼应沿截面均匀分布，深度大致相同。若垂直于纵轴中线取样，其深度应达钢材轴心处。 3.2 钢铁试样的制备凝固后，从模中倒出，用冷水冷却至尚有余热，用砂轮清理表面，由试样块侧面中部垂直方向钻取。钻取时用12mm钻头，以免钻屑太厚，不易为

46、酸所溶解。2. 钢水（P61图2-2取样桶，过去称为模） A. 钢水出炉流入盛钢桶内，趁盛钢桶倒出钢水时，用取样模接取试样。 模：铸铁制带柄圆锥形，模底直径50mm.3.2 钢铁试样的制备 B. 甩片取样 P61(3) 用长柄勺。勺在使用前必须先沾上一层炉渣，否则会熔化。取样前应将炉中钢水搅匀，直接从炉中取出钢水倒入试样模，凝固后制样。也可将钢水浇铸在倾斜的钢板上，使成薄片，迅速浸入冷水中冷却、烘干、捣碎。 C新型取样器P62 （1）模：深70mm，顶部直径4045mm，底部直径2535mm，模具壁厚1030mm。图2-3。（2）渗入式取样器：图24，25 用于铁水和钢水3.2 钢铁试样的制备

47、制样： 从模具处取出的炉前样品，在高度方向的下端1/3处截取样品。未经切割的样品，其表面必须去掉1.5mm的厚度。制样时 切割机：树脂切割片 磨：氧化铝的或碳化硅的研磨设备，研磨材料的粒度 24 60目 炉中取样：每一勺钢水铸入样品，应保证铸造样品均 匀，无缩孔和裂纹。3.2 钢铁试样的制备D红外法分析样品的制备。 同上。思考题 1. 钢样在采取和制备时应注意什么问题？ 2. 钢水样品采取时所用的模，有什么要求？3.3 分析方法一、金属铁 P252 准称1g样品，加入5FeCl350ml于锥形瓶中，用胶塞塞紧，剧烈摇动15min后，取塞并水洗，立即用塞以棉花的漏斗过滤，水洗残渣，在滤液中加硫磷

48、混酸，二苯胺磺酸钠，以K2Cr2O7标准溶液滴定至终点。同时滴定50ml FeCl3的空白溶液。 2 FeCl3Fe3 FeCl23.3 分析方法二、碳的分析 1. 钢铁中的碳主要包括化合碳和游离碳。 一般情况下，测定 总碳 化合碳:Fe3C、Mn3C、WC、TiC、VC、MoC、Cr2C3。 游离碳：夹杂固体、固熔体、石墨C、结晶C、无定形C 游离碳不与热稀硝酸作用。化合碳溶于热稀硝酸，利用这一性质分离。 化合碳的含量总碳量游离碳。2. 作用（不讲）3. C分析方法：高频燃烧红外吸收法，CCO2气相色谱法， 库仑燃烧法，燃烧气体容量法，电导法， 电位滴定，非水滴定。 钢：C，硬度，强度，熔点

49、，塑性延展性 铁：C，铸造生铁收缩性3.3 分析方法3.3 分析方法 4. 常用的分析方法： 燃烧气体容量法 红外光普法 GB/T223.69-1997 （GB223.69-89老的） 重量法 GB/T223.71-1997（1）原理： C+O2CO2 4Fe3C+13O2=4CO24Fe3C+13O2=4CO2+6Fe2O3 Mn3C+3O2=CO2燃烧反应：4Cr3C2+17O2=8CO2+6Cr2O3 Mn3C+3O2=CO2 KOH吸收-气体体积法(标准方法)，操作简单、准确度高、普遍使用。 Ba(OH)2标液吸收，用标酸回滴吸收滴定法。 碱石棉吸收，据其重量的增加计算含量吸收称量法。

50、分析标钢时，需用称量法校验。 3.3 分析方法, 吸收反应：CO2+2KOH=K2CO3+H2O3.3 分析方法表达方式: CO2ml C%含量计算： 最后 C%=VCO2：量气管读数。K：温度与压力校正系数。W：试样重(g) 标尺上刻度分度的依据：量气管上刻度意义是16，760mmHg(101.3kPa)下，每1 mlCO2相当于0.0005g碳。含碳0.05%。3.3 分析方法（2）装置3.3 分析方法 1管式炉：提供燃料高温11001300 2U型管：内衬玻璃棉，阻留氧化物碎片(防止阻塞)（阻留气体带出的固体） 3除硫管 4冷凝器：冷凝气体至室温（恒温） 5小活塞：控制气体流量 6四（三

51、）通：吸收CO2时换向 7量气管：盛混合气体并读CO2体积 8水准瓶：内盛酸水以便量气管盛装混合气体 9定C吸收器：内盛40%KOH时，吸收CO2 10瓷舟：内盛待测试样 11温度计 12辅助吸收管，内装碱石棉3.3 分析方法（3）试样的燃烧: 碳素钢、生铁及低合金钢 11501250 难熔的高合金钢(如高铬钢)1300 温度过低：试样燃烧不完，分析结果偏低。 温度过高：瓷舟与瓷管粘结(烧瓷1300以上)。 降低燃烧温度的办法：减少取样量. 加入助熔剂:纯锡最好(空白值低粘度小)，纯Cu，纯Pb及Pb的氧化物，氧化铜及五氧化二钒 助熔剂的作用:提高局部温度，促进试样燃烧（因为助燃 剂氧化，放热

52、）。 与试样生成易熔合金，降低试样熔点。 通氧速度：先慢后快3.3 分析方法（4）硫的干扰与消除： 若不把生成的SO2在吸收前除去，将会被KOH吸收，干扰测定。 SO22KOHK2SO3H2O 方法：常用偏钒酸银。 MnO2 MnO2SO2MnSO4 2AgVO32SO2O2Ag2SO42VOSO43.3 分析方法 （5）结果计算 a. 量气管上的标尺以ml表示。读数是被KOH液吸收的CO2体积(ml)。 C%=b. 量气管上的标尺以含碳量（）表示。C%=校正系数K：实际分析时，条件改变，进行温度和压力校正。由气体方程计算K，我们用时直接查表。表的名字：气体容量法测定碳的气压温度校正表。式中：

53、 V量气管读数ml K温度、压力校正系数 G试样重3.3 分析方法以下内容要求：1. 掌握S的测定中燃烧碘酸钾容量法 GB/T233.68-1997.2.了解其他方法。3.3 分析方法三、S的测定。1. 存在状态：FeS、MnS、S的夹杂物。2. 作用：热脆、耐磨性与耐腐蚀性下降。3. 普通碳钢：0.05 生铁：0.35 优质结构钢：0.045 锰铁：0.15 高级优质钢：0.02 燃烧法 碘量法4.分析方法： 中和法 红外光普法 还原蒸馏比色法GB223.671989 氧化铝色层分离硫酸钡称量法 GB223.721991 3.3 分析方法 原理：燃烧碘量法标准方法应用广常用的分析方法：a.

54、燃烧碘酸钾容量法 GB/T223.6819973.3 分析方法 反应： 燃烧：4FeS+7O2= 2Fe2O3+4SO2 3FeS+5O2= Fe3O4+3SO2 3MnS+5O2=Mn3O4 +3SO2 吸收：SO2+H2O=H2SO3滴定：KIO3+5KI+6HCl=3I2+6KCl+3H2O I2+H2O+H2SO3=2HI+H2SO4 3.3 分析方法 装置3.3 分析方法 燃烧温度： 一般说来，温度越高，SO2的生成率越高。 温度（） SO2生成率（） 1300 80 1399 9096 14501510 98 实验室采用电阻炉，温度过高，烧穿瓷管，故一般规定12501350. 铸铁

55、：12501350 高速钢、耐热钢130013503.3 分析方法 SO2回收率 是指被碘标液所滴定到的数值，和SO2生成率的含义不同。SO2生成后，不是全部被吸收，而是有一部分被损失掉了。（结果偏低） 3.3 分析方法 因为：瓷管使用过久，壁和过滤棉球内存在过多的氧化铁。也有认为：中温区域是接触氧化区域，气流通过金属氧化物，易使SO2和O2结合为SO3。 解决办法：管保持干净，加大O2流速，使混合气体快速通过中温接触区。由氧化铁催化而使部分SO2转化为SO3。只要有氧化铁和氧就发生： （不与碘反应）3.3 分析方法b. b. SO2被管路中的粉尘吸附。 由于样烧后，生成氧化物粉尘在气流的管路

56、上停滞下来而造成的。（粉尘很细，疏松多孔，表面积大，易产生表面吸附）。又因为粉尘是弱碱性（SnO2Fe2O3），对酸性SO2气体有一定的化学作用。 解决办法：MoO3 反吸附剂改变粉尘的组成和性质，增强 粉尘酸性c. SO2在管路中易凝聚，采用加热管路的办法。3.3 分析方法 d. SO2在吸收器中逃逸 1体积水溶解40体积的SO2，按正常的O2流和滴定方法，SO2不逃逸。当不逃逸。当气流过大，气泡过大时逃逸，尤其高含量生铁试样，滴定速度控制好。 解决办法：改用酸碱滴定，用H2O2吸收。 由于单独分别测C、S时，都是用燃烧吸收法，温度一般在12001350，又因为测C时S的干扰严重，因此研究C

57、、S联合测定即消除干扰又省时间。先测S后的溶液，CO2通过时不被吸收。3.3 分析方法 5. 结果计算（冶化分析P109） 因为S的生成率和转化率造成结果偏低，故用标钢计算滴定度后再计算含量。 a. 计算碘标液的滴定度 S标：标钢硫百分含量；W标：重量；V标：用I2体积。b. 计算试样中S的百分含量3.3 分析方法b. 碳硫联合测定：方法： 燃烧气体容量法联合测定钢铁中的C和S 高频引燃红外吸收法（C：03.5%；S:00.35%）3.3 分析方法A 燃烧气体容量法1. 装置：3.3 分析方法 1马弗炉：提供燃料高温11001300 2U型管：内衬玻璃棉，阻留氧化物碎片(防止阻塞) 3定S吸收

58、杯：内装淀粉溶液 4冷凝器：冷凝气体至室温（恒温） 5碱式滴定管：内装KIO3+KI标液，滴定SO2 6四（三）通：吸收CO2时换向 7量气管：盛混合气体并读CO2体积 8水准瓶：内盛酸水以便量气管盛装混合气体 9定C吸收杯：内盛KOH时，吸收CO2 10瓷舟：内盛待测试样2. 原理及步骤，见实验讲义。3.3 分析方法B 红外吸收法测定： 1.定义： 极性分子，如CO2、SO2、SO3等，将对红外波段特定波长的谱线产生能量吸收，不同的气体分子浓度将对谱线的吸收程度不同，且存在一定的比例关系，因此通过检测谱线的强度变化，即可得出气体分子的浓度，也即求得物质的碳、硫含量。近红外：0.783m 远红

59、外：3.0300 m C：4.3 m S：7.3 m CO2：4.26 m SO2；7.35 m3.3 分析方法 2. 原理： 红外碳硫仪就是基本这一基本原理实现对碳硫的分析。首先它由红外源产生位于红外波段的红外线，经切光马达调制为固定频率的高变信号，试样经高频炉的加热，通氧燃烧，使碳和硫分别转化为二氧化碳和二氧化硫，并随氧气流，流经红外池，产生对红外线的能量吸收，根据它们对各自特定波长的红外吸收与其浓度的关系，经微处理机运算处理，显示并打印出试样中的碳、硫含量。3.3 分析方法 3. 仪器： HORIBA EMIA-820V红外碳硫分析仪（见P114页图4-3）： 主要由高频燃烧炉、红外检测

60、器、控制运算系统(PC机)。可分析测量范围C为06wt%、S为01wt%(标准试样重量为1g，如将重量减少，分析范围可以扩大) 。 4.仪器工作原理 采用氧气流中燃烧和红外线吸收方法。在氧气中加热试样，使其发生氧化反应后，碳(C)大部分转换成二氧化碳(CO2)，少部分转换成一氧化碳(CO)，硫(S)则转变成二氧化硫(SO2)。在该过程中试样中的水分汽化，试样中的氢(H)被氧化后也形成水，因此气流中混有水分，水分可用过氯酸镁(Mg(ClO4)2)除去。将氧气流调整为恒定流速后导入红外线检测器，以检测出的CO2、CO、SO2量为基础，计算试样碳、硫的浓度。3.3 分析方法3.3 分析方法 5. 仪