第八章 钢铁分析.

第八章钢铁分析§8.1概述§8.2钢铁试样的采集§8.3总碳的测定§8.4硫的测定§8.5磷的测定§8.6锰的测定§8.7硅的测定红河钢铁厂§8.1概述了解钢的生产过程，进一步理解五大元素在钢中的作用，证明测定的意义。钢铁是铁和碳的合金，其化学成分中大多数元素是铁，还含有碳、硫、磷、硅、锰等元素。主要内容：铁矿石石灰石焦炭配比高温燃烧生铁辅助材料熔炼碳素钢C控制在一定限度SiMn很低SP杂质0.05%焦炭还原铁矿石，生成粗制铁——生铁石灰石CaCO3除SiO2生铁C2.5-4%Mn0.5-6%Si0.5-3%S,P(少量)钢C：0.05～1.7％S、P杂质≤0.05％Mn、Si很低§8.1概述§8.1概述一、钢铁的分类钢铁生铁：含碳量2.5-4%白口铁/炼钢生铁灰口铁/铸造生铁钢：含碳量0.05-1.7%碳素钢合金钢铁合金据MnSi量生铁一般分为灰口生铁（软而韧）白口生铁（硬而脆）Si2%,Mn2%Si促使C以游离态石墨状存在Si高流动性强，软易加工用于铸造Si0.5%,Mn4%C以化合态存在（如Fe3C,Mn阻止以游离态存在）mp=1200Co断口灰色mp=1100Co断口银白色Mn高硬难加工多用于炼钢1、生铁§8.1概述铁矿石和焦炭、石灰石按一定比例配合，经过高温煅烧、冶炼，则铁矿石被焦炭还原，生成粗制的铁，称生铁。铁矿石主要成分是氧化铁(Fe2O3)，还含有其他金属的硅酸盐或非金属杂质，经冶炼大部分杂质转化成炉渣，分离除去，有少量杂质C、Mn、Si、S、P等残存在生铁中。如果在生铁中加入其他辅助材料，进一步冶炼，则杂质被进一步氧化除去，同时控制含碳量降至一定限度，Si、Mn等元素含量很低，硫磷等杂质降至0.05%以下，则成为铁及碳的合金——碳素钢。2、钢碳素钢按含碳量分低碳钢：C＜0.25％，称纯铁或熟铁中碳钢：C0.25～0.60％高碳钢：C＞0.60%钢碳素钢C：0.05～1.7％合金钢§8.1概述特种钢：若适当提高钢中Si或Mn含量，或加入一定量的Ni，Cr，W，Mo，V，Ti等金属，成为特种钢（铁合金或合金钢）。Ni钢：有较强的强度及韧性，多用于承受冲击或强大压力的制件，含Ni36%的铸钢受热时几乎不膨胀，可制精密仪器。Cr钢：增强耐热耐腐蚀性，多用于制造滚珠轴承或工具，含Cr12.5–18%的铬钢或含铬0.6–1.75%、Ni1.25%的镍铬钢，又称不锈钢，可制高压锅等多种物品。W钢：具有极强的耐热性，受热至白热化仍不软化，常用于制造运转的机件或刀具。各种合金钢具有独特的性能而用于特殊用途。§8.1概述二、各元素在钢中的形态和作用主要是C、S、Si、Mn、P（一）碳钢铁中的C来源：原料中的焦炭碳是钢铁的主要成分之一，它直接影响着钢铁的性能。碳是区别铁与钢，决定钢号、品级的主要标志。游离态化合态Fe3C,Mn3C,Cr3C2,WC,MoC等碳的形态：§8.1概述碳决定钢的性能。碳在钢中可作为硬化剂和加强剂，正是由于碳的存在，才能用热处理的方法来调节和改善其机械性能。对存在状态的影响灰口生铁，游离的C多，软而韧→用于铸造白口生铁，化合物C多，硬而脆→用于炼钢§8.1概述（二）硅1、来源由原料矿石引入或脱氧及特殊需要而有意加入。2、形态主要以硅化物：FeSi、MnSi、FeMnSi存在在高硅钢中，一部分以SiC存在，也有时形成固熔体或硅酸盐。§8.1概述3、性能(1)增强钢的硬度、弹性及强度，提高抗氧化能力及耐酸性；(2)促使C以游离态存在，使钢具有流动性，易于铸造(3)类型a一般生铁或碳素钢Si含量1%b电器用硅钢Si含量可达4%c特殊用途的硅铁、硅钢等合金，Si含量高达12–95%如：含Si12–14%的铁合金称硅铁；含Si12%，Mn20%的铁合金称硅镜铁，主要用作炼钢脱氧剂。§8.1概述(三)锰1、来源少量由原料矿石中引入，主要是在冶炼钢铁过程中作为脱硫脱氧剂有意加入。2、形态钢铁中主要以MnS状态存在，如S含量较低，过量的锰可能组成MnC、MnSi、FeMnSi等，呈固熔体状态存在。§8.1概述3、性能增强钢的硬度，减弱延展性。4、类型生铁Mn0.5%-6%碳素钢Mn0.3–0.8%锰钢Mn0.8%高锰钢高达13%-14%含Mn12%-20%的铁合金为镜铁含Mn60%-80%的铁合金为锰铁各种型号的高锰钢，具有良好的弹性及耐腐蚀性。用于制造弹簧、齿轮、转轴、铁路道岔等此两种主要用于炼钢做脱硫剂（四）硫——有害成分1来源：主要由焦炭或原料矿石引入2形态：主要以MnS或FeS状态存在若：SMn生成MnS反之过量S和FeFeS§8.1概述3性能使钢产生“热脆性”——有害成分原因：为什么产生热脆性？FeS的熔点较低，最后凝固，夹杂于钢铁的晶格之间。当加热压制钢铁时，FeS熔融，钢铁的晶粒失去连接作用而脆裂。（五）磷——有害杂质1来源：由原料中引入，有时也为了特殊需要而有意加入2形态：以Fe2P或Fe3P状态存在3性能：磷化铁硬度较强，以至钢铁难于加工，并使钢铁产生“冷脆性”，也是有害杂质。但是P也有其作用：P↑→流动性↑→易铸造并可避免在轧钢时轧辊与压件粘合因此在特殊情况下常有意加入一定量P达此目的。§8.1概述4.类型:生铁P0.3%碳素钢P0.06%优质钢P0.03%特殊用途：轧辊钢高达0.4–0.5%炼钢或铸钢用的磷铁15–20%之间以上归纳成如下表：CSiMnSP形态固溶体碳化物Fe3C,Mn3C,Cr3C,WC,MoC.游离石墨碳主要硅化物：FeSi,MnSi高碳钢部分SiC有时以固熔体或硅酸盐MnC,MnS,FeMnSi固熔体MnS,FeSFe2P,Fe3P来源焦炭原料矿石；脱氧或特殊需要而加入原料矿石；作脱硫脱氧剂焦炭或原料矿石引入原料引入；特殊需要加入各元素在钢中的形态和作用表硬度含量高含量低↑↑产生热脆性产生冷脆性↑↓延展性韧性熔点↓↑钢：S0.05%生铁：0.35%生铁P0.3%碳素0.06%优质0.03%轧辊钢高达0.4–0.5%磷铁15–20%之间↓↑↓↑弹性强度抗氧化性↑↑↑↑流动性↑易于铸造（促使C以游离态）↑易于铸造防止轧辊、轧件间粘合抗酸碱性↑检测意义决定钢铁型号及用途主要指标直接影响钢铁性能控制一定量有害成分严格降至一定量CSiMnSP三、检测意义综上所述，C——确定钢铁型号及用途→主要指标Si、Mn——直接影响钢铁性能(有益的)→控制一定量S、P——有害成分→严格降至一定量因此，对于生铁和碳素钢：C、Si、Mn、S、P等五种元素的含量是冶金或机械工业化验室日常生产控制的重要指标。§8.1概述§8.2钢铁试样的采集一、采集规则二、钢材分析试样的采集大断面钢材小断面钢材钢板取样三、熔炼分析试样的采集§8.2钢铁试样的采集§8.3总碳的测定§8.3总碳的测定测定各种形态的碳属于相分析；在成分分析中，一般钢样只测定总碳量；生铁试样除测定总碳量外，常分别测定游离碳和化合碳的含量。生铁C＞1.7%,钢含C0.2～1.7%。总碳量的测定方法基本原理：通常都是将试样置于高温氧气流中燃烧，使之转化为二氧化碳再用适当方法测定。气体容量法非水滴定法仪器分析法§8.3总碳的测定燃烧-气体容积法(气体容量法)是目前国内外广泛采用的标准方法。优点：成本低，有较高的准确度，测得结果是总碳量的绝对值。缺点是要求有较熟练的操作技巧，分析时间较长，对低碳试样测定误差较大。§8.3总碳的测定（一）方法原理试样在1200～1300℃的高温O2气流中燃烧，钢铁中的碳被氧化生成CO2:C+O2=CO24Fe3C+13O2=4CO2+6Fe2O3Mn3C+3O2=CO2+Mn3O3FeS+5O2=Fe3O4+3SO23MnS+5O2=Mn3O4+3SO2§8.3总碳的测定（一）方法原理生成的CO2与过剩的O2经导管引入量气管，测定容积，然后通过装有KOH溶液的吸收器，吸收其中的CO2:CO2十2KOH=K2CO3十H2O剩余的O2再返回量气管中，根据吸收前后容积之差，得到CO2的容积，据此计算出试样中碳的质量分数。§8.3总碳的测定（二）主要试剂1.氢氧化钾吸收剂溶液(400g/L)；2.除硫剂活性二氧化锰(粒状)或钒酸银。2.1钒酸银；2.2活性氧化锰；3.酸性氯化钠溶液（250g/L）；4.助熔剂锡粒(或锡片)、铜、氧化铜、纯铁粉。5.高锰酸钾溶液（40g/L）；6.甲基橙指示剂（2g/L）。§8.3总碳的测定图1气体容量法定碳装置l.氧气瓶，2.氧气表，3.缓冲瓶，4、5.洗气瓶，6.干燥塔，7.玻璃磨口塞,8.管式炉，9.燃烧管，10.除硫管,11.容量定碳仪(包括:冷凝管a、量气管b、水准瓶c、吸收瓶d、小旋塞e、三通旋塞f、），l2.球形干燥管，13.瓷舟,14.温度自动控制器.15.供氧旋塞（三）仪器（四）分析步骤(1)准备工作将炉温升至1200～1350℃，(2)检查管路是否漏气，装置是否正常，(3)排出系统内的气体，空烧30min，(4)燃烧标准样品，使封闭液被CO2饱和，(5)测定样品称样,置于瓷舟中→助熔剂覆盖于试样上面→将瓷舟放入瓷管内→预热lmin，通氧→15s后打开阀门使CO2进入量气筒→约2min后燃烧完全，可停止加热→测定气体体积→用KOH吸收CO2→测定剩余气体体积。§8.3总碳的测定（五）测定条件1．试样的燃烧程度燃烧温度，助熔剂降低燃烧温度;通O2速度2．硫的干扰及消除在高温O2气流中燃烧时，试样中硫也转化为SO2：如果生成的SO2，在吸收前未能除去，同样被KOH溶液吸收，干扰碳的测定。常用MnO2、AgVO3除去混合气体中的SO2§8.3总碳的测定3.测定中应注意的问题3.1助熔剂中含碳量一般不超过0.005%;3.2样品的放置要均匀地铺在瓷舟中;3.3定碳仪应装置在室温较正常的地方(距离高温炉约300～500mm)；3.4更换水准瓶所盛溶液、玻璃棉、除硫剂、氢氧化钾溶液后，均应作几次高碳试样，使二氧化碳饱和后，才可进行试样测定。3.5对测定含硫量较高的试样(大于0.2%)，应增加除硫剂量或增加一个除硫管。§8.3总碳的测定3.测定中应注意的问题3.6吸收器、水准瓶内溶液及混合气体三者的温度应基本相同，否则将产生正负空白值。3.7如分析完高碳试样后，应通氧空烧一次，才可以接着做低碳试样分析。3.8当洗气瓶中硫酸体积显著增加及二氧化锰变白时，说明已失效，应及时更换。3.9观察试样是否完全燃烧，如燃烧不完全，需重新分析。3.10炉子升温应开始慢，逐步加速，以延长硅碳棒寿命。3.测定中应注意的问题3.11分析前，应先检查仪器各部分是否漏气。工作开始前及工作中，均应燃烧标准样品，判定工作过程中仪器的准确性。3.12吸收前后观察刻度的时间应一致。吸收后观察刻度时，量气管及水准瓶内液面与视线应处在同一水平线上。3.13吸收器中KOH溶液使用时间长后也应进行更换，一般在分析2000次后更换，否则吸收效率降低，使测定结果偏低。3.14测定中应记录温度与大气压力，以确定校正系数f。(六)分析结果计算结果可按下式计算：m——钢铁试样的质量，g；V——CO2实测体积，mL；K——温度、压力校正系数；0.0005——16℃、101.3kPa条件下单位体积所含碳质量，g/mL；%1000005.0C%mKV§8.3总碳的测定说明：(1)K——温度、压力校正系数,求法如下：根据气态方程，有：即：P，t——现场测得的气压、温度值；p——根据t值查表得到的饱和水蒸汽气压值，kPa；1.813——16℃、101.3kPa时饱和水蒸气气压值。'''TVPTPVTTPPVV'''KtpPVV27316273813.13.101'说明：(2)0.0005——特殊状态下每毫升CO2气体的质量，g/mL；特殊状态下，每molC