钢铁冶金实验技术和研究方法2

(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实验设计与数据处理高温技术耐火及保温、绝热技术基础部分实验用气真空技术示踪技术物相分析方法采样与试样调制原、燃料性能测定延伸部分冶金熔体性质测定冶金热力学研究方法冶金动力学研究方法钢中非金属夹杂物与气体应用部分高炉实验研究方法简介炼钢生产工艺研究方法简介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：AD61.0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：18)(221gdV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。24)X光小角度散射法d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