有關鋼鐵冶金的實驗技術與研究方法

(鋼鐵)冶金實驗技術

和研究方法(二)適用專業(yè)：冶金工程主講人：王社斌冶金工程測試技術篇

教學基本內容基本內容鋼鐵冶金工藝流程研究對象?§2冶金工程測試技術

它包括取、制樣，物相分析技術、冶金原燃料主要性能測定、冶金熔體性能測定、冶金熱力學、動力學研究方法等。

采樣（取樣）是在一批物料中采取具有代表性的部分樣品。其目的是測定、掌握該樣品的性能與狀態(tài)。

制樣是使測試樣品符合測定儀器與工藝要求的加工過程。

采樣、制樣都是按國家標準或技術規(guī)定進行。

正確的采、制樣，是指導科研與生產的保證；失誤的樣品會給科研和生產帶來不可估量的損失。

§2-1采樣及試樣的制備方法§2冶金工程測試技術§2冶金工程測試技術

§2-1-1散裝材料的采樣及制備方法

冶金中的散裝料：鐵礦石、錳礦石、石灰石、白云石、螢石、煤等半成品的散裝料：鐵精礦、燒結礦、球團礦、石灰、煅燒白云石、鎂砂、軋鋼鐵皮、焦碳、鐵合金等。

采樣時根據(jù)物料的均勻性、粒度大小和批量大小決定鑒定精度批量—當事者之間商定的、一次交付的同一類物料的數(shù)量；部分試樣—在大料堆中具有代表性布點上采取的單位量的物料；合成試樣—由部分試樣合成的、能代表該批成分、性能的樣品；試樣制備—從合成試樣中經(jīng)過縮分或破碎后在縮分，得到符合分析、測試、檢驗要求的試樣的過程。幾個術語§2冶金工程測試技術

§2-1-1散裝材料的采樣及制備方法

一、部分試樣份數(shù)和質量的確定物料粒度越小，均勻性越好，采樣的份數(shù)和質量越少；檢驗費用越少；準確度要求越高，采樣量越大，檢驗費用越高；可由上圖確定經(jīng)濟合理的采樣份數(shù)和質量，具體數(shù)據(jù)見表8-1?！?冶金工程測試技術

§2-1-1散裝材料的采樣及制備方法

二、散裝料采樣的布點和方法：1、堆料場：均勻布點，用相互垂直的平行線把料堆表面等份，在交叉點、0.5m深處取樣；2、車廂中：按圖布點取樣；3、在運輸皮帶上：按圖布點取樣。二、制樣過程破碎：試料變細小，達到后工序要求；混均：保證樣品的代表性；也可使用手工混均法；縮分：把樣品縮減到檢驗質量?！?冶金工程測試技術

§2-1-2鋼鐵與爐渣的取制樣

取樣的必要性：研究、探索冶煉過程的變化規(guī)律、鑒定半成品、成品性狀一、鋼鐵試樣取樣：鐵樣在出鐵過程中（成品中）取，到入樣模冷卻；鋼樣在出鋼過程中（成品中）取，到入樣模冷卻；制樣：清理干凈表面，用鉆床鉆取。二、爐渣試樣取樣：用樣勺分不同時期舀取，冷卻；制樣：收集渣塊、破碎，用磁鐵吸除金屬，粉碎到100目以下、縮分，干燥，供化學分析。

§2-1-2特殊用途試樣的取制樣

§2冶金工程測試技術特殊試樣包括，非金屬夾雜物、氣體分析、鋼鐵與爐渣的固體組織等試樣。一、鋼中非金屬夾雜物試樣：取樣目的：評估鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)、數(shù)量及分布對質量和使用性能的影響程度；研究與取樣環(huán)節(jié)：鋼鐵冶煉、精煉（LF、VD、RH）、澆注等；取樣地點：鋼水罐，樣勺取樣，倒入模具中；或用特制取樣器；鋼坯（鋼錠）：用乙炔切割樣塊，用刨床刨取影響區(qū)；鋼材：同鋼坯。制樣：根據(jù)使用儀器，確定制樣過程。金相、SEM、STM、X衍射等；二、鋼中氣體分析試樣：取樣目的：定量評價[N]、[H]、[O]及其對鋼質量的影響程度測試方法：化學分析[N]、[O]：常規(guī)取樣，鉆取鋼屑。

LECO：用內徑為6～8mm的石英管在樣勺中抽??；水萃冷卻，砂紙清除表面氧化物，截取圓柱形試樣分析。

LECO[H]：取制樣同上，水淬后在-40℃的干冰中保存?！?冶金工程測試技術

§2-1-2特殊用途試樣的取制樣

氣體試樣的采?。喝幽康模憾糠治鰵怏w成分及其對冶煉反應與“三傳”過程的影響，采取有效手段控制冶煉過程，達到“優(yōu)質、高效、低耗”的目的。靜態(tài)取樣：根據(jù)分析方法，（氣相色譜、質譜儀、紅外光譜、熱導儀等）用球膽取樣。連續(xù)分析：用紅外光譜、熱導儀和質譜儀等儀器分析，用傳感器取樣分析。球膽取樣注意事項：氣體溫度、流速、事前吹掃與過濾。表3-1粉末體制備方法分類試樣的制取粉體物性測定方法與原理1.化學成分測定

2.物理性能測定3.粉末的工藝性能1化學成分測定

粉末的化學成分主要包括金屬的含量和雜質的含量。雜質主要指：（1）與主要金屬結合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬成分;

（2）從原料和從粉末生產過程中帶進的機械夾雜;

（3）粉末表面吸附的氧、水汽和其它氣體。金屬粉末的化學分析與常規(guī)的金屬分析方法相同，首先測定主要成分的含量，然后測定其它成分包括雜質的含量。

酸不溶物法:金屬粉末的雜質測定還采用所謂酸不溶物法。

原理：粉末試樣用某種無機酸（銅用硝酸，鐵用鹽酸）溶解，將不溶物沉淀和過濾出來，在980℃下煅燒1小時后稱重，再計算酸不溶物含量：

氫損法:金屬粉末的氧含量的測定方法，除采用庫侖分析儀測定全氧量之外，還采用一種簡便的氫損法，即測定可被氫還原的金屬氧化物的那部分氧含量，適用于工業(yè)鐵、銅、鎢、鉬、鎳、鈷等粉末。2物理性能測定（1）顆粒形狀測定

（2）粉體粒度的測定（3）粉體比表面積測定

（4）

粉體粒度分布的測定（5）粉末表面能的測定（6）粉末密度測定（7）顯微硬度(1)顆粒形狀測定分類：顆粒形狀，可以籠統(tǒng)地劃分為規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩大類手段：光學顯微鏡、電子透射顯微鏡與掃描電鏡，肉眼或放大鏡觀察，但肉眼的分辨率約0.1毫米。在測定和表示粉末粒度時，常采用所謂形狀因子或形狀系數(shù)作為描述顆粒形狀的參數(shù)。1）延伸度2）扁平度3）齊格（Zigg）指數(shù)4）球形度5）圓形度6）粗糙度:（皺度系數(shù)）球形度的倒數(shù)稱粗糙度

圖5-1粉末顆粒的形狀1)光學顯微鏡法2)透射電鏡觀察法3)沉降法4)X光小角度散射法5)激光光散射法2.粉體粒度的測定

優(yōu)缺點

圖5-1粉末顆粒的形狀1)光學顯微鏡法

光學顯微鏡的分辨能力，可以從下式判斷：

式中，D可看成能分辨的最小顆粒尺寸。

在實際應用上，光學顯微鏡法的粒度測量范圍是0.8～150微米，再小的顆粒唯有用電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等方法測量。

優(yōu)缺點：是通用設備，由于計量顆粒數(shù)目有限，粒度數(shù)據(jù)往往缺乏代表性，但是它是唯一的對單個顆粒進行測量的粒度分析方法，方法比較直觀；因此經(jīng)常用它來標定其他粒度分析方法。A顯微鏡用的樣品制備

四分法取樣的步驟：

將0.5克左右的顆粒物質放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四塊，取其中兩塊混合，再分割為四塊，再取出兩塊，以此做下去，直到剩余顆粒的重量約0.01克為止。樣品供透射顯微鏡觀測，一般采用玻璃片制樣。B粒度測量

顯微鏡法測量的是顆粒的表現(xiàn)粒度，即顆粒的投影尺寸。對稱性好的球狀顆粒（如噴霧粉）或立方體顆?？芍苯咏娱L度計量；但對于非球狀的不規(guī)則顆粒，這種直接計量是不可能的，顆粒的“尺寸”必須考慮到顆粒形狀，有不同的表示方法。圖5-2是顯微鏡法常用的幾種顆?！俺叽纭钡谋硎痉椒?，。

圖5-2不規(guī)則顆粒的“尺寸”表示方法A樣品制備B拍攝照片C測量方法（交叉法）D透射電鏡觀察法的特點：

透解電鏡觀察法具有可靠性和直觀性。納米粒子較難分散，被測量的粒徑是團聚體的粒徑。電鏡觀察使用的粉體量極少，造成觀測法不具有代表性和缺乏統(tǒng)計性。

2)透射電鏡觀察法3)沉降法

在沉降力場作用下，顆粒在介質中移動速度是顆粒大小的函數(shù)。沉降分析就是通過測量粒子分散體系因顆粒沉降而發(fā)生的濃度變化，即可測定粒子大小和粒度分析(布)。

在沉降力場作用下，顆粒在介質中移動速度和顆粒大小有關，對球狀顆粒，這個關系由斯托克斯求出。沉降分析就是應用這一原理進行粒度分析的。主要包括重力沉降法和離心力沉降法。3)沉降法A重力沉降法：基本理論，

移液管法分類比重計法

潛浮法

B離心力沉降法基本理論

在靜止液體中，由于粉末顆粒自身的質量在重力作用下，克服介質的阻力和浮力自由降落，在層流條件下，自由降落速度與球形顆粒直徑的平方成正比，可用斯托克斯公式表示：

由（1）式，根據(jù)自由降落速度，即可求得顆粒直徑d，經(jīng)實測可得到試樣的粒度分布。

（1）（一）移液管法

此方法首次由羅賓生（Robinson）于1922年敘述，但目前通用的移液法裝置如圖所示：

移液裝置包括一個沉降筒和一個移液管。

利用移液管測定分散體因顆粒沉降而發(fā)生的濃度變化來獲得粒子大小和粒徑分布，測試范圍：1~100μm。

圖移液裝置

將較小的潛浮物放入懸浮液中，停留于懸浮液中某水準面上。沉降開始時，停留位置離液面很近。隨著顆粒沉降，懸浮液密度變化，該水準面不斷地往下推移。因此表面張力引起的誤差可以消除。（二）比重計法

因為懸浮液與純介質之間的密度差與懸浮液中顆粒濃度成正比，所以，用比重計測量沉降過程中懸浮液的密度變化，可求出懸浮液中顆粒的粒度分布。

(三)潛浮法

B離心沉降法

離心沉降法的測試儀器是X射線圓盤離心沉降儀。其原理是：在離心力場中，顆粒沉降服從Stocks定律，即把實際測量的直徑等效成Stocks直徑。特點：對X射線沉降分析而言，測試的誤差絕大部分來源于樣品的制備，即如何制備分散性良好的懸浮液。若樣品中存在著團聚，則不能準確地反映粒子的大小。另外，當分析多元混合物時，會導致一定的誤差。因為不同種類的物質密度不同，吸收X射線的強度不一樣，如果把它們等效成一種物質時，便會人為地引人誤差。測試范圍：0.01~30μm。

當X光穿過存在微觀不均勻區(qū)的介質時，將發(fā)生衍射現(xiàn)象。由于微觀不均勻區(qū)，如超細顆粒、雜質、超細空穴、裂紋、位錯、G.P區(qū)等，其大小比X光波長大，因超細此散射的角域很?。ā悖?，故稱X光小角度散射。

X光小角度散射法與可見光的衍射現(xiàn)象類似。當X光受到顆粒中兩個原子的散射時，由相干散射線的光程差可以求出：式中，ε散射角，λ是X光波長，d是顆粒大小。4)X光小角度散射法

5)激光散射法

對于大多數(shù)粉體而言，光散射粒子尺寸分析取決于所測粒子尺寸的范圍或入射光的波長。光散射的模式由粒子尺寸和入射光波長（激光λ=632nm）所決定。

①當d?λ時，如果把所測顆粒都等效為球體，當激光照射到粒子表面時發(fā)生散射，粒子越小，散射角越大，通過對散射角的測量，即可得到粒子的平均粒徑、粒度分布及比表面積。該方法不適于纖維狀、棒狀、片狀等粉體的測量。②當d≈λ時，采用光子相關光譜（PhotoCorrelationSpectroscopy，簡稱PCS）測量粒子尺寸。定義：每單位質量的粉體所具有的表面積總和，稱為比表面積（cm2/g）。1)透過法：氣體透過法和液體透過法2)BET法：容量法重量法熱解吸色譜法(3)粉體比表面積測定1)透過法基礎原理：達爾斯（Darcy）法則。該法的主要缺點：在計算公式推導中引用了一些實驗常數(shù)和假設?？諝馔ㄟ^粉末層對粉末顆粒作相對運動，粉末的表面形狀、顆粒的排列、空氣分子在顆?？妆谥g的滑動等都會影響比表面積測定結果，這些因素在計算公式中均沒有考慮。對于低分散度的試料層，氣體通道孔隙較大，上述因素影響較小，測定結果比較準確；對于高分散度的物料，空氣通道孔徑較小，上述因素影響增大，用透氣法測得的結果偏低。物料越細，偏差越大。因此，測定高分散度物料的比表面積，特別是多孔性物料的比表面積，可以用低壓透氣法和吸附法。2)BET法基本原理

BET吸附法的理論基礎：多分子層的吸附理論以BET等溫吸附理論為基礎來測定比表面積的方法有兩種，一種是靜態(tài)吸附法，一種是動態(tài)吸附法。靜態(tài)吸附法是將吸附質與吸附劑放在一起達到平衡后測定吸附量。根據(jù)吸附量測定方法的不同，又可分為容量法與質量法兩種。

A容量法

容量法通過精確測量吸附前后的壓強、體積和溫度，來計算不同相對壓強下氣體的吸附量。B重量法

直接稱量吸附劑的吸附質重量，求出吸附劑的比表面積。重量法是通過測量暴露于氣體或蒸氣中的固體試樣的質量增加直接觀測被吸附氣體的量，往往用石英彈簧的伸長長度來測量其吸附量。

與容量法比較，重量法可測量較大比表面積的吸附劑，對石英彈簧秤，要求被測吸附劑的比表面積約100m2/g以上。重量法測定比表面積的范圍是0.1~1000m2/g，納米粉的粒度范圍也在此之列。C熱解吸色譜法

熱解吸色譜法是一種動態(tài)方法，也就是說，吸附氣體處于流動過程中，因此又稱動態(tài)氣體吸附法。方法為納爾遜（Nelson）和埃格特森（Eggertsen）于1958年開始使用。由于操作簡單和快速,在實際工作中得到廣泛應用。熱解吸色譜法和靜態(tài)氣體吸附法比較，熱解吸色譜法的優(yōu)點是明顯的：（1）比表面積測量范圍寬。（2）測量快速。（3）系統(tǒng)不再需要高真空，樣品預處理可直接在載氣流下進行；廢棄了易碎和復雜的玻璃管系統(tǒng)；不再接觸有毒物質汞。（4）參數(shù)自動紀錄，操作簡單。(4)粉體粒度分布的測定

粒度分布通常是指某一粒徑或某一粒徑范圍的顆粒在整個粉體中占多大的比例。它可用簡單的表格、繪圖和函數(shù)形式表示顆粒群粒徑的分布狀態(tài)。顆粒的粒度、粒度分布及形狀能顯著影響粉末及其產品的性質和用途。

粒度測定方法有多種，常用的有篩析法、沉降法、激光法、小孔通過法、吸附法等。粉末粒徑分布得測定方法往往與粒徑測定方法相同，下面僅介紹用篩析法和激光法測粉體粒度分布。1)篩析法基本原理

篩析法是讓粉體試樣通過一系列不同篩孔的標準篩，將其分離成若干個粒級，分別稱重，求得以質量分數(shù)表示的粒度分布。篩析法適用于約10mm至20μm之間的粒度分布測量。如采用電成形篩（微孔篩），其篩孔尺寸可小至5μm，甚至更小。

過去，篩孔的大小用“目”表示，其含義是每英寸（25.4mm）長度上篩孔的數(shù)目，也有用1cm長度上的孔數(shù)或lcm2篩面上的孔數(shù)表示的，還有的直接用篩孔的尺寸來表示。特點：篩析法使用的設備簡單，操作方便，但篩分結果受顆粒形狀的影響較大，粒度分布的粒級較粗，測試下限超過38μm時，篩分時間長，也容易堵塞。篩析法有干法與濕法兩種。2)激光法TL9200型激光粒度分布儀是采用信息光學原理。通過測量顆粒群的空間頻譜，分析其粒度分布。原理框圖如下:

(5)粉末表面能的測定概念：表面能是表面自由能（SurfaceFreeEnergy）的簡稱，它是指生成1cm2新的固體表面所需作的等溫可逆功。

1)接觸角法測固體表面能A接觸角的測定①透過高度法②透過速度法B測固體表面能2)浸潤熱法測固體表面能①透過高度法

將固體粒子以固定操作方法裝填在具有多孔性管底的樣品玻管中。此管的底部設置多孔板可防止粒子漏失，允許液體自由通過。讓管底接觸液面，液面在毛細力的作用下在管中上升。上升最大高度h由下式?jīng)Q定：圖透過高度法測定接觸角

②透過速度法

可潤濕粉體的液體在粉體柱中上升可看作是液體在毛細管中的流動。Poiseulle公式給出了流體在管中流動的速度與管的長度、半徑、兩端壓力差及液體粘度間的關系。將此關系應用于液體在粒子柱中上升的速度問題則得：

對于各種測定接觸角的方法，測量時都必須注意：足夠的平衡時間和恒定體系溫度。

將Good-Girifalco理論關系應用于固液界面可以得出：

考慮到在氣液固三相共存的體系中，氣相含有液體的蒸氣，蒸氣可能吸附到固體表面上，使固體表面能變化。若以代表固體表面吸附層的表面壓，結合潤濕方程：有：

B接觸角法測固體表面能

2)浸潤熱法測固體表面能

將一固體浸入一液體中所放出的熱量稱之為浸潤熱或潤濕熱，一般用表示。潤濕熱越大，說明固體和液體間的親和力越強。對于非極性固體，各種液體與它之間的相互作用主要是色散力的作用，因而無論液體是極性的還是非極性的，所得潤濕熱都很接近。而極性固體與液體間的相互作用的強弱乃至性質都會隨液體的性質不同而改變。

(6)粉末密度測定l）真密度

顆粒質量用（減去開孔和閉孔的）顆粒體積除得的商值。真密度實際上就是粉末材料的理論密度；2）似密度

顆粒質量用（包括閉孔在內的）顆粒體積去除得到的商值。用比重瓶法測定的密度接近這種密度值，又稱為比重瓶密度；3）有效密度

顆粒質量用（包括開孔和閉孔在內的）顆粒體積除得的密度值。顯然它比上述兩種密度值都準。

粉末顆粒的顯微硬度，亦是采用普通的顯微硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，經(jīng)計算得到的。顆粒的顯微硬度值，在很大程度上取決干粉末中各種雜質與合金組元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。(7)顯微硬度3粉末的工藝性能概念：(1)粉末松裝密度的測定；1)漏斗法；2)斯柯特容量計法；3)振動漏斗法(2)粉末流動性的測定；(3)粉末的壓制性的測定1)粉末壓縮性的測定；2)粉末成形性的測定

粉末的工藝性能包括松裝密度、搖實密度、流動性、壓縮性與成形性。工藝性能主要取決于粉末的生產方法和粉末的處理工藝（球磨、退火、加潤滑劑、制粒等）。(1)粉末松裝密度的測定

所謂粉末松裝密度，是指在規(guī)定條件下自由裝填容器時，單位容積內粉末的質量（g/cm3）。

松裝密度取決于許多因素：

（1）粒度和粒度組成：一般，粉末粒度愈粗，其松裝密度愈大，反之其松裝密度愈??；

（2）顆粒形狀及表面狀態(tài)：顆粒形狀規(guī)則，其松裝密度愈大，反之，其松裝密度愈小。同時，顆粒表面愈光滑，松裝密度也愈大。粉末經(jīng)適當球磨和表面氧化物的生成，可使松裝密度提高；

（3）粉末潮濕，松裝密度增加；

（4）粉末顆粒愈致密其松裝密度愈大。1)漏斗法

粉末從漏斗孔按一定高度自由落下充滿圓柱杯，以單位體積粉末的質量表示粉末的松裝密度。對于流動性好的粉末，松裝密度的測定用漏斗法。其裝置如圖圖測定裝置圖

1—支架；2一支撐套；3一支架柱；4～定位銷；5一調節(jié)螺釘；6一底座；7一圓柱杯；8一定位塊；9一漏斗；10一水準器

粉末松裝密度的測定已標準化，根據(jù)粉末的有關性質不同，而采用不同的測定裝置和方法。

2)斯柯特容量計法

將金屬粉末放入上部組合漏斗中的篩網(wǎng)上，自然或靠外力流人布料箱，交替經(jīng)過布料箱中的四塊傾角為25°的玻板和方形漏斗，最后流入已知體積的圓柱杯中，呈松散狀態(tài)，然后稱取杯中粉末質量，計算松裝密度。

該方法適用于不能自由流過漏斗孔徑屬粉末。其裝置如圖所示。圖斯柯特容量計1一黃銅篩網(wǎng)；2一組合漏斗；3一布料箱；4一方形漏斗；5一圓柱杯；6一溢料盤；7一臺架3)振動漏斗法

將粉末裝入振動裝置的漏斗中，在一定條件下進行振動，粉末借助于振動，從漏斗中按一定的高度自由落下，以松裝狀態(tài)充滿已知容積的圓柱杯，用單位體積松裝粉末的質量表示粉末的松裝密度。該方法適用于不能自由流過漏斗法中孔徑為5mm漏斗的金屬粉末，不適用于在振動過程易于破碎的金屬粉末，如團聚顆粒，纖維狀和針狀的粉末。1—漏斗；2—滑塊；3—定位塊；4—圓柱杯；5—杯座；6—調節(jié)螺釘；7—底座；8—開關；9—振動器支座；10—振幅調節(jié)鈕；11—振動器

圖振動裝置圖

粉末的流動性可以用一定量的粉末流過特定大小孔眼的時間來表征。粉末的流動性與許多因素有關，如顆粒的粗糙度大和形狀復雜，顆粒間的相互摩擦和咬合阻礙它們相互移動，將顯著影響流動性。粗顆粒比細顆粒流動性好。粉末氧化通常提高流動性。粉末潮濕將顯著降低其流動性。

金屬粉末的流動性是以50g金屬粉末流過孔徑為2.5mm的漏斗所需的時間來表示的。粉末的流動性可由下式求出：流動性=KT（s/50g）(2)粉末流動性的測定(3)粉末的壓制性的測定粉末的壓制性包括粉末的壓縮性和成形性。1)粉末壓縮性的測定

粉末壓縮性是指在規(guī)定條件下粉末被壓縮的程度。它以壓坯密度來表示，壓坯密度越高，粉末壓縮性就越好。測試時是在密閉模具中用單軸雙向壓制法壓制金屬粉末的。粉末可在規(guī)定的某單位壓力下壓制，所得到的壓坯密度即表示該粉末在規(guī)定單位壓力下的壓縮性，也可以在規(guī)定的一組單位壓力下壓制，所得到的一組壓坯密度值，用繪制的壓坯密度與單位壓力的關系曲線即壓縮性曲線表示粉末的壓縮性。2)粉末成形性的測定

粉末的成形性是指粉末壓制后，壓坯保持一定形狀的能力。粉末成形性的確定一般是觀察壓坯有無裂紋、表面狀態(tài)如何。而定量的確定則是采用壓坯的極限的極限抗壓強度與單位壓制力之比來表示，該比值越大，表示成形性越好。此外，也有用測定最小壓制壓力的辦法來衡量的。最小壓制力壓力指的是壓制時，壓坯不會散碎和掉邊掉角的最小壓力。在規(guī)定條件下，將金屬粉末壓制成矩形壓坯。壓坯在特定條件下經(jīng)受均勻施加的橫向力，直至發(fā)生斷裂。通常以矩形壓坯的橫向斷裂強度表示金屬粉末的成形性?！?冶金工程測試技術

§2-2-1鋼鐵冶金原燃料的主要性能測定

鋼鐵冶金原、燃料種類：原料：含鐵料（包括鐵礦石、精礦粉、燒結礦、球團礦、鐵合金等）燃料：煤、焦、煤氣、天然氣、油（輕、重）等輔料：石灰石、生石灰、白云石、鎂碳磚、黏土磚等分析測定指標：

1）化學成份、2）粒度極其粒度組成、3）密度、4）活性度（生石灰）、

5）冷態(tài)性能、6）反應性與強度（焦碳）等測定物料性能的意義：

1）綜合評價原燃料性能，為合理使用提供依據(jù)；

2）考查、分析生產及試驗研究過程，擬訂技術實施方案；

3）全面評價各項技術經(jīng)濟指標的依據(jù)?！?冶金工程測試技術

§2-2-1-1散狀物料的基本性能測定

一、粒度及其粒度組成粒度分析：粒度是物料顆粒的大小，其分析就是把它按粒度大小分級，測定各級粒度的相對含量或粒度組成。冶金原料的粒度范圍：0.01～80（100）mm，測定方法根據(jù)粒度范圍定。測定方法：1.篩分：粗粒[5～80（100）mm]，用鋼板沖孔篩或金屬網(wǎng)篩；細粒[0.045～5mm]，用普通標準篩；2.沉降法：[0.01～0.025mm]在20℃的水中(a)壓碎(b)劈碎(c)折斷(d)磨剝（e）沖擊破碎§2冶金工程測試技術

§2-2-1-1散狀物料的基本性能測定

二、比表面的測定比表面：單位質量（或體積）的粉末狀物料所具有的總表面。[cm2/g]、[cm2/cm3]測定原理1：用流體（氣體或液體）通過被測試樣層時的速度計算試樣比表面（液體滲透法）。

達爾斯（Darcy）定律

其中：U，液體滲透速度，[cm/s]，Q，透過料層的流量[cm2/S]△P，流體通過料層前后的壓差[Pa]，L，料層厚度[mm]，μ，流體粘度[dyn·s/cm2]，K，比例常數(shù)當k=5時，比表面Sω按下式計算：Sω為單位質量物料的表面積，ρs為物料的密度；K為形狀系數(shù)。該法可測定大于5μm的試樣，更細的物料用氣體滲透法測定（見教材120頁）§2冶金工程測試技術

§2-2-1-1散狀物料的基本性能測定

測定原理2：分散度高的細粒物料表面△G高，能自動吸附氣體。低溫N吸附法：液氮1～195℃，不發(fā)生化學吸附，可保證N氣分子在固體粒子表面單層吸附。確定實驗條件后，料粒的比表面可按下式計算。其中：Sω為物料比表面，N為阿佛加得羅常數(shù)；A為每個氮分子的吸附面積；m為試樣質量；Vm為單分子層吸附氣體體積。比體積詳細方法與原理請參照教材122頁

§2-2-1-1散狀物料的基本性能測定

§2冶金工程測試技術三、物料密度的測定物料密度？密度：單位體積物料的質量，[Kg/m3]、[g/cm3]假（視）密度：包括內部孔隙的塊狀物料密度；堆積密度：包括顆粒間孔隙的散狀物料的密度；重度：單位體積物料的重量，[Kgf/m3]、[gf/cm3]比重：物料與同體積水的重量比。[]計算式：式中：ρc為礦塊的假（視）密度，m1為礦塊和籠子在空氣中的質量，m2為礦塊和籠子在水中的質量，m3籠子在空氣中的質量，m4籠子在水中的質量。ρ為介質的密度。

對于非親水性或含有可容于水的物料，其介質要選酒精、苯、二甲苯等物質。

真密度測定時，把試樣磨成小于0.1mm的粉料；堆積密度測定時要考慮粒度、粒度組成、顆粒形狀、顆粒濕度等影響；可從假密度、真密度計算物料的氣孔率，詳見124頁。

§2-2-2燒結礦、球團礦的試驗研究

§2冶金工程測試技術一、燒結實驗

實驗目的：通過實驗,確定鐵料、溶劑、燃料返礦的配比；確定影響燒結條件對成品礦性能（物理性能、化學成分和冶金性能）的影響因素；從而獲得該工藝最佳的技術經(jīng)濟指標。實驗任務：1）評價某種礦物燒結的可行性；2）研究提高燒結礦性能、質量途徑3）降低燒結能耗；4）研究燒結機理；5）研究燒結技術的工藝設備。

燒結流程：配合料制備、燒結、冷卻、篩分和性能檢測四大部分。

§2-2-2燒結礦、球團礦的試驗研究

§2冶金工程測試技術燒結料的混合、造粒與檢驗

把鐵礦粉、溶劑、燃料、返礦、水按一定比例稱量、混合后，停留數(shù)分鐘，在圓盤造球機上造粒。取出試樣，進行檢驗。檢驗項目：水分、混合率、造粒指數(shù)和透氣率等水分：W=（m1-m2）/m1×100%m1、m2

分別為烘干前后試樣質量混合率：測定化學成分的均勻性。造粒效果：用80℃烘干分級（標準篩）評定造粒前后的粒度組成變化。料層透氣性：測定壓差△P、料層高度h、料層面積A和風量Q后，用下式計算KD

KD=（Q/A）[（h/△P）]n

其中，n=0.6相互關系：造粒效果越好,平均粒度越大；料層透氣性越高；就可獲得高的生產率。燒結料混合燒結§2-2-2燒結礦、球團礦的試驗研究§2冶金工程測試技術燒結過程發(fā)生的現(xiàn)象:1）物理化學反應：

·燃料燃燒；

·物料分解、化合、氧化、還原等；

·新物質的生成與相變。2）三傳現(xiàn)象：

·氣體流動、傳熱、傳質試驗裝置將根據(jù)相似原理進行模擬

燒結工藝測定內容:·燒結層溫度、阻力、氣氛燒結主要技術指標:1）垂直燒結速度；2）混合料燒損率；3）燒成率；4）返礦率；5）成品率；6）設備利用系數(shù)[t/m2·h]。球團礦的試驗研究內容大致相同，見講義136～144?！?-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術測定冶金性能的必要性：隨著高爐的大型化和冶煉強度的提高，要求入爐含鐵原料不僅有良好的化學性能、物理性能、低、中、高溫冶金性能；而且要求燒結礦、球團礦具備能適應高爐冶煉的各種熱態(tài)性能。冶金性能的檢測項目：（國家技術監(jiān)督局規(guī)定內容）1）鐵礦石還原性；2）低溫粉化性；3）球團礦還原膨脹性；4）高溫軟熔性等一、鐵礦石還原性模擬爐料自高爐上部進入高溫區(qū)的條件，評價還原性氣體從鐵礦石中排除結合氧的難以程度?！しQ重法測定還原度：

在900℃、CO與N2一定組成的條件下，還原180min，測定、用鐵礦石（假設全部為Fe2O3）的失氧量，計算還原度和還原速率?！?-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術·試驗條件按有關標準執(zhí)行,如表9-8·還原度與還原速率的計算方法:·還原度的計算方法:其中,Rt為t時間的還原度,（%）；m0為試樣質量，（g）；m1為還原開始前試樣質量，（g）；m2為還原t時間后試樣質量，（g）；W1為還原前試樣中FeO的含量，（%）；W2為還原前試樣中全鐵的含量，（%）；0.11、0.43分別為使FeO、TFe氧化為Fe2O3時的含氧量換算系數(shù)?！ぷ鯮t—t的還原曲線·還原度指數(shù)（RVI）:Fe/O比0.9，還原度40%時的還原速率。其中，t30為還原度達30%時的還原時間，min；

t60為還原度達30%時的還原時間，min；

33.6為常數(shù)。§2-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術二、鐵礦石的低溫粉化率：模擬高爐爐身上部500～600℃區(qū)間內，評價因氣流沖擊與Fe2O3---Fe3O4—FeO的還原過程晶型轉變時鐵礦石的粉化程度；該指標左右了高爐布料、爐內氣流分布和高爐順行等?！言囼炑b備（靜態(tài)法GB13242）

·還原裝置+轉鼓

·試驗方法：把一定粒度范圍內的試樣，在500℃等溫用CO、CO2和N2的混合氣體還原60min，冷卻后用轉鼓（Φ130×200mm）轉10min，用6.3mm、3.15mm、0.5mm的方孔篩篩分，計算還原粉化率RDI。

其中，mD0還原后轉鼓前試樣質量，（g）；mD1為轉鼓后大于6.3mm的質量，（g）；

mD2為轉鼓后3.15～6.3mm的質量，（g）；

mD3為轉鼓后0.5～3.15mm的質量，（g）?！?-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術三、球團礦相對自由膨脹指數(shù)：模擬高爐中、下部900～1000℃區(qū)間內，評價因Fe2O3---Fe3O4還原時晶格轉變和浮士體出現(xiàn)時的體積膨脹量；該指標左右了高爐順行和還原過程等?！言囼炑b備（靜態(tài)法GB13240）

·還原裝置+體積測定裝置

·試驗方法：把球團礦試樣，在900℃等左右用CO、CO2和N2的混合氣體還原60min，冷卻后用重量法測定試樣體積，計算還原粉化率RSI。

RSI=（V1-V0）/V0×100%V0、V1分別為試驗前后小球的體積

V1=（mB-m0）/ρHg

其中，

V1為還原后球團礦試樣的體積，（cm3）；

mB為水銀中球團礦的質量，（g）；

m0為空氣中球團礦的質量，（g）；

ρHg為水銀的密度，（g/cm3）?！?-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術四、鐵礦石軟化—熔融性：模擬高爐中、下部1000～1600℃區(qū)間內，評價因鐵礦石還原成鐵后出現(xiàn)的體積收縮、軟化和鐵液滴的滴落過程；該指標左右了軟熔帶的形成位置、爐內透氣性和還原過程等?！谚F礦石軟化—透氣性測定試驗還原氣體§2-2-3鐵礦石冶金性能的研究§2冶金工程測試技術●鐵礦石軟化—熔融性試驗條件·實驗條件：試樣1200g，粒度10～12.5mm,還原氣體CO/N2,流量,還原溫度實驗結果:測定還原度80%的收縮率與壓力降⊙例荷重軟化—溶滴特性測定結果§2-3冶金熔體性質的測定§2冶金工程測試技術

冶金熔體的主要性質包括粘度、熔點、表面張力、比熱容和導電性等，它們直接影響到煉鋼、煉鐵時，化學反應的熱力學與動力學條件。定量地研究、測定以上參數(shù)，對于設計新型反應器，改善反應條件、開發(fā)新工藝有著重要的意義。1熔體黏度的測定2表面張力測定3密度測定1熔體黏度的測定

液體流動是所表現(xiàn)出來的粘滯性，是流體各部分質點間在流動是所產生內摩擦力的結果。在液體內部，可以想象有無數(shù)多互相平行的液層存在，在相鄰二液層間若有相對運動時，由于分子間力的存在，則沿液層平面產生運動阻力，這樣作用就是液體的內摩擦力，這種性質就是液體的黏性。假如流體的流速比較小，則各液層的運動方向可以為使互相平行的，速度的變化也是連續(xù)的，這種流動狀態(tài)稱為“層流”。在液體黏度測定諸方法中，均以層流狀態(tài)為理論基礎。

熔體黏度的測定方法概念(1)細管法水平毛細管黏度計垂直毛細管黏度計(2)扭擺振動法圓盤扭擺振動法柱體扭擺振動法坩堝扭擺振動法(3)垂直振動法(4)升球法冶金熔體的粘度測定§2冶金工程測試技術●兩熔體之間的內摩檫力可用下式表示：F=η·（dυ/dx）·S[N·s/m2][dyn·s/cm2]其中，F(xiàn)為兩熔體之間的內摩檫力，[N]、[dyn]；η為兩熔體之間的粘度，[pa]S為兩熔體之間的接觸面積，[m2]、[cm2]；（dυ/dx）為兩層間的速度梯度[m/s]。一、粘度測定原理液層間產生的摩檫力示意圖冶金熔體的η是左右冶金物理化學反應的動力學條件之一。其測定方法有旋轉柱體法和扭擺振動法。η=

F/S·

（dυ/dx）●粘度與溫度的關系：η=Aexp（Eη/RT）其中，A為常數(shù)，Eη為粘流活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。

粘流活化能=熔體中質點形成孔穴能量+空穴移動附加能量。(1)細管法

細管法適于測量黏度值范圍在100Pa·s以下的熔體，以泊肅葉定律理論基礎的測定液體黏度的方法。泊肅葉（Poiseuille）定律：

它指出了流體在管內流動時體積流量與流體黏度的關系。

式中

η——動力黏度，Pa·s；

R——管道的內半徑，m；

L——選取流體元的長度，m；

——選取流體元左右兩端的壓力差，Pa。它指出了流體在管內流動時體積流量與流體黏度的關系。1)水平毛細管黏度計2)垂直毛細管黏度計：1)水平毛細管黏度計圖水平毛細管黏度計

1—儲存容積；2—毛細管；3—已知容積；4—高溫爐；5—樣品容積；6—真空活塞；7—加樣磨口管

水平毛細管黏度計：是較典型的裝置（SpellS裝置）。裝置用石英玻璃制成，毛細管2內徑為0.4mm，長為175mm，3為已知容積。如測金屬黏度，首先由7將金屬試樣加到樣品容器5內，打開真空活塞6將體系抽至真空，然后將裝置伸入高溫爐4的恒溫帶中加熱，待樣品熔化并達到所需溫度恒溫后，傾斜爐體，使金屬熔體流經(jīng)3和2而進入1。然后向相反方向傾斜爐體，使金屬熔體重新流回已知容積3，通過爐子另一端石英窗觀察，使液面略高于已知容積上部刻線a后，立即將爐子恢復水平，此時金屬熔體靠自身重力而流人毛細管，用秒表準確記錄熔體液面流經(jīng)已知容積3上下刻線加所需的時間t，由下式可求得熔體的黏度值圖5垂直毛細管黏度計1—玻璃容器；2-毛細管；3—下部接點；4—上部接點；5—熔體存儲器垂直毛細管黏度計2)垂直毛細管黏度計：垂直毛細管效度計典型裝置簡圖（Bloom裝置）。裝置用耐熱玻璃制成。試料在玻璃容器底部熔化，用負壓將熔體抽進毛細管和熔體儲存器中。熔體吸入高度用鉑接點探針3和4指示。當去掉負壓后，熔體靠自身重力下降。若事先準確測定儲存器的容積并測得熔體流過該容積的時間，便可用公式計算熔體在該溫度下的黏度值。

在實際應用中，垂直毛細管法多用于熔融金屬，水平毛細管法多用于熔鹽黏度的測定。(2)扭擺振動法

對于低黏度液體（如液態(tài)金屬和熔鹽）黏度的測定，廣泛采用扭擺振動黏度基于阻尼振動的對數(shù)衰減率與阻尼介質黏度的定量關系。下面介紹幾種扭擺振動法：1.圓盤扭擺振動法2.柱體扭擺振動法

圖阻尼振動示意圖

圖阻尼振動示意圖

圖圓盤扭擺振動法圖例1.圓盤扭擺振動法:

此法適用于大部分液態(tài)金屬和熔鹽。使用高熔點金屬或耐火材料做成圓盤，用連桿連接后浸入高溫待測熔體中。圖柱體扭擺振動法示意圖圖坩堝扭擺振動法示意圖2.柱體扭擺振動法此法可測的黏度的范圍約為0.005～180Pa·s。(4)升球法

升球法是基于測量小球在粘性流體中的運動速度獲得黏度。如圖所示的儀器，浸于熔體中的固體小球（常用鉑球，但主要決定于熔體）吊在天平的左盤下，向右盤加適當質量的砝碼，小球勻速上升，根據(jù)Stokes定律，可得黏度：

圖升球法儀器示意圖

圖點振動黏度計工作原理圖l—桿；2—彈簧片；3—連桿；4—測頭；5—永久磁鐵

6、7、11、12、13—線圈；8—調節(jié)環(huán)；9—檢流計；10—穩(wěn)壓器；14—待測液體§2-3-1冶金熔體的粘度測定§2冶金工程測試技術柱體扭動振動法示意圖二、粘度測定方法—柱體扭動振動η=（DI）0.5/Kλ其中，I為系統(tǒng)的轉動慣量，D為單位扭轉的轉矩，K為常數(shù)，λ為光標對數(shù)衰減率。

λ=（lnAn-lnAn+m）/m其中，An為第n次光標刻度；Am為第n次光標刻度；m為振動次數(shù)。

試驗設備一定時，I、D、K為一定值，則η、λ正相關。

本試驗的實質為試樣熔體的粘滯阻力使慣性系統(tǒng)做阻尼衰減振動?？捎靡阎扯鹊娜垠w標定未知粘度的熔體?！?-3冶金熔體性質的測定§2冶金工程測試技術

冶金熔體的主要性質包括粘度、熔點、表面張力、比熱容和導電性等，它們直接影響到煉鋼、煉鐵時，化學反應的熱力學與動力學條件。定量地研究、測定以上參數(shù)，對于設計新型反應器，改善反應條件、開發(fā)新工藝有著重要的意義。1熔體黏度的測定2表面張力測定3密度測定概念(1)氣泡最大壓力法(2)毛細管上升法(3)拉筒法(4)掛片法(5)滴重法(6)靜滴法原理

§2-3-2表面與界面張力的測定方法

任何兩相間的界面都存在著這樣的表面張力，習慣上將凝聚相與氣相之間的力稱做表面張力，把兩凝聚相之間的這種力則稱作界面張力。

概念１．表面能

液體表面層的質點（分子、原子或離子）受到一個指向液體內部的合力的作用，若要增大液體的表面積，就要反抗該指向液體內部的合力而作功?？梢?，液體表面層的質點比內部的質點具有較多的能量，把內外部質點能量之差稱為表面能。２．表面張力

它也可以看成液體表面受到切向力的作用，該切向力力圖使表面積縮小，這種切應力稱做表面張力，其單位N/m或N/m，用σ表示。３．界面張力§2-3-2表面與界面張力的測定§2冶金工程測試技術液態(tài)金屬的接觸角

冶金過程是g/g、g/l、g/s、l/l、l/s、s/s多相反應，存在復雜的反應界面。質量、能量和熱量的傳輸都是通過其表面和界面進行；表面、界面的能量（張力）就是影響該反應速度的重要因素。σslσsgσlg氣泡最大壓力法

當g、l、g三相平衡時，以下關系成立

σsg-σsl=σlgcosθ

當θ=0°時，l全面鋪展在s上；當θ﹤90°時，l浸潤s；當θ﹥90°時，l不浸潤s；表面張力一般用Maximunbubblepressuremethod測定σ=1/2rg（h2ρ2-h1ρ1）(1)氣泡最大壓力法物理學上的拉普拉斯公式是測量和計算表面張力的基礎。它表示任意形狀的彎曲液體表面由于表面張力所產生的附加壓力、表面曲率和表面張力的關系。對于球形彎曲液面，球面下的附加壓力為

如圖所示，其內部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動態(tài)平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡脫離管口而浮出液面。

設液體密度為ρ，表面張力為σ，氣泡半徑為r′,應有下面關系式成立：

圖所示3種氣泡狀態(tài)，只有狀態(tài)2的氣泡半徑為最小，此時氣泡半徑與毛細管半徑r相等，顯然氣泡內壓力達到最大值，即

原理圖氣泡最大壓力法示意圖

圖測量表面張力實驗裝置圖氣泡最大壓力法的裝置如圖所示：(2)毛細管上升法

毛細管上升法是測定表面張力最準確的一種方法，目前還一直用毛細管上升法所測定的表面張力數(shù)據(jù)作為標準。但是只用一根毛細管作上述測定時有下列缺點:1)不易造得半徑均勻的毛細管和準確測定半徑值;2)需要較多的液體才能獲得水平基準面;3)基準液面的確定可能產生誤差。由于在計算中假定θ＝0，所以該法只能測定能完全潤濕毛細管的液體，但不能用于測定堿性溶液。原理這個方法研究得較早，在理論和實驗上都比較成熟．如圖，當干凈的毛細管浸入液體中，可見到液體在毛細管中上升到一定高度，此液柱的重力與向上拉的表面張力所平衡：

設玻璃被液體完全潤濕．則θ＝0，上式變?yōu)槿粲嬋朊毠苤袕澰虏糠值囊后w重（圖中陰影部分）則上式修正為：

圖毛細管上升示意圖(3)拉筒法

原理如圖5-14，將鉑絲制成的圓環(huán)與液面接觸后，再慢慢向上提升，則因液體表面張力的作用而形成一個內徑為R′，外徑為R′＋2r的環(huán)形液柱，環(huán)與液體間的膜被拉長，扭力絲隨之被扭轉，帶動差動變壓器的磁芯上升，這時向上的總拉力W總扣去環(huán)的重量W環(huán)后，將與此環(huán)形液柱重量相等，也與內外兩邊的表面張力之和相等，即：

該法要使用表面張力儀，可以迅速準確地測出各種液體的表面張力。其數(shù)值可在顯示器上直接讀出，該法不僅可測定液體表面張力，還可測定兩種液體的界面張力。

圖5-14拉筒法示意圖特點及適用范圍掛片法比較簡便，準確度高，一般不需要校正。適用測定能很好的潤濕所用掛片的液體之表面張力、此法也可以測定兩種液體的界面張力。

此法與掛筒法相似，如圖5-15測定時在扭力天平或鏈式天平上掛一塊薄片來代替掛環(huán)，薄片可以采用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片，有兩種測定方法：一種是和掛筒法一樣．使薄片恰好與被測液面相接觸．然后測定薄片與液面的最大拉力，即：(4)掛片法

圖5-15掛片法示意圖(5)滴重法原理圖5-16中內管是用一支吸量管吹制成，管端磨平，并垂直地安裝在套管內，將套管置于恒溫槽中，保持一定溫度，用讀數(shù)顯微鏡測準管外徑為宜，當液體自管中滴出時，可以從液體滴出的體積和滴數(shù)求得每滴液體的體積,或稱量滴出液體的重量而得到每滴液體的重量，當液體受重力作用向下降落時，因同時受管端間上拉的表面張力的作用而形成附于管端的液滴。當所形成液滴達到最大而剛落下時，可認為這時液滴的重量與表面張力相等。特點及應用范圍：滴重法在實際使用時常采用已知表面張力的標準液體對儀器進行校正。應用該法不僅可以測某種液體的表面張力，而且也適用于液—液面張力的測定。

需要注意的是測定時，先將液體吸入滴重計至刻度以上，關緊螺旋夾，垂直放于恒溫槽中，到達指定溫度后，打開螺旋夾，計量從上刻度到下刻度所滴下的液滴數(shù)。液體滴下的速度不超過20滴/分。圖5-16滴重法裝置(6)靜滴法

靜滴法可用于測定熔體表面張力和密度，也可測定熔體與固體之間的接觸角。由于靜滴法裝置相對于氣泡最大壓力法裝置易于抽真空，同時該法要求水平墊片材質與被測熔體不潤濕。所以，靜滴法更適用于液態(tài)金屬和密度的測定。

液滴在不潤濕的水平墊片上的形狀如圖5－17所示。該形狀是由兩種力相互平衡所決定，一種力是液體的靜壓力，它使液滴力趨鋪展在墊片上；另一種力是毛細附加力，它使液滴趨于球形。靜壓力與密度有關，毛細附加力與表面張力有關。因而，從理論上可根據(jù)液滴的質量及幾何形狀計算出密度和表面張力。圖5-17墊片上液滴的形狀

靜滴法的特點是設備易實現(xiàn)高真空，特別適用于液態(tài)金屬的測定。但對熔渣、熔鹽，由于較難找到既不與熔體潤濕，又不與熔體反應的墊片，因而應用較少。靜滴法的附屬設備多，操作和計算均較復雜。靜滴法測定熔融Fe－C－St合金的表面張力的實驗裝置。

①，將清潔的固體試樣放置在墊片上，固態(tài)試樣通常制成圓柱狀，質量約1.5～6.0克，實驗前預先對試樣稱重。

②調整墊片位置，使成水平狀態(tài)。將體系抽真空并加熱。根據(jù)試樣的性質，試樣熔化后可在真空或氬氣氛下進行測定。

③升溫至實驗溫度后，保溫20min，對液滴攝影。

④改變至另一溫度，保溫20min后再攝影。

⑤沖洗攝影底片，并精確測量有關投影尺寸，利用Adams表格計算表面張力和密度。實驗步驟§2-3-2表面與界面張力的測定§2冶金工程測試技術一、熔渣表面張力測定實驗表面張力測定裝置§2-3-2表面與界面張力的測定§2冶金工程測試技術二、界面張力測定實驗墊片上的液滴形狀與坐標系界面張力方程式:σ(1/R1-1/R2)=P0+(ρA-ρ

B)gZ其中,R1、R2為液滴的主曲率半徑；

ρA、ρB為氣相、液相密度；

g為重力加速度；

Z為液滴頂點到任意一點的坐標；P0為頂點處的靜壓力；1）把與坩堝材質相同的墊片水平地放置在坩堝底部，再放金屬滴；2）把熔渣緩緩倒入坩堝內，并保持墊片金屬滴對稱性；3）用X射線攝得邊界鮮明的液滴影像，置如圖中的坐標系解析。金屬與熔渣界面張力測定計算式：σ=（ρA-ρB)gb2/ββ為Φ=90°用X/Z之值查出的校正因子3密度測定

單位體積的質量稱做密度，其單位是kg/m3或g/cm3

冶金熔體一般都處在高出其熔點不遠的溫度，因而其結構接近于固態(tài)，也就是說熔體質點間的距離只稍大于固態(tài)。基于測定壓力的方法：1）壓力計法；2）氣泡最大壓力法?；跍y定質量的方法：3）比重計法；4）阿基米德法。基于測定體積的方法：5）膨脹計法；6）靜滴法。(1)壓力計法

將兩個U形容器的對應端彼此連接起來，其中一個U形容器裝有試樣并放在爐內，另一個U形容器中裝有已知密度的標準液體。裝有標準液體的U形管可用普通玻璃制成，標準液體通常采用水銀。裝有試樣的U形管用石英、氧化鋁等耐火材料制成。熔體液面的高度差用電接觸法探測。此法只是用于測定低溫熔鹽和低熔點金屬。

(3)比重計法

將試料在真空條件下熔融后注滿已知容積的容器（比重計）中，冷凝后稱量比重計內凝塊的重量，即可算出熔融狀態(tài)下的密度。比重計的容積可用常溫下注入水或水銀的方法來標定。再考慮到比重計本身的體積膨脹，熔體的密度可由下式計算：

(2)氣泡最大壓力法

氣泡最大壓力法不僅可用于測定熔體的表面張力，還可以用來測定熔體的密度。測定熔體密度的原理和測定方法與測定表面張力是相同的，要測定熔體的密度，則在第一個插入深度下測量結束后，繼續(xù)下降毛細管至第二個插入深度（一般下降10～20mm即可），再測出氣泡的最大壓力。根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)，用下式可計算出熔體密度。

(4)阿基米德法

利用阿基米德原理測定液體密度的方法，后來有人將其用于測定液體表面張力，并稱做重錘法。阿基米德法用于測定液體密度時，又可分為直接阿基米德法和間接阿基米德法。1.直接阿塞米德法

阿基米德原理指出，沉入液體中的重物，其所受的浮力等于該重物排開的同體積液體的重量。

這種方法是將重錘直接浸入待測熔體中進行測定的，故稱做直接阿基米德法。

直接阿基米德法測定熔體密度時，其相對誤差可控制在士0．l％左右。此法簡便而又準確，被廣泛用于測定各類熔體的密度。但若限于被測熔體的性質，找不出合適的重錘材料，以及測定某些玻璃、爐渣，特別是在過熱不多的軟化溫度范圍內，由于熔體粘度太大重錘無法沉入熔體時，直接法就不適用了，這種情況可考慮采用間接法。2.間接阿基米德法

將待測熔體裝入已知體積的坩堝內，用細絲懸掛浸入已知密度和膨脹系數(shù)的惰性液體中，以確定其所受的浮力p。此時，待測熔體的密度產可用下式計算：

惰性液體在低溫時可采用油類，高溫時可采用氯化鈉或其他熔鹽。其密度可用直接阿基米德法事先測定。坩堝材料通常選用石英、MgO、W、Mo等材料。圖5-21間接法原理圖5.3.3.5膨脹計法

測定已知重量的試樣熔融后的體積，由此來計算密度。如圖5-22所示，將已知重量的試樣置于特制的容器（稱做膨脹計）中，熔融后，熔體的密度與液面的高度成反比。測定液面的高度，熔體的密度根據(jù)下式進行計算：

膨脹計可以做成具有細頸的瓶狀，試料體積的微小變化能引起液面高度較大的變化，從而能提高測量精度。容器一般用耐熱玻璃或石英做成；液面高度的變化可用電接觸法探測。此法只適用于測定低溫熔鹽和易熔金屬，可連續(xù)地測出變溫時熔體的密度并直接得到熔體的膨脹系數(shù)。圖5-22膨脹計法裝置圖§2-3-3熔體密度的測定§2冶金工程測試技術

密度是單位體積的質量[g/cm3]；熔體的密度是其重要的物理性質之一；表面張力、粘度、熔體結構、偏摩爾體積的計算都要用該參數(shù)。測定熔體密度就是一項基礎工作。阿基米德法的測定步驟：1）測定室溫下重錘的體積；（重錘為密度大、高熔點的Mo、Pt，天平感度為0.001g。2）參照有關數(shù)據(jù)，計算高溫下重錘的體積；3）測定高溫熔體的密度；ρl=[（A3-A4）+P]/（Vt-υt）其中，A3為重錘在氬氣中的重量；A4為重錘在熔體中的重量；Vt為t溫度下重錘體積；υt為t溫度下細絲浸入熔體中的體積；P為校正系數(shù)。測量原理：根據(jù)阿基米德原理，物體浸沒在液體里受到的浮力，等于物體所排開同體積液體的重力。我們采用已知體積的重錘，測定其在空氣和液體（或熔體）中重量的變化，就可以求出液體（或熔體）的密度。高溫熔體的密度可以按下式求出：式中： ρ為高溫熔體的密度，g/cm3；

m0——重錘在空氣中的重量g；

m——重錘在高溫熔體中的重量g；

V——經(jīng)過校正的重錘體積cm3?！?-3-4熱容的測定方法§2冶金工程測試技術

熱容是單位質量的物質溫度生高1℃所需要的熱量，[KJ/mol·K]；是重要的物理量之一。本節(jié)介紹直接加熱法和高溫投下法兩種測定方法。一、直接加熱法1、測定液體熱容：C=[Qe/（tn-t0+△（△t）-Kω]（Mx/mx）其中，Qe為向量熱體中輸入的熱量；Kω為空氣量熱計熱當量；△（△t）為量熱體系修正后的溫度升高值；Mx為待測物質的摩爾量，mx為試樣質量。2、測定固體熱容：C=[Qe/△t-∑CPi·Gi]（Mx/mx）其中，Qe為向量熱體中輸入的熱量；△t為實測溫度升高值；

∑CPi·Gi為量熱體系中試樣以外的每種物質的摩爾熱容與摩爾量乘積的代數(shù)和；Mx為待測物質的摩爾量，mx為試樣質量。二、高溫投下法§2-3-4熱容的測定方法§2冶金工程測試技術

把試樣加熱到tn的溫度后恒溫，再把它投入到t0溫度的量熱器中，使該體系溫度上升到t1，量熱器獲得的熱量為：Q1=Kω（t1-t0）+q*

試樣放出的熱量為：Q2=mxCP（t1-t0）

在絕熱狀態(tài)下熱損失為0，則有CP=[（Kω（t1-t0）+q*]/[mx（t1-t0）]

其中，q*為量熱計熱損失，Cp為tn～t1溫度范圍的平均比熱容?！?-3-5半球法測定熔點和熔化溫度§2冶金工程測試技術熔點：純金屬、共晶組份和同分異構體化合物等晶體，S-l的平衡溫度。熔化溫度：多元合金、爐渣等是多元復雜體系，又可以非晶態(tài)存在；無S-l的平衡溫度。為比較其熔化特性，一般認為開始析出S相為“開始凝固溫度（或完全溶化溫度）”；l相完全凝固為“完全凝固溫度（或開始熔化溫度）”。研究多元復雜體系如果無現(xiàn)成的相圖查閱，只有用研究手段測定！把“半球溫度”稱為熔化溫度。熔化過程中試樣高度的變化a-原始試樣b-開始熔化溫度c—高度降低一半d—接近全部熔化鐵碳相圖§2-3-5半球法測定熔點和熔化溫度方法§2冶金工程測試技術1、制樣：1）把不同成分的爐渣試樣破碎到200目；2）加入5%漿糊液，壓制成3×3mm的圓柱；3）在烘箱中烘干備用。1）把剛玉片水平地放入爐內，試樣放在剛玉片上，并置于熱電偶的上方（高溫區(qū)）2）調整物鏡、目鏡位置，讓試樣在屏幕上呈現(xiàn)清晰圖象；并位于6條水平刻度線間3）通電升溫，再接近溶化溫度時，把升溫速度控制在5～10℃；4）觀察、記錄“變型溫度（頂端開始變圓）”、“熔化（半球）溫度”、“流淌（三分之一高度）溫度”；5）每個試樣重復三到五次。2、熔化特性溫度的觀測§2-4冶金熱力學研究方法介紹§2冶金工程測試技術

熱力學是研究化學反應可能性的基礎；Cp、△H、△G等熱力學數(shù)據(jù)是支撐冶金熱力學計算、發(fā)現(xiàn)新冶金反應、合成新材料的基礎；組份中的活度、活度系數(shù)、元素在渣--金的分配系數(shù)等參數(shù)是研究冶金工程的精髓。為此，本節(jié)在介紹上述參數(shù)測定方法的同時，舉例說明該測定方法在鋼鐵冶金中的應用?！?-4-1熱化學測定§2冶金工程測試技術一、量熱法的測定原理●熱力學第一定律：恒容：△U=Qv；恒壓：△H=Qp；用量熱的方法可測定系統(tǒng)從狀態(tài)1到狀態(tài)2的△U、△H?！窳繜岱ㄔ恚悍磻诹繜嵊嬛羞M行，用它度量反應過程中溫度的變化；即Q=K△t。量熱計tb反應放熱量熱計ta已知電能熱●測定熱當量K：Q電=Q放=K△t，K=Q電/△t=Q電/（tA-tb）1二、量熱計種類§2-4-1熱化學測定§2冶金工程測試技術2外恒溫量熱計1-恒溫外套2-量熱杯3-金屬中間屏AB 3恒溫量熱計（相變）A-反應器B-冰套C-加料水銀杯4-排汞器§2-4-1熱化學測定§2冶金工程測試技術三、熱當量測定量熱計熱當量K是量熱體系升高1K所需的能量，Q=K△t量熱計熱當量K的標定方法標準物質定量標定：K=△H標/△t標電能定量標定：K=E電/△t電=Ivt/△t電四、量熱方法舉例熔解熱測定裝置1、測定溶解熱（KCl溶于水）溶解熱：△H溶=-KM/m△t1其中，M、m為溶解物質的摩爾量與質量；△

t1、△

t2分別為溶解過程、電加熱過程的溫度變化。電熱法求K：K==I2Rt/△t2溶解熱：△H溶=（I2Rt/M△t1）/m△t2§2-4-1熱化學測定§2冶金工程測試技術外推法求△

t考慮到熱漏（系統(tǒng)與實驗過程的微量熱損失）實驗測定值§2-4-1熱化學測定§2冶金工程測試技術2、測定（C完全燃燒）燃燒熱為1mol的物質在恒溫下所放出的熱量[KJ/mol]。氧彈：25～30

×105Pa的高壓氧容器。恒容條件：恒壓條件：QV的精確計算式：其中，tn、t0為反應期的最高溫度和原始溫度；

△

t.為系統(tǒng)與環(huán)境引起的溫差校正值；

g、b為引火絲燃燒熱和燃燒掉的引火絲質量；

VOH為洗滌氧彈時消耗的、0.100mol/lNaOH的毫升數(shù)；

-5.98為1ml、0.100mol/lNaOH溶液與硝酸的生成熱?！?-4-2固體電解質電池及其的應用§2冶金工程測試技術[O][C]、[Si]、[Mn]、[P]、[S]等元素的脫除及其反應速度（生產效率）各種脫氧劑合金吸收率、鋼液、鋼坯、鋼材的質量鋼中的PO2與αO2

？--研究冶金反應熱力學與動力學的基礎O與金屬、非金屬元素的反應機理如何在ppm級分析S、l、g相中O含量LECO、固體電解質電池§2-4-2固體電解質電池的應用§2冶金工程測試技術一、固體電解質電池工作原理摻入CaO的ZrO2晶格中O2-移動示意圖O2-空穴

在高溫作用下，O2-通過空穴移動；在外電場作用下形成電流。固體電解質氧電池工作原理低壓端PⅠO2電極反應高壓端