有关钢铁冶金的实验技术与研究方法

(钢铁)冶金实验技术

和研究方法(二)适用专业：冶金工程主讲人：王社斌冶金工程测试技术篇

教学基本内容基本内容钢铁冶金工艺流程研究对象?§2冶金工程测试技术

它包括取、制样，物相分析技术、冶金原燃料主要性能测定、冶金熔体性能测定、冶金热力学、动力学研究方法等。

采样（取样）是在一批物料中采取具有代表性的部分样品。其目的是测定、掌握该样品的性能与状态。

制样是使测试样品符合测定仪器与工艺要求的加工过程。

采样、制样都是按国家标准或技术规定进行。

正确的采、制样，是指导科研与生产的保证；失误的样品会给科研和生产带来不可估量的损失。

§2-1采样及试样的制备方法§2冶金工程测试技术§2冶金工程测试技术

§2-1-1散装材料的采样及制备方法

冶金中的散装料：铁矿石、锰矿石、石灰石、白云石、萤石、煤等半成品的散装料：铁精矿、烧结矿、球团矿、石灰、煅烧白云石、镁砂、轧钢铁皮、焦碳、铁合金等。

采样时根据物料的均匀性、粒度大小和批量大小决定鉴定精度批量—当事者之间商定的、一次交付的同一类物料的数量；部分试样—在大料堆中具有代表性布点上采取的单位量的物料；合成试样—由部分试样合成的、能代表该批成分、性能的样品；试样制备—从合成试样中经过缩分或破碎后在缩分，得到符合分析、测试、检验要求的试样的过程。几个术语§2冶金工程测试技术

§2-1-1散装材料的采样及制备方法

一、部分试样份数和质量的确定物料粒度越小，均匀性越好，采样的份数和质量越少；检验费用越少；准确度要求越高，采样量越大，检验费用越高；可由上图确定经济合理的采样份数和质量，具体数据见表8-1。§2冶金工程测试技术

§2-1-1散装材料的采样及制备方法

二、散装料采样的布点和方法：1、堆料场：均匀布点，用相互垂直的平行线把料堆表面等份，在交叉点、0.5m深处取样；2、车厢中：按图布点取样；3、在运输皮带上：按图布点取样。二、制样过程破碎：试料变细小，达到后工序要求；混均：保证样品的代表性；也可使用手工混均法；缩分：把样品缩减到检验质量。§2冶金工程测试技术

§2-1-2钢铁与炉渣的取制样

取样的必要性：研究、探索冶炼过程的变化规律、鉴定半成品、成品性状一、钢铁试样取样：铁样在出铁过程中（成品中）取，到入样模冷却；钢样在出钢过程中（成品中）取，到入样模冷却；制样：清理干净表面，用钻床钻取。二、炉渣试样取样：用样勺分不同时期舀取，冷却；制样：收集渣块、破碎，用磁铁吸除金属，粉碎到100目以下、缩分，干燥，供化学分析。

§2-1-2特殊用途试样的取制样

§2冶金工程测试技术特殊试样包括，非金属夹杂物、气体分析、钢铁与炉渣的固体组织等试样。一、钢中非金属夹杂物试样：取样目的：评估钢中非金属夹杂物的形态、数量及分布对质量和使用性能的影响程度；研究与取样环节：钢铁冶炼、精炼（LF、VD、RH）、浇注等；取样地点：钢水罐，样勺取样，倒入模具中；或用特制取样器；钢坯（钢锭）：用乙炔切割样块，用刨床刨取影响区；钢材：同钢坯。制样：根据使用仪器，确定制样过程。金相、SEM、STM、X衍射等；二、钢中气体分析试样：取样目的：定量评价[N]、[H]、[O]及其对钢质量的影响程度测试方法：化学分析[N]、[O]：常规取样，钻取钢屑。

LECO：用内径为6～8mm的石英管在样勺中抽取；水萃冷却，砂纸清除表面氧化物，截取圆柱形试样分析。

LECO[H]：取制样同上，水淬后在-40℃的干冰中保存。§2冶金工程测试技术

§2-1-2特殊用途试样的取制样

气体试样的采取：取样目的：定量分析气体成分及其对冶炼反应与“三传”过程的影响，采取有效手段控制冶炼过程，达到“优质、高效、低耗”的目的。静态取样：根据分析方法，（气相色谱、质谱仪、红外光谱、热导仪等）用球胆取样。连续分析：用红外光谱、热导仪和质谱仪等仪器分析，用传感器取样分析。球胆取样注意事项：气体温度、流速、事前吹扫与过滤。表3-1粉末体制备方法分类试样的制取粉体物性测定方法与原理1.化学成分测定

2.物理性能测定3.粉末的工艺性能1化学成分测定

粉末的化学成分主要包括金属的含量和杂质的含量。杂质主要指：（1）与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分;

（2）从原料和从粉末生产过程中带进的机械夹杂;

（3）粉末表面吸附的氧、水汽和其它气体。金属粉末的化学分析与常规的金属分析方法相同，首先测定主要成分的含量，然后测定其它成分包括杂质的含量。

酸不溶物法:金属粉末的杂质测定还采用所谓酸不溶物法。

原理：粉末试样用某种无机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解，将不溶物沉淀和过滤出来，在980℃下煅烧1小时后称重，再计算酸不溶物含量：

氢损法:金属粉末的氧含量的测定方法，除采用库仑分析仪测定全氧量之外，还采用一种简便的氢损法，即测定可被氢还原的金属氧化物的那部分氧含量，适用于工业铁、铜、钨、钼、镍、钴等粉末。2物理性能测定（1）颗粒形状测定

（2）粉体粒度的测定（3）粉体比表面积测定

（4）

粉体粒度分布的测定（5）粉末表面能的测定（6）粉末密度测定（7）显微硬度(1)颗粒形状测定分类：颗粒形状，可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类手段：光学显微镜、电子透射显微镜与扫描电镜，肉眼或放大镜观察，但肉眼的分辨率约0.1毫米。在测定和表示粉末粒度时，常采用所谓形状因子或形状系数作为描述颗粒形状的参数。1）延伸度2）扁平度3）齐格（Zigg）指数4）球形度5）圆形度6）粗糙度:（皱度系数）球形度的倒数称粗糙度

图5-1粉末颗粒的形状1)光学显微镜法2)透射电镜观察法3)沉降法4)X光小角度散射法5)激光光散射法2.粉体粒度的测定

优缺点

图5-1粉末颗粒的形状1)光学显微镜法

光学显微镜的分辨能力，可以从下式判断：

式中，D可看成能分辨的最小颗粒尺寸。

在实际应用上，光学显微镜法的粒度测量范围是0.8～150微米，再小的颗粒唯有用电子显微镜、扫描电子显微镜等方法测量。

优缺点：是通用设备，由于计量颗粒数目有限，粒度数据往往缺乏代表性，但是它是唯一的对单个颗粒进行测量的粒度分析方法，方法比较直观；因此经常用它来标定其他粒度分析方法。A显微镜用的样品制备

四分法取样的步骤：

将0.5克左右的颗粒物质放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约0.01克为止。样品供透射显微镜观测，一般采用玻璃片制样。B粒度测量

显微镜法测量的是颗粒的表现粒度，即颗粒的投影尺寸。对称性好的球状颗粒（如喷雾粉）或立方体颗粒可直接接长度计量；但对于非球状的不规则颗粒，这种直接计量是不可能的，颗粒的“尺寸”必须考虑到颗粒形状，有不同的表示方法。图5-2是显微镜法常用的几种颗粒“尺寸”的表示方法，。

图5-2不规则颗粒的“尺寸”表示方法A样品制备B拍摄照片C测量方法（交叉法）D透射电镜观察法的特点：

透解电镜观察法具有可靠性和直观性。纳米粒子较难分散，被测量的粒径是团聚体的粒径。电镜观察使用的粉体量极少，造成观测法不具有代表性和缺乏统计性。

2)透射电镜观察法3)沉降法

在沉降力场作用下，颗粒在介质中移动速度是颗粒大小的函数。沉降分析就是通过测量粒子分散体系因颗粒沉降而发生的浓度变化，即可测定粒子大小和粒度分析(布)。

在沉降力场作用下，颗粒在介质中移动速度和颗粒大小有关，对球状颗粒，这个关系由斯托克斯求出。沉降分析就是应用这一原理进行粒度分析的。主要包括重力沉降法和离心力沉降法。3)沉降法A重力沉降法：基本理论，

移液管法分类比重计法

潜浮法

B离心力沉降法基本理论

在静止液体中，由于粉末颗粒自身的质量在重力作用下，克服介质的阻力和浮力自由降落，在层流条件下，自由降落速度与球形颗粒直径的平方成正比，可用斯托克斯公式表示：

由（1）式，根据自由降落速度，即可求得颗粒直径d，经实测可得到试样的粒度分布。

（1）（一）移液管法

此方法首次由罗宾生（Robinson）于1922年叙述，但目前通用的移液法装置如图所示：

移液装置包括一个沉降筒和一个移液管。

利用移液管测定分散体因颗粒沉降而发生的浓度变化来获得粒子大小和粒径分布，测试范围：1~100μm。

图移液装置

将较小的潜浮物放入悬浮液中，停留于悬浮液中某水准面上。沉降开始时，停留位置离液面很近。随着颗粒沉降，悬浮液密度变化，该水准面不断地往下推移。因此表面张力引起的误差可以消除。（二）比重计法

因为悬浮液与纯介质之间的密度差与悬浮液中颗粒浓度成正比，所以，用比重计测量沉降过程中悬浮液的密度变化，可求出悬浮液中颗粒的粒度分布。

(三)潜浮法

B离心沉降法

离心沉降法的测试仪器是X射线圆盘离心沉降仪。其原理是：在离心力场中，颗粒沉降服从Stocks定律，即把实际测量的直径等效成Stocks直径。特点：对X射线沉降分析而言，测试的误差绝大部分来源于样品的制备，即如何制备分散性良好的悬浮液。若样品中存在着团聚，则不能准确地反映粒子的大小。另外，当分析多元混合物时，会导致一定的误差。因为不同种类的物质密度不同，吸收X射线的强度不一样，如果把它们等效成一种物质时，便会人为地引人误差。测试范围：0.01~30μm。

当X光穿过存在微观不均匀区的介质时，将发生衍射现象。由于微观不均匀区，如超细颗粒、杂质、超细空穴、裂纹、位错、G.P区等，其大小比X光波长大，因超细此散射的角域很小（～°），故称X光小角度散射。

X光小角度散射法与可见光的衍射现象类似。当X光受到颗粒中两个原子的散射时，由相干散射线的光程差可以求出：式中，ε散射角，λ是X光波长，d是颗粒大小。4)X光小角度散射法

5)激光散射法

对于大多数粉体而言，光散射粒子尺寸分析取决于所测粒子尺寸的范围或入射光的波长。光散射的模式由粒子尺寸和入射光波长（激光λ=632nm）所决定。

①当d»λ时，如果把所测颗粒都等效为球体，当激光照射到粒子表面时发生散射，粒子越小，散射角越大，通过对散射角的测量，即可得到粒子的平均粒径、粒度分布及比表面积。该方法不适于纤维状、棒状、片状等粉体的测量。②当d≈λ时，采用光子相关光谱（PhotoCorrelationSpectroscopy，简称PCS）测量粒子尺寸。定义：每单位质量的粉体所具有的表面积总和，称为比表面积（cm2/g）。1)透过法：气体透过法和液体透过法2)BET法：容量法重量法热解吸色谱法(3)粉体比表面积测定1)透过法基础原理：达尔斯（Darcy）法则。该法的主要缺点：在计算公式推导中引用了一些实验常数和假设。空气通过粉末层对粉末颗粒作相对运动，粉末的表面形状、颗粒的排列、空气分子在颗粒孔壁之间的滑动等都会影响比表面积测定结果，这些因素在计算公式中均没有考虑。对于低分散度的试料层，气体通道孔隙较大，上述因素影响较小，测定结果比较准确；对于高分散度的物料，空气通道孔径较小，上述因素影响增大，用透气法测得的结果偏低。物料越细，偏差越大。因此，测定高分散度物料的比表面积，特别是多孔性物料的比表面积，可以用低压透气法和吸附法。2)BET法基本原理

BET吸附法的理论基础：多分子层的吸附理论以BET等温吸附理论为基础来测定比表面积的方法有两种，一种是静态吸附法，一种是动态吸附法。静态吸附法是将吸附质与吸附剂放在一起达到平衡后测定吸附量。根据吸附量测定方法的不同，又可分为容量法与质量法两种。

A容量法

容量法通过精确测量吸附前后的压强、体积和温度，来计算不同相对压强下气体的吸附量。B重量法

直接称量吸附剂的吸附质重量，求出吸附剂的比表面积。重量法是通过测量暴露于气体或蒸气中的固体试样的质量增加直接观测被吸附气体的量，往往用石英弹簧的伸长长度来测量其吸附量。

与容量法比较，重量法可测量较大比表面积的吸附剂，对石英弹簧秤，要求被测吸附剂的比表面积约100m2/g以上。重量法测定比表面积的范围是0.1~1000m2/g，纳米粉的粒度范围也在此之列。C热解吸色谱法

热解吸色谱法是一种动态方法，也就是说，吸附气体处于流动过程中，因此又称动态气体吸附法。方法为纳尔逊（Nelson）和埃格特森（Eggertsen）于1958年开始使用。由于操作简单和快速,在实际工作中得到广泛应用。热解吸色谱法和静态气体吸附法比较，热解吸色谱法的优点是明显的：（1）比表面积测量范围宽。（2）测量快速。（3）系统不再需要高真空，样品预处理可直接在载气流下进行；废弃了易碎和复杂的玻璃管系统；不再接触有毒物质汞。（4）参数自动纪录，操作简单。(4)粉体粒度分布的测定

粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中占多大的比例。它可用简单的表格、绘图和函数形式表示颗粒群粒径的分布状态。颗粒的粒度、粒度分布及形状能显著影响粉末及其产品的性质和用途。

粒度测定方法有多种，常用的有筛析法、沉降法、激光法、小孔通过法、吸附法等。粉末粒径分布得测定方法往往与粒径测定方法相同，下面仅介绍用筛析法和激光法测粉体粒度分布。1)筛析法基本原理

筛析法是让粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量分数表示的粒度分布。筛析法适用于约10mm至20μm之间的粒度分布测量。如采用电成形筛（微孔筛），其筛孔尺寸可小至5μm，甚至更小。

过去，筛孔的大小用“目”表示，其含义是每英寸（25.4mm）长度上筛孔的数目，也有用1cm长度上的孔数或lcm2筛面上的孔数表示的，还有的直接用筛孔的尺寸来表示。特点：筛析法使用的设备简单，操作方便，但筛分结果受颗粒形状的影响较大，粒度分布的粒级较粗，测试下限超过38μm时，筛分时间长，也容易堵塞。筛析法有干法与湿法两种。2)激光法TL9200型激光粒度分布仪是采用信息光学原理。通过测量颗粒群的空间频谱，分析其粒度分布。原理框图如下:

(5)粉末表面能的测定概念：表面能是表面自由能（SurfaceFreeEnergy）的简称，它是指生成1cm2新的固体表面所需作的等温可逆功。

1)接触角法测固体表面能A接触角的测定①透过高度法②透过速度法B测固体表面能2)浸润热法测固体表面能①透过高度法

将固体粒子以固定操作方法装填在具有多孔性管底的样品玻管中。此管的底部设置多孔板可防止粒子漏失，允许液体自由通过。让管底接触液面，液面在毛细力的作用下在管中上升。上升最大高度h由下式决定：图透过高度法测定接触角

②透过速度法

可润湿粉体的液体在粉体柱中上升可看作是液体在毛细管中的流动。Poiseulle公式给出了流体在管中流动的速度与管的长度、半径、两端压力差及液体粘度间的关系。将此关系应用于液体在粒子柱中上升的速度问题则得：

对于各种测定接触角的方法，测量时都必须注意：足够的平衡时间和恒定体系温度。

将Good-Girifalco理论关系应用于固液界面可以得出：

考虑到在气液固三相共存的体系中，气相含有液体的蒸气，蒸气可能吸附到固体表面上，使固体表面能变化。若以代表固体表面吸附层的表面压，结合润湿方程：有：

B接触角法测固体表面能

2)浸润热法测固体表面能

将一固体浸入一液体中所放出的热量称之为浸润热或润湿热，一般用表示。润湿热越大，说明固体和液体间的亲和力越强。对于非极性固体，各种液体与它之间的相互作用主要是色散力的作用，因而无论液体是极性的还是非极性的，所得润湿热都很接近。而极性固体与液体间的相互作用的强弱乃至性质都会随液体的性质不同而改变。

(6)粉末密度测定l）真密度

颗粒质量用（减去开孔和闭孔的）颗粒体积除得的商值。真密度实际上就是粉末材料的理论密度；2）似密度

颗粒质量用（包括闭孔在内的）颗粒体积去除得到的商值。用比重瓶法测定的密度接近这种密度值，又称为比重瓶密度；3）有效密度

颗粒质量用（包括开孔和闭孔在内的）颗粒体积除得的密度值。显然它比上述两种密度值都准。

粉末颗粒的显微硬度，亦是采用普通的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算得到的。颗粒的显微硬度值，在很大程度上取决干粉末中各种杂质与合金组元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。(7)显微硬度3粉末的工艺性能概念：(1)粉末松装密度的测定；1)漏斗法；2)斯柯特容量计法；3)振动漏斗法(2)粉末流动性的测定；(3)粉末的压制性的测定1)粉末压缩性的测定；2)粉末成形性的测定

粉末的工艺性能包括松装密度、摇实密度、流动性、压缩性与成形性。工艺性能主要取决于粉末的生产方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、加润滑剂、制粒等）。(1)粉末松装密度的测定

所谓粉末松装密度，是指在规定条件下自由装填容器时，单位容积内粉末的质量（g/cm3）。

松装密度取决于许多因素：

（1）粒度和粒度组成：一般，粉末粒度愈粗，其松装密度愈大，反之其松装密度愈小；

（2）颗粒形状及表面状态：颗粒形状规则，其松装密度愈大，反之，其松装密度愈小。同时，颗粒表面愈光滑，松装密度也愈大。粉末经适当球磨和表面氧化物的生成，可使松装密度提高；

（3）粉末潮湿，松装密度增加；

（4）粉末颗粒愈致密其松装密度愈大。1)漏斗法

粉末从漏斗孔按一定高度自由落下充满圆柱杯，以单位体积粉末的质量表示粉末的松装密度。对于流动性好的粉末，松装密度的测定用漏斗法。其装置如图图测定装置图

1—支架；2一支撑套；3一支架柱；4～定位销；5一调节螺钉；6一底座；7一圆柱杯；8一定位块；9一漏斗；10一水准器

粉末松装密度的测定已标准化，根据粉末的有关性质不同，而采用不同的测定装置和方法。

2)斯柯特容量计法

将金属粉末放入上部组合漏斗中的筛网上，自然或靠外力流人布料箱，交替经过布料箱中的四块倾角为25°的玻板和方形漏斗，最后流入已知体积的圆柱杯中，呈松散状态，然后称取杯中粉末质量，计算松装密度。

该方法适用于不能自由流过漏斗孔径属粉末。其装置如图所示。图斯柯特容量计1一黄铜筛网；2一组合漏斗；3一布料箱；4一方形漏斗；5一圆柱杯；6一溢料盘；7一台架3)振动漏斗法

将粉末装入振动装置的漏斗中，在一定条件下进行振动，粉末借助于振动，从漏斗中按一定的高度自由落下，以松装状态充满已知容积的圆柱杯，用单位体积松装粉末的质量表示粉末的松装密度。该方法适用于不能自由流过漏斗法中孔径为5mm漏斗的金属粉末，不适用于在振动过程易于破碎的金属粉末，如团聚颗粒，纤维状和针状的粉末。1—漏斗；2—滑块；3—定位块；4—圆柱杯；5—杯座；6—调节螺钉；7—底座；8—开关；9—振动器支座；10—振幅调节钮；11—振动器

图振动装置图

粉末的流动性可以用一定量的粉末流过特定大小孔眼的时间来表征。粉末的流动性与许多因素有关，如颗粒的粗糙度大和形状复杂，颗粒间的相互摩擦和咬合阻碍它们相互移动，将显著影响流动性。粗颗粒比细颗粒流动性好。粉末氧化通常提高流动性。粉末潮湿将显著降低其流动性。

金属粉末的流动性是以50g金属粉末流过孔径为2.5mm的漏斗所需的时间来表示的。粉末的流动性可由下式求出：流动性=KT（s/50g）(2)粉末流动性的测定(3)粉末的压制性的测定粉末的压制性包括粉末的压缩性和成形性。1)粉末压缩性的测定

粉末压缩性是指在规定条件下粉末被压缩的程度。它以压坯密度来表示，压坯密度越高，粉末压缩性就越好。测试时是在密闭模具中用单轴双向压制法压制金属粉末的。粉末可在规定的某单位压力下压制，所得到的压坯密度即表示该粉末在规定单位压力下的压缩性，也可以在规定的一组单位压力下压制，所得到的一组压坯密度值，用绘制的压坯密度与单位压力的关系曲线即压缩性曲线表示粉末的压缩性。2)粉末成形性的测定

粉末的成形性是指粉末压制后，压坯保持一定形状的能力。粉末成形性的确定一般是观察压坯有无裂纹、表面状态如何。而定量的确定则是采用压坯的极限的极限抗压强度与单位压制力之比来表示，该比值越大，表示成形性越好。此外，也有用测定最小压制压力的办法来衡量的。最小压制力压力指的是压制时，压坯不会散碎和掉边掉角的最小压力。在规定条件下，将金属粉末压制成矩形压坯。压坯在特定条件下经受均匀施加的横向力，直至发生断裂。通常以矩形压坯的横向断裂强度表示金属粉末的成形性。§2冶金工程测试技术

§2-2-1钢铁冶金原燃料的主要性能测定

钢铁冶金原、燃料种类：原料：含铁料（包括铁矿石、精矿粉、烧结矿、球团矿、铁合金等）燃料：煤、焦、煤气、天然气、油（轻、重）等辅料：石灰石、生石灰、白云石、镁碳砖、黏土砖等分析测定指标：

1）化学成份、2）粒度极其粒度组成、3）密度、4）活性度（生石灰）、

5）冷态性能、6）反应性与强度（焦碳）等测定物料性能的意义：

1）综合评价原燃料性能，为合理使用提供依据；

2）考查、分析生产及试验研究过程，拟订技术实施方案；

3）全面评价各项技术经济指标的依据。§2冶金工程测试技术

§2-2-1-1散状物料的基本性能测定

一、粒度及其粒度组成粒度分析：粒度是物料颗粒的大小，其分析就是把它按粒度大小分级，测定各级粒度的相对含量或粒度组成。冶金原料的粒度范围：0.01～80（100）mm，测定方法根据粒度范围定。测定方法：1.筛分：粗粒[5～80（100）mm]，用钢板冲孔筛或金属网筛；细粒[0.045～5mm]，用普通标准筛；2.沉降法：[0.01～0.025mm]在20℃的水中(a)压碎(b)劈碎(c)折断(d)磨剥（e）冲击破碎§2冶金工程测试技术

§2-2-1-1散状物料的基本性能测定

二、比表面的测定比表面：单位质量（或体积）的粉末状物料所具有的总表面。[cm2/g]、[cm2/cm3]测定原理1：用流体（气体或液体）通过被测试样层时的速度计算试样比表面（液体渗透法）。

达尔斯（Darcy）定律

其中：U，液体渗透速度，[cm/s]，Q，透过料层的流量[cm2/S]△P，流体通过料层前后的压差[Pa]，L，料层厚度[mm]，μ，流体粘度[dyn·s/cm2]，K，比例常数当k=5时，比表面Sω按下式计算：Sω为单位质量物料的表面积，ρs为物料的密度；K为形状系数。该法可测定大于5μm的试样，更细的物料用气体渗透法测定（见教材120页）§2冶金工程测试技术

§2-2-1-1散状物料的基本性能测定

测定原理2：分散度高的细粒物料表面△G高，能自动吸附气体。低温N吸附法：液氮1～195℃，不发生化学吸附，可保证N气分子在固体粒子表面单层吸附。确定实验条件后，料粒的比表面可按下式计算。其中：Sω为物料比表面，N为阿佛加得罗常数；A为每个氮分子的吸附面积；m为试样质量；Vm为单分子层吸附气体体积。比体积详细方法与原理请参照教材122页

§2-2-1-1散状物料的基本性能测定

§2冶金工程测试技术三、物料密度的测定物料密度？密度：单位体积物料的质量，[Kg/m3]、[g/cm3]假（视）密度：包括内部孔隙的块状物料密度；堆积密度：包括颗粒间孔隙的散状物料的密度；重度：单位体积物料的重量，[Kgf/m3]、[gf/cm3]比重：物料与同体积水的重量比。[]计算式：式中：ρc为矿块的假（视）密度，m1为矿块和笼子在空气中的质量，m2为矿块和笼子在水中的质量，m3笼子在空气中的质量，m4笼子在水中的质量。ρ为介质的密度。

对于非亲水性或含有可容于水的物料，其介质要选酒精、苯、二甲苯等物质。

真密度测定时，把试样磨成小于0.1mm的粉料；堆积密度测定时要考虑粒度、粒度组成、颗粒形状、颗粒湿度等影响；可从假密度、真密度计算物料的气孔率，详见124页。

§2-2-2烧结矿、球团矿的试验研究

§2冶金工程测试技术一、烧结实验

实验目的：通过实验,确定铁料、溶剂、燃料返矿的配比；确定影响烧结条件对成品矿性能（物理性能、化学成分和冶金性能）的影响因素；从而获得该工艺最佳的技术经济指标。实验任务：1）评价某种矿物烧结的可行性；2）研究提高烧结矿性能、质量途径3）降低烧结能耗；4）研究烧结机理；5）研究烧结技术的工艺设备。

烧结流程：配合料制备、烧结、冷却、筛分和性能检测四大部分。

§2-2-2烧结矿、球团矿的试验研究

§2冶金工程测试技术烧结料的混合、造粒与检验

把铁矿粉、溶剂、燃料、返矿、水按一定比例称量、混合后，停留数分钟，在圆盘造球机上造粒。取出试样，进行检验。检验项目：水分、混合率、造粒指数和透气率等水分：W=（m1-m2）/m1×100%m1、m2

分别为烘干前后试样质量混合率：测定化学成分的均匀性。造粒效果：用80℃烘干分级（标准筛）评定造粒前后的粒度组成变化。料层透气性：测定压差△P、料层高度h、料层面积A和风量Q后，用下式计算KD

KD=（Q/A）[（h/△P）]n

其中，n=0.6相互关系：造粒效果越好,平均粒度越大；料层透气性越高；就可获得高的生产率。烧结料混合烧结§2-2-2烧结矿、球团矿的试验研究§2冶金工程测试技术烧结过程发生的现象:1）物理化学反应：

·燃料燃烧；

·物料分解、化合、氧化、还原等；

·新物质的生成与相变。2）三传现象：

·气体流动、传热、传质试验装置将根据相似原理进行模拟

烧结工艺测定内容:·烧结层温度、阻力、气氛烧结主要技术指标:1）垂直烧结速度；2）混合料烧损率；3）烧成率；4）返矿率；5）成品率；6）设备利用系数[t/m2·h]。球团矿的试验研究内容大致相同，见讲义136～144。§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术测定冶金性能的必要性：随着高炉的大型化和冶炼强度的提高，要求入炉含铁原料不仅有良好的化学性能、物理性能、低、中、高温冶金性能；而且要求烧结矿、球团矿具备能适应高炉冶炼的各种热态性能。冶金性能的检测项目：（国家技术监督局规定内容）1）铁矿石还原性；2）低温粉化性；3）球团矿还原膨胀性；4）高温软熔性等一、铁矿石还原性模拟炉料自高炉上部进入高温区的条件，评价还原性气体从铁矿石中排除结合氧的难以程度。·称重法测定还原度：

在900℃、CO与N2一定组成的条件下，还原180min，测定、用铁矿石（假设全部为Fe2O3）的失氧量，计算还原度和还原速率。§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术·试验条件按有关标准执行,如表9-8·还原度与还原速率的计算方法:·还原度的计算方法:其中,Rt为t时间的还原度,（%）；m0为试样质量，（g）；m1为还原开始前试样质量，（g）；m2为还原t时间后试样质量，（g）；W1为还原前试样中FeO的含量，（%）；W2为还原前试样中全铁的含量，（%）；0.11、0.43分别为使FeO、TFe氧化为Fe2O3时的含氧量换算系数。·做Rt—t的还原曲线·还原度指数（RVI）:Fe/O比0.9，还原度40%时的还原速率。其中，t30为还原度达30%时的还原时间，min；

t60为还原度达30%时的还原时间，min；

33.6为常数。§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术二、铁矿石的低温粉化率：模拟高炉炉身上部500～600℃区间内，评价因气流冲击与Fe2O3---Fe3O4—FeO的还原过程晶型转变时铁矿石的粉化程度；该指标左右了高炉布料、炉内气流分布和高炉顺行等。⊙试验装备（静态法GB13242）

·还原装置+转鼓

·试验方法：把一定粒度范围内的试样，在500℃等温用CO、CO2和N2的混合气体还原60min，冷却后用转鼓（Φ130×200mm）转10min，用6.3mm、3.15mm、0.5mm的方孔筛筛分，计算还原粉化率RDI。

其中，mD0还原后转鼓前试样质量，（g）；mD1为转鼓后大于6.3mm的质量，（g）；

mD2为转鼓后3.15～6.3mm的质量，（g）；

mD3为转鼓后0.5～3.15mm的质量，（g）。§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术三、球团矿相对自由膨胀指数：模拟高炉中、下部900～1000℃区间内，评价因Fe2O3---Fe3O4还原时晶格转变和浮士体出现时的体积膨胀量；该指标左右了高炉顺行和还原过程等。⊙试验装备（静态法GB13240）

·还原装置+体积测定装置

·试验方法：把球团矿试样，在900℃等左右用CO、CO2和N2的混合气体还原60min，冷却后用重量法测定试样体积，计算还原粉化率RSI。

RSI=（V1-V0）/V0×100%V0、V1分别为试验前后小球的体积

V1=（mB-m0）/ρHg

其中，

V1为还原后球团矿试样的体积，（cm3）；

mB为水银中球团矿的质量，（g）；

m0为空气中球团矿的质量，（g）；

ρHg为水银的密度，（g/cm3）。§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术四、铁矿石软化—熔融性：模拟高炉中、下部1000～1600℃区间内，评价因铁矿石还原成铁后出现的体积收缩、软化和铁液滴的滴落过程；该指标左右了软熔带的形成位置、炉内透气性和还原过程等。⊙铁矿石软化—透气性测定试验还原气体§2-2-3铁矿石冶金性能的研究§2冶金工程测试技术●铁矿石软化—熔融性试验条件·实验条件：试样1200g，粒度10～12.5mm,还原气体CO/N2,流量,还原温度实验结果:测定还原度80%的收缩率与压力降⊙例荷重软化—溶滴特性测定结果§2-3冶金熔体性质的测定§2冶金工程测试技术

冶金熔体的主要性质包括粘度、熔点、表面张力、比热容和导电性等，它们直接影响到炼钢、炼铁时，化学反应的热力学与动力学条件。定量地研究、测定以上参数，对于设计新型反应器，改善反应条件、开发新工艺有着重要的意义。1熔体黏度的测定2表面张力测定3密度测定1熔体黏度的测定

液体流动是所表现出来的粘滞性，是流体各部分质点间在流动是所产生内摩擦力的结果。在液体内部，可以想象有无数多互相平行的液层存在，在相邻二液层间若有相对运动时，由于分子间力的存在，则沿液层平面产生运动阻力，这样作用就是液体的内摩擦力，这种性质就是液体的黏性。假如流体的流速比较小，则各液层的运动方向可以为使互相平行的，速度的变化也是连续的，这种流动状态称为“层流”。在液体黏度测定诸方法中，均以层流状态为理论基础。

熔体黏度的测定方法概念(1)细管法水平毛细管黏度计垂直毛细管黏度计(2)扭摆振动法圆盘扭摆振动法柱体扭摆振动法坩埚扭摆振动法(3)垂直振动法(4)升球法冶金熔体的粘度测定§2冶金工程测试技术●两熔体之间的内摩檫力可用下式表示：F=η·（dυ/dx）·S[N·s/m2][dyn·s/cm2]其中，F为两熔体之间的内摩檫力，[N]、[dyn]；η为两熔体之间的粘度，[pa]S为两熔体之间的接触面积，[m2]、[cm2]；（dυ/dx）为两层间的速度梯度[m/s]。一、粘度测定原理液层间产生的摩檫力示意图冶金熔体的η是左右冶金物理化学反应的动力学条件之一。其测定方法有旋转柱体法和扭摆振动法。η=

F/S·

（dυ/dx）●粘度与温度的关系：η=Aexp（Eη/RT）其中，A为常数，Eη为粘流活化能，R为气体常数，T为绝对温度。

粘流活化能=熔体中质点形成孔穴能量+空穴移动附加能量。(1)细管法

细管法适于测量黏度值范围在100Pa·s以下的熔体，以泊肃叶定律理论基础的测定液体黏度的方法。泊肃叶（Poiseuille）定律：

它指出了流体在管内流动时体积流量与流体黏度的关系。

式中

η——动力黏度，Pa·s；

R——管道的内半径，m；

L——选取流体元的长度，m；

——选取流体元左右两端的压力差，Pa。它指出了流体在管内流动时体积流量与流体黏度的关系。1)水平毛细管黏度计2)垂直毛细管黏度计：1)水平毛细管黏度计图水平毛细管黏度计

1—储存容积；2—毛细管；3—已知容积；4—高温炉；5—样品容积；6—真空活塞；7—加样磨口管

水平毛细管黏度计：是较典型的装置（SpellS装置）。装置用石英玻璃制成，毛细管2内径为0.4mm，长为175mm，3为已知容积。如测金属黏度，首先由7将金属试样加到样品容器5内，打开真空活塞6将体系抽至真空，然后将装置伸入高温炉4的恒温带中加热，待样品熔化并达到所需温度恒温后，倾斜炉体，使金属熔体流经3和2而进入1。然后向相反方向倾斜炉体，使金属熔体重新流回已知容积3，通过炉子另一端石英窗观察，使液面略高于已知容积上部刻线a后，立即将炉子恢复水平，此时金属熔体靠自身重力而流人毛细管，用秒表准确记录熔体液面流经已知容积3上下刻线加所需的时间t，由下式可求得熔体的黏度值图5垂直毛细管黏度计1—玻璃容器；2-毛细管；3—下部接点；4—上部接点；5—熔体存储器垂直毛细管黏度计2)垂直毛细管黏度计：垂直毛细管效度计典型装置简图（Bloom装置）。装置用耐热玻璃制成。试料在玻璃容器底部熔化，用负压将熔体抽进毛细管和熔体储存器中。熔体吸入高度用铂接点探针3和4指示。当去掉负压后，熔体靠自身重力下降。若事先准确测定储存器的容积并测得熔体流过该容积的时间，便可用公式计算熔体在该温度下的黏度值。

在实际应用中，垂直毛细管法多用于熔融金属，水平毛细管法多用于熔盐黏度的测定。(2)扭摆振动法

对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。下面介绍几种扭摆振动法：1.圆盘扭摆振动法2.柱体扭摆振动法

图阻尼振动示意图

图阻尼振动示意图

图圆盘扭摆振动法图例1.圆盘扭摆振动法:

此法适用于大部分液态金属和熔盐。使用高熔点金属或耐火材料做成圆盘，用连杆连接后浸入高温待测熔体中。图柱体扭摆振动法示意图图坩埚扭摆振动法示意图2.柱体扭摆振动法此法可测的黏度的范围约为0.005～180Pa·s。(4)升球法

升球法是基于测量小球在粘性流体中的运动速度获得黏度。如图所示的仪器，浸于熔体中的固体小球（常用铂球，但主要决定于熔体）吊在天平的左盘下，向右盘加适当质量的砝码，小球匀速上升，根据Stokes定律，可得黏度：

图升球法仪器示意图

图点振动黏度计工作原理图l—杆；2—弹簧片；3—连杆；4—测头；5—永久磁铁

6、7、11、12、13—线圈；8—调节环；9—检流计；10—稳压器；14—待测液体§2-3-1冶金熔体的粘度测定§2冶金工程测试技术柱体扭动振动法示意图二、粘度测定方法—柱体扭动振动η=（DI）0.5/Kλ其中，I为系统的转动惯量，D为单位扭转的转矩，K为常数，λ为光标对数衰减率。

λ=（lnAn-lnAn+m）/m其中，An为第n次光标刻度；Am为第n次光标刻度；m为振动次数。

试验设备一定时，I、D、K为一定值，则η、λ正相关。

本试验的实质为试样熔体的粘滞阻力使惯性系统做阻尼衰减振动。可用已知粘度的熔体标定未知粘度的熔体。§2-3冶金熔体性质的测定§2冶金工程测试技术

冶金熔体的主要性质包括粘度、熔点、表面张力、比热容和导电性等，它们直接影响到炼钢、炼铁时，化学反应的热力学与动力学条件。定量地研究、测定以上参数，对于设计新型反应器，改善反应条件、开发新工艺有着重要的意义。1熔体黏度的测定2表面张力测定3密度测定概念(1)气泡最大压力法(2)毛细管上升法(3)拉筒法(4)挂片法(5)滴重法(6)静滴法原理

§2-3-2表面与界面张力的测定方法

任何两相间的界面都存在着这样的表面张力，习惯上将凝聚相与气相之间的力称做表面张力，把两凝聚相之间的这种力则称作界面张力。

概念１．表面能

液体表面层的质点（分子、原子或离子）受到一个指向液体内部的合力的作用，若要增大液体的表面积，就要反抗该指向液体内部的合力而作功。可见，液体表面层的质点比内部的质点具有较多的能量，把内外部质点能量之差称为表面能。２．表面张力

它也可以看成液体表面受到切向力的作用，该切向力力图使表面积缩小，这种切应力称做表面张力，其单位N/m或N/m，用σ表示。３．界面张力§2-3-2表面与界面张力的测定§2冶金工程测试技术液态金属的接触角

冶金过程是g/g、g/l、g/s、l/l、l/s、s/s多相反应，存在复杂的反应界面。质量、能量和热量的传输都是通过其表面和界面进行；表面、界面的能量（张力）就是影响该反应速度的重要因素。σslσsgσlg气泡最大压力法

当g、l、g三相平衡时，以下关系成立

σsg-σsl=σlgcosθ

当θ=0°时，l全面铺展在s上；当θ﹤90°时，l浸润s；当θ﹥90°时，l不浸润s；表面张力一般用Maximunbubblepressuremethod测定σ=1/2rg（h2ρ2-h1ρ1）(1)气泡最大压力法物理学上的拉普拉斯公式是测量和计算表面张力的基础。它表示任意形状的弯曲液体表面由于表面张力所产生的附加压力、表面曲率和表面张力的关系。对于球形弯曲液面，球面下的附加压力为

如图所示，其内部压力P与液体静压力及液体表面张力的合力保持动态平衡，直至这种平衡被破坏，气泡脱离管口而浮出液面。

设液体密度为ρ，表面张力为σ，气泡半径为r´,应有下面关系式成立：

图所示3种气泡状态，只有状态2的气泡半径为最小，此时气泡半径与毛细管半径r相等，显然气泡内压力达到最大值，即

原理图气泡最大压力法示意图

图测量表面张力实验装置图气泡最大压力法的装置如图所示：(2)毛细管上升法

毛细管上升法是测定表面张力最准确的一种方法，目前还一直用毛细管上升法所测定的表面张力数据作为标准。但是只用一根毛细管作上述测定时有下列缺点:1)不易造得半径均匀的毛细管和准确测定半径值;2)需要较多的液体才能获得水平基准面;3)基准液面的确定可能产生误差。由于在计算中假定θ＝0，所以该法只能测定能完全润湿毛细管的液体，但不能用于测定碱性溶液。原理这个方法研究得较早，在理论和实验上都比较成熟．如图，当干净的毛细管浸入液体中，可见到液体在毛细管中上升到一定高度，此液柱的重力与向上拉的表面张力所平衡：

设玻璃被液体完全润湿．则θ＝0，上式变为若计入毛细管中弯月部分的液体重（图中阴影部分）则上式修正为：

图毛细管上升示意图(3)拉筒法

原理如图5-14，将铂丝制成的圆环与液面接触后，再慢慢向上提升，则因液体表面张力的作用而形成一个内径为R´，外径为R´＋2r的环形液柱，环与液体间的膜被拉长，扭力丝随之被扭转，带动差动变压器的磁芯上升，这时向上的总拉力W总扣去环的重量W环后，将与此环形液柱重量相等，也与内外两边的表面张力之和相等，即：

该法要使用表面张力仪，可以迅速准确地测出各种液体的表面张力。其数值可在显示器上直接读出，该法不仅可测定液体表面张力，还可测定两种液体的界面张力。

图5-14拉筒法示意图特点及适用范围挂片法比较简便，准确度高，一般不需要校正。适用测定能很好的润湿所用挂片的液体之表面张力、此法也可以测定两种液体的界面张力。

此法与挂筒法相似，如图5-15测定时在扭力天平或链式天平上挂一块薄片来代替挂环，薄片可以采用铂片、云母片或显微镜盖玻片，有两种测定方法：一种是和挂筒法一样．使薄片恰好与被测液面相接触．然后测定薄片与液面的最大拉力，即：(4)挂片法

图5-15挂片法示意图(5)滴重法原理图5-16中内管是用一支吸量管吹制成，管端磨平，并垂直地安装在套管内，将套管置于恒温槽中，保持一定温度，用读数显微镜测准管外径为宜，当液体自管中滴出时，可以从液体滴出的体积和滴数求得每滴液体的体积,或称量滴出液体的重量而得到每滴液体的重量，当液体受重力作用向下降落时，因同时受管端间上拉的表面张力的作用而形成附于管端的液滴。当所形成液滴达到最大而刚落下时，可认为这时液滴的重量与表面张力相等。特点及应用范围：滴重法在实际使用时常采用已知表面张力的标准液体对仪器进行校正。应用该法不仅可以测某种液体的表面张力，而且也适用于液—液面张力的测定。

需要注意的是测定时，先将液体吸入滴重计至刻度以上，关紧螺旋夹，垂直放于恒温槽中，到达指定温度后，打开螺旋夹，计量从上刻度到下刻度所滴下的液滴数。液体滴下的速度不超过20滴/分。图5-16滴重法装置(6)静滴法

静滴法可用于测定熔体表面张力和密度，也可测定熔体与固体之间的接触角。由于静滴法装置相对于气泡最大压力法装置易于抽真空，同时该法要求水平垫片材质与被测熔体不润湿。所以，静滴法更适用于液态金属和密度的测定。

液滴在不润湿的水平垫片上的形状如图5－17所示。该形状是由两种力相互平衡所决定，一种力是液体的静压力，它使液滴力趋铺展在垫片上；另一种力是毛细附加力，它使液滴趋于球形。静压力与密度有关，毛细附加力与表面张力有关。因而，从理论上可根据液滴的质量及几何形状计算出密度和表面张力。图5-17垫片上液滴的形状

静滴法的特点是设备易实现高真空，特别适用于液态金属的测定。但对熔渣、熔盐，由于较难找到既不与熔体润湿，又不与熔体反应的垫片，因而应用较少。静滴法的附属设备多，操作和计算均较复杂。静滴法测定熔融Fe－C－St合金的表面张力的实验装置。

①，将清洁的固体试样放置在垫片上，固态试样通常制成圆柱状，质量约1.5～6.0克，实验前预先对试样称重。

②调整垫片位置，使成水平状态。将体系抽真空并加热。根据试样的性质，试样熔化后可在真空或氩气氛下进行测定。

③升温至实验温度后，保温20min，对液滴摄影。

④改变至另一温度，保温20min后再摄影。

⑤冲洗摄影底片，并精确测量有关投影尺寸，利用Adams表格计算表面张力和密度。实验步骤§2-3-2表面与界面张力的测定§2冶金工程测试技术一、熔渣表面张力测定实验表面张力测定装置§2-3-2表面与界面张力的测定§2冶金工程测试技术二、界面张力测定实验垫片上的液滴形状与坐标系界面张力方程式:σ(1/R1-1/R2)=P0+(ρA-ρ

B)gZ其中,R1、R2为液滴的主曲率半径；

ρA、ρB为气相、液相密度；

g为重力加速度；

Z为液滴顶点到任意一点的坐标；P0为顶点处的静压力；1）把与坩埚材质相同的垫片水平地放置在坩埚底部，再放金属滴；2）把熔渣缓缓倒入坩埚内，并保持垫片金属滴对称性；3）用X射线摄得边界鲜明的液滴影像，置如图中的坐标系解析。金属与熔渣界面张力测定计算式：σ=（ρA-ρB)gb2/ββ为Φ=90°用X/Z之值查出的校正因子3密度测定

单位体积的质量称做密度，其单位是kg/m3或g/cm3

冶金熔体一般都处在高出其熔点不远的温度，因而其结构接近于固态，也就是说熔体质点间的距离只稍大于固态。基于测定压力的方法：1）压力计法；2）气泡最大压力法。基于测定质量的方法：3）比重计法；4）阿基米德法。基于测定体积的方法：5）膨胀计法；6）静滴法。(1)压力计法

将两个U形容器的对应端彼此连接起来，其中一个U形容器装有试样并放在炉内，另一个U形容器中装有已知密度的标准液体。装有标准液体的U形管可用普通玻璃制成，标准液体通常采用水银。装有试样的U形管用石英、氧化铝等耐火材料制成。熔体液面的高度差用电接触法探测。此法只是用于测定低温熔盐和低熔点金属。

(3)比重计法

将试料在真空条件下熔融后注满已知容积的容器（比重计）中，冷凝后称量比重计内凝块的重量，即可算出熔融状态下的密度。比重计的容积可用常温下注入水或水银的方法来标定。再考虑到比重计本身的体积膨胀，熔体的密度可由下式计算：

(2)气泡最大压力法

气泡最大压力法不仅可用于测定熔体的表面张力，还可以用来测定熔体的密度。测定熔体密度的原理和测定方法与测定表面张力是相同的，要测定熔体的密度，则在第一个插入深度下测量结束后，继续下降毛细管至第二个插入深度（一般下降10～20mm即可），再测出气泡的最大压力。根据这两组数据，用下式可计算出熔体密度。

(4)阿基米德法

利用阿基米德原理测定液体密度的方法，后来有人将其用于测定液体表面张力，并称做重锤法。阿基米德法用于测定液体密度时，又可分为直接阿基米德法和间接阿基米德法。1.直接阿塞米德法

阿基米德原理指出，沉入液体中的重物，其所受的浮力等于该重物排开的同体积液体的重量。

这种方法是将重锤直接浸入待测熔体中进行测定的，故称做直接阿基米德法。

直接阿基米德法测定熔体密度时，其相对误差可控制在士0．l％左右。此法简便而又准确，被广泛用于测定各类熔体的密度。但若限于被测熔体的性质，找不出合适的重锤材料，以及测定某些玻璃、炉渣，特别是在过热不多的软化温度范围内，由于熔体粘度太大重锤无法沉入熔体时，直接法就不适用了，这种情况可考虑采用间接法。2.间接阿基米德法

将待测熔体装入已知体积的坩埚内，用细丝悬挂浸入已知密度和膨胀系数的惰性液体中，以确定其所受的浮力p。此时，待测熔体的密度产可用下式计算：

惰性液体在低温时可采用油类，高温时可采用氯化钠或其他熔盐。其密度可用直接阿基米德法事先测定。坩埚材料通常选用石英、MgO、W、Mo等材料。图5-21间接法原理图5.3.3.5膨胀计法

测定已知重量的试样熔融后的体积，由此来计算密度。如图5-22所示，将已知重量的试样置于特制的容器（称做膨胀计）中，熔融后，熔体的密度与液面的高度成反比。测定液面的高度，熔体的密度根据下式进行计算：

膨胀计可以做成具有细颈的瓶状，试料体积的微小变化能引起液面高度较大的变化，从而能提高测量精度。容器一般用耐热玻璃或石英做成；液面高度的变化可用电接触法探测。此法只适用于测定低温熔盐和易熔金属，可连续地测出变温时熔体的密度并直接得到熔体的膨胀系数。图5-22膨胀计法装置图§2-3-3熔体密度的测定§2冶金工程测试技术

密度是单位体积的质量[g/cm3]；熔体的密度是其重要的物理性质之一；表面张力、粘度、熔体结构、偏摩尔体积的计算都要用该参数。测定熔体密度就是一项基础工作。阿基米德法的测定步骤：1）测定室温下重锤的体积；（重锤为密度大、高熔点的Mo、Pt，天平感度为0.001g。2）参照有关数据，计算高温下重锤的体积；3）测定高温熔体的密度；ρl=[（A3-A4）+P]/（Vt-υt）其中，A3为重锤在氩气中的重量；A4为重锤在熔体中的重量；Vt为t温度下重锤体积；υt为t温度下细丝浸入熔体中的体积；P为校正系数。测量原理：根据阿基米德原理，物体浸没在液体里受到的浮力，等于物体所排开同体积液体的重力。我们采用已知体积的重锤，测定其在空气和液体（或熔体）中重量的变化，就可以求出液体（或熔体）的密度。高温熔体的密度可以按下式求出：式中： ρ为高温熔体的密度，g/cm3；

m0——重锤在空气中的重量g；

m——重锤在高温熔体中的重量g；

V——经过校正的重锤体积cm3。§2-3-4热容的测定方法§2冶金工程测试技术

热容是单位质量的物质温度生高1℃所需要的热量，[KJ/mol·K]；是重要的物理量之一。本节介绍直接加热法和高温投下法两种测定方法。一、直接加热法1、测定液体热容：C=[Qe/（tn-t0+△（△t）-Kω]（Mx/mx）其中，Qe为向量热体中输入的热量；Kω为空气量热计热当量；△（△t）为量热体系修正后的温度升高值；Mx为待测物质的摩尔量，mx为试样质量。2、测定固体热容：C=[Qe/△t-∑CPi·Gi]（Mx/mx）其中，Qe为向量热体中输入的热量；△t为实测温度升高值；

∑CPi·Gi为量热体系中试样以外的每种物质的摩尔热容与摩尔量乘积的代数和；Mx为待测物质的摩尔量，mx为试样质量。二、高温投下法§2-3-4热容的测定方法§2冶金工程测试技术

把试样加热到tn的温度后恒温，再把它投入到t0温度的量热器中，使该体系温度上升到t1，量热器获得的热量为：Q1=Kω（t1-t0）+q*

试样放出的热量为：Q2=mxCP（t1-t0）

在绝热状态下热损失为0，则有CP=[（Kω（t1-t0）+q*]/[mx（t1-t0）]

其中，q*为量热计热损失，Cp为tn～t1温度范围的平均比热容。§2-3-5半球法测定熔点和熔化温度§2冶金工程测试技术熔点：纯金属、共晶组份和同分异构体化合物等晶体，S-l的平衡温度。熔化温度：多元合金、炉渣等是多元复杂体系，又可以非晶态存在；无S-l的平衡温度。为比较其熔化特性，一般认为开始析出S相为“开始凝固温度（或完全溶化温度）”；l相完全凝固为“完全凝固温度（或开始熔化温度）”。研究多元复杂体系如果无现成的相图查阅，只有用研究手段测定！把“半球温度”称为熔化温度。熔化过程中试样高度的变化a-原始试样b-开始熔化温度c—高度降低一半d—接近全部熔化铁碳相图§2-3-5半球法测定熔点和熔化温度方法§2冶金工程测试技术1、制样：1）把不同成分的炉渣试样破碎到200目；2）加入5%浆糊液，压制成3×3mm的圆柱；3）在烘箱中烘干备用。1）把刚玉片水平地放入炉内，试样放在刚玉片上，并置于热电偶的上方（高温区）2）调整物镜、目镜位置，让试样在屏幕上呈现清晰图象；并位于6条水平刻度线间3）通电升温，再接近溶化温度时，把升温速度控制在5～10℃；4）观察、记录“变型温度（顶端开始变圆）”、“熔化（半球）温度”、“流淌（三分之一高度）温度”；5）每个试样重复三到五次。2、熔化特性温度的观测§2-4冶金热力学研究方法介绍§2冶金工程测试技术

热力学是研究化学反应可能性的基础；Cp、△H、△G等热力学数据是支撑冶金热力学计算、发现新冶金反应、合成新材料的基础；组份中的活度、活度系数、元素在渣--金的分配系数等参数是研究冶金工程的精髓。为此，本节在介绍上述参数测定方法的同时，举例说明该测定方法在钢铁冶金中的应用。§2-4-1热化学测定§2冶金工程测试技术一、量热法的测定原理●热力学第一定律：恒容：△U=Qv；恒压：△H=Qp；用量热的方法可测定系统从状态1到状态2的△U、△H。●量热法原理：反应在量热计中进行，用它度量反应过程中温度的变化；即Q=K△t。量热计tb反应放热量热计ta已知电能热●测定热当量K：Q电=Q放=K△t，K=Q电/△t=Q电/（tA-tb）1二、量热计种类§2-4-1热化学测定§2冶金工程测试技术2外恒温量热计1-恒温外套2-量热杯3-金属中间屏AB 3恒温量热计（相变）A-反应器B-冰套C-加料水银杯4-排汞器§2-4-1热化学测定§2冶金工程测试技术三、热当量测定量热计热当量K是量热体系升高1K所需的能量，Q=K△t量热计热当量K的标定方法标准物质定量标定：K=△H标/△t标电能定量标定：K=E电/△t电=Ivt/△t电四、量热方法举例熔解热测定装置1、测定溶解热（KCl溶于水）溶解热：△H溶=-KM/m△t1其中，M、m为溶解物质的摩尔量与质量；△

t1、△

t2分别为溶解过程、电加热过程的温度变化。电热法求K：K==I2Rt/△t2溶解热：△H溶=（I2Rt/M△t1）/m△t2§2-4-1热化学测定§2冶金工程测试技术外推法求△

t考虑到热漏（系统与实验过程的微量热损失）实验测定值§2-4-1热化学测定§2冶金工程测试技术2、测定（C完全燃烧）燃烧热为1mol的物质在恒温下所放出的热量[KJ/mol]。氧弹：25～30

×105Pa的高压氧容器。恒容条件：恒压条件：QV的精确计算式：其中，tn、t0为反应期的最高温度和原始温度；

△

t.为系统与环境引起的温差校正值；

g、b为引火丝燃烧热和燃烧掉的引火丝质量；

VOH为洗涤氧弹时消耗的、0.100mol/lNaOH的毫升数；

-5.98为1ml、0.100mol/lNaOH溶液与硝酸的生成热。§2-4-2固体电解质电池及其的应用§2冶金工程测试技术[O][C]、[Si]、[Mn]、[P]、[S]等元素的脱除及其反应速度（生产效率）各种脱氧剂合金吸收率、钢液、钢坯、钢材的质量钢中的PO2与αO2

？--研究冶金反应热力学与动力学的基础O与金属、非金属元素的反应机理如何在ppm级分析S、l、g相中O含量LECO、固体电解质电池§2-4-2固体电解质电池的应用§2冶金工程测试技术一、固体电解质电池工作原理掺入CaO的ZrO2晶格中O2-移动示意图O2-空穴

在高温作用下，O2-通过空穴移动；在外电场作用下形成电流。固体电解质氧电池工作原理低压端PⅠO2电极反应高压端