07第七章钢铁分析答案.pdf

第六章第六章 钢铁分析答案钢铁分析答案 1 简述钢和生铁的主要区别 如何按冶炼方法或化学成分及用途进行分类 简述钢和生铁的主要区别 如何按冶炼方法或化学成分及用途进行分类 答 答 钢与生铁因含碳量的不同 性质也有明显差异 钢是指含碳量低于2 的由铁 碳等元 素组成的形变合金 除了碳 硅 锰 磷 硫五大元素外 为了使钢具有某些特殊性能 常 加入铬 镍 铝 钨 铜 铌 钒等元素 同时 锰和硅的含量也较高 生铁是含碳量高于 2 的铁碳合金 其它元素的含量也与钢有所不同 常用的钢铁材料有钢 生铁 铁合金 铸铁及各种合金 钢的分类 1 按冶炼方法分类 按炉别分 可分为转炉钢 电炉钢 平炉钢 按脱氧程度和浇注制度的不同分 可分为半镇静钢 沸腾钢 镇静钢 2 按化学成分分类 可分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢按含碳量可分为 低碳钢 碳 0 25 中碳钢 碳0 25 0 60 高碳钢 碳 0 60 工业纯铁 碳 0 04 按含硫 磷量分科分为 普通碳素钢 硫 0 055 磷 0 045 优质碳素钢 磷 硫各 0 040 高级优质碳素钢 磷 0 035 硫 0 030 普通碳素钢按交货时所保证的技术条件 又分为甲类钢 乙类钢和特类钢等 合金钢按合金元素总含量不同可分为 普通低合金钢 合金元素总含量10 按硫 磷含量不同可分为 质量钢 硫 磷 0 04 高级质量钢 硫 0 03 磷 0 035 特殊质量钢 硫 磷 0 025 3 按用途分类 钢按用途可分为结构钢 工具钢 特殊性能钢三大类 2 生铁试样和钢样应如何正确采取和制备 生铁试样和钢样应如何正确采取和制备 在采样时应注意哪些问题在采样时应注意哪些问题 答 答 生铁试样和钢铁属于固态物料样品 一般从物料堆中采样 其方法是 在料堆的周围 从地面起每隔0 5nm左右 用铁铲划一横线 然后每隔1 2m划一竖线 间隔选取横竖线的交 叉点作为取样点 在取样点取样时 用铁铲将表面刮去0 1m 深入0 3m挖取一个子样的物 料量 每个子样的最小质量不小于5kg 最后合并所采集的子样 采样时应注意的问题 与其他金属材料一样 钢铁大部分是使用切削 钻孔 锯 锉或 剪等方法采取试样 采集工具必须专用 钻头应小心磨制锋利 不得缺口 采集的试样不得 沾有油脂等污物 未曾用过的切削工具 使用前应用乙醇洗净 若金属表面沾有油污 应先 用汽油 乙醚等有机溶剂洗净 风干 3 简述钢铁试样中各组分存在的形式及性能 简述钢铁试样中各组分存在的形式及性能 答 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 硅 锰 磷 硫等元 素 1 碳是钢铁的主要成分之一 它直接影响着钢铁的性能 碳在钢铁中主要以化合碳和游 离碳两种形式存在 在钢中一般以化合碳为主 即铁或合金元素的碳化物 如 Fe3C Mn3C Cr3C2 VC MoC TiC WC 等 用 MC 表示 在铁中碳呈铁的固溶体和夹 杂固体 如无定型碳 结晶形碳 退火碳 石墨碳等 可直接用 C 表示 游离碳还 存在于经退火处理的高碳钢中 化合碳和游离碳之和称为总碳 2 硅是钢中常见的有益元素之一 硅在钢中的主要形态是 FeSi MnSi 或更复杂的化合 物FeMnSi等 也有极少部分形成非金属夹杂物 如2FeO SiO2 2MnO SiO2 及Al203 SiO2 在高碳硅钢中也可能存在少量的 SiC 3 锰是钢铁中有益的合金元素之一 锰在钢中的存在形式主要是硫化锰 也有呈其它形式 的化合物 如Mn3C FeSiMn MnSi等 4 硫是钢铁中有害元素之一 主要由焦碳或原料矿石引入 硫在钢铁中主要以非金属夹杂 物存在 主要以 MnS 形式存在 部分与铁结合成 FeS 5 磷通常为钢铁中有害元素之一 磷在钢中主要固溶体即磷化物Fe2P Fe3P形式存在 有 时以磷酸盐形态存在 4 钢铁试样应如何选用合适的分解方法 钢铁试样应如何选用合适的分解方法 答 答 根据钢铁试样种类不同 通常采用一种或几种酸混和溶样 钢铁分析中 常用硝酸分解 碳化物 同时硫酸经常与其他酸混和使用 如H2SO4和H3PO4 H2SO4和HCl等 用来分解一 些难溶的钢铁试样 5 指出 指出45 T12 CrWMn W18Cr4V 2Cr13和和lCr18Ni9Ti钢的含碳量及合金钢的含碳量及合金 元素含量各是多少元素含量各是多少 答 答 45钢表示平均含碳量为0 45 T12表示平均含碳量为1 2 的碳素工具钢 CrWMn表示Cr W Mn含量均小于1 5 的合金钢 W18Cr4V表示含W量为18 含Cr量为0 4 含V量小于1 5 的合金钢 2Cr13表示含碳量为2 左右 含Cr量为13 的不锈钢 lCr18Ni9Ti表示平均含碳为0 01 含Cr量为18 含Ni量为19 含Ti量小于1 5 的 合金钢 6 气体容积法测定钢中碳的原理是什么 气体容积法测定钢中碳的原理是什么 应注意哪些关键性问题应注意哪些关键性问题 答 答 1 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 生成的CO2与过剩的02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 2 应注意的关键性问题 1 试料的质量如下表所示 2 助熔剂中含碳量一般不超过0 005 使用前应作空白试验 并从分析结果中扣除 助熔 剂用量如下表所示 3 样品的放置要均匀地铺在燃烧舟中 不要过分集中以免熔化不完全 生成气泡CO2 不 能全部放出 4 定碳仪应装置在室温较正常的地方 距离高温炉约300 500mm 避免阳光直接照射 5 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 6 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 7 吸收器 水准瓶内溶液以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 8 如分析完高碳试样后 应空通一次 才可以接着做低碳试样分析 9 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 10 观察试样是否完全燃烧 如燃烧不完全 需重新分析 炉子升温应开始慢 逐步加速 以延长硅碳棒寿命 11 炉子升温应开始慢 逐步加速 以延长硅碳棒寿命 12 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 13 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 14 吸收器中氢氧化钾溶液使用久后也应进行更换 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 15 测定中应记录温度与大气压力 以确定补正系数 f 7 定碳仪的标尺刻度刻制的原理是什么 定碳仪的标尺刻度刻制的原理是什么 校正系数如何计算校正系数如何计算 答 答 定碳仪量气管上的标尺 其刻度常以mL表示 读数是被KOH吸收的CO2体积 mL数 其计算公式为 m fVA C 式中 A 温度16 气压101 325kPa时封闭液面上每毫升CO2中含碳的质量 g 表表 1 测定碳量的测定碳量的称称样量样量 含碳量 称样量 g 0 1 0 3 0 3 2 0 2 0 3 0 3 0 5 0 2 000 1 000 1 000 0 500 0 5000 0 2500 表表 2 测定碳量的测定碳量的助熔剂助熔剂用量用量 助熔剂 g Sn Cu或Cu O2 Sn Fe 1 1 CuO2 Fe 1 1 V2O5 Fe 1 1 生铁 碳钢 及中低合金钢 高合金钢 高温 合金 精密合金 0 25 0 5 0 25 0 5 0 25 0 5 0 25 0 5 0 25 0 5 用酸性水作封闭液时 A值为0 0005000g 用氯化钠酸性溶液作封闭液时A值为0 0005022g V 吸收前后气体的体积差 即CO2的体积 mL f 温度 气压补正系数 见附录八 m 试料的质量g 有些定碳仪量气管上标尺刻度直接刻成含碳量 可按下式计算碳的质量分数 f m 读数 C C 式中 C 读数 仪器上直接读出的碳的质量分数 f 温度 压力补正系数 m 试料的质量 g 温度 压力补正系数f是指在任一气压p和温度t的状况下 单位体积的CO2相当于刻度尺 状况即l01 325kPa l6 时CO2的体积读数 定碳仪的标尺是在l6 l01 325kPa条件下刻制 的 每lmLCO2相当0 05 碳 1g样 当温度 压力改变后 应乘上系数f 使之回复到刻度状 态 即实际含碳量 由此可见f值实际上是刻度状态下CO2体积V1与测定状态下体积V2之比值 因此 f很容易由气体方程式求出 t V V V V f 16 2 1 16 273 91 2 16 273 813 1325 101 1616 273 2 2 1 1 t btp t btp T p p T f 式中 p t 时大气压 kPa bt t 时饱和水蒸气压力 kPa t 量气管内温度 还有的仪器 量气管上标尺刻度直接刻成的是 当固定称样量如0 2500g 0 5000g或1 000g 时的含碳量 其结果可按下式计算 f 读数 C C 8 非水滴非水滴定法测定钢铁中碳时应如何定法测定钢铁中碳时应如何消除硫消除硫的的干扰干扰 答 添加除硫管 内径10mm 长100mm的玻璃管 内装4g颗粒活性二氧化锰或粒状钒酸银 两端塞有脱脂棉 MnO2 十SO2 MnSO4 2AgVO3 十 3SO2 十 O2 AgSO4 十 2VOSO4 9 乙醇一乙醇胺非水溶液滴乙醇一乙醇胺非水溶液滴定法测定钢中碳的原理是什么定法测定钢中碳的原理是什么 在在操作操作中应注意哪中应注意哪 些问题些问题 答 答 1 方法原理 试样在1150 1300 的高温O2气流中燃烧后 将生成的CO2 SO2等混合气体 经除硫 管 导入含有酚酞 茜素黄R混合指示剂的乙醇 乙醇胺 KOH混合液中 吸收并进行滴定 溶液由浅蓝色 无色 浅蓝色即为终点 根据据碱性非水溶液消耗的量计算求出碳的质量分 数 主要反应为 KOH溶于C2H5OH生成乙醇钾 C2H5OH十KOH C2H5OK H2O 乙醇胺吸收CO2生成2 羟基乙基胺甲酸 NH2C2H4OH十CO2 HOC2H4NHCOOH 用乙醇钾滴定2 羟基乙基胺甲酸 生成乙氧基碳酸钾并释放出乙醇胺 HOC2H4NHCOOK十C2H5OK C2H5OCOOK十NH2C2H4O 本法的优点是 由于有机胺的加入 增强了CO2的吸收能力 且乙醇体系无毒 缺点 是有机胺具有缓冲作用 影响终点的敏锐性 乙醇易燃 宜在密闭状态下使用 加入适当的 稳定剂 并采用混合指示剂后 体系性能有很大改善 应用广泛 操作中应注意的问题 配制滴定液用的KOH 不得含有K2CO3 分析含Cr2 以上的试样 应把Sn粒垫于试样的底部 否则因Sn粒有延缓Cr氧化的趋势而 使燃烧速度降低 导致测定结果显著偏低 滴定速度要快些 保持吸收溶液上半部呈蓝色 高碳试样滴定更应注意滴定速度 接近 终点时的滴定速度一定要缓慢 否则易过量 吸收溶液可以重复使用或回收蒸馏后再用 吸收杯内已用过的有机溶剂放掉一部分 保 持分析过程中所需要的数量 即可进行第二次测定 应认真观察滴定终点 保持与标样终点一致 乙醇胺越多吸收力越强 但终点越不敏锐 也可用一个参比杯 终点色 以辅助终点的判断 有机试剂易燃 应小心防火 10 燃烧一碘酸钾容量法测定硫的原理加何 燃烧一碘酸钾容量法测定硫的原理加何 其结果为什么不能按标准溶液的理其结果为什么不能按标准溶液的理 论浓度进行计算论浓度进行计算 答 测定硫的原理 将钢铁试样于1250 1350 的高温下通氧燃烧 使硫全部转化为二氧化硫 将生成的二 氧化硫用淀粉溶液吸收 用碘酸钾标准溶液滴定至浅蓝色为终点 燃烧 4FeS O2 2Fe2O3 4SO2 3MnS 5O2 Mn3O4 3SO2 吸收 SO2 H2O H2SO3 滴定 KIO3 5KI 6HCl 3I2 6KCl 3H2O H2SO3 I2 H2O H2SO4 2HI 碘酸钾的标准浓度需要进行滴定才能确定 因此我们不能按其理论浓度进行计算 11 测定 测定硫硫的的装置装置如何如何 各各部件部件分别分别起起什么什么作作用用 为为什么什么氧氧气气必须经过洗涤必须经过洗涤和和干干 燥燥 答 答 定硫仪中的供氧 燃烧部分与定碳仪的相同 其滴定部分包括 1 氧气瓶 内装氧气 2 氧气表 附有流量计及减压阀的氧气吸入器 3 缓冲瓶 内装水 起缓冲氧气流速的作用 4 洗气瓶 内盛氢氧化钾 高锰酸钾溶液 15g氢氧化钾溶解于35mL40g L的高锰酸钾溶 液中 高度约为瓶高度的1 3 用于初步除去氧气中可能存在的酸性及还原性气体杂质 以 及内盛浓硫酸 其高度约为瓶高度的1 3 用于初步除去氧气中的水分及碱性杂质 5 干燥塔 下层装无水氯化钙 中间隔以玻璃棉 上层装碱石灰或碱石棉 底部与顶 部也铺以玻璃棉 用于进一步干燥氧气及除去氧气中的酸性杂质 6 玻璃磨口塞 7 管式炉 附有热电偶 高温计 调压器 采用硅碳棒加热 最高使用温度可达1350 为了缩短燃烧时间 已经改用高频炉及电弧引燃炉 8 燃烧管 长600mm 内径18 20mm的素烧耐火瓷管 首先先检查是否漏气 然后分 段灼烧 瓷管两端露出炉外部分长度不小于175mm 以便燃烧时管端仍是冷却的 粗口端 连接玻璃磨口塞也可采用内插玻璃管熟橡皮塞 锥形口端用橡皮管连接于球形干燥管上 12 在燃烧法测定硫时 如何提高硫的生成率 在燃烧法测定硫时 如何提高硫的生成率 答 1 中温区是接触氧化区域 气流通过金属氧化物使SO2与02结合为SO3 因此 为了提 高SO2的回收率 燃烧管应保持干净 并适当加大氧气流量 使混合气体尽快地通过中温接 触区 以降低转化为SO3的机会 提高SO2的回收率 2 SO2易被管路中的粉尘吸附 这种吸附主要是由于试样燃烧生成的氧化物粉尘造成的粉 尘很细 疏松多孔 表面积大 容易产生吸附 又由于粉尘是弱碱性的 对酸性SO2有一定 的化学作用 尤其当试样中含有铬时 吸附更为严重 可采用MoO3作反吸附剂来改变粉尘 的性质 可提高SO2的回收率 3 SO2在吸收器中逃逸 一体积的水可溶解40体积的SO2 因此按正常的氧速和滴定方法 是不会逃逸的 但如果02气流量过大 气泡过大 则有可能逃逸 在测定生铁等高硫试样时 应严格控制好氧速及滴定速度 若改用酸碱滴定 以双氧水作为吸收剂 可大大减少其逃逸 13 简述 简述S02损失掉的几种形式 损失掉的几种形式 答 1 Fe2O3的催化作用使得SO2部分氧化为SO3 只要有FeO3和02存在 这种作用就不可能 避免 如由于瓷管使用时间过久 管壁和棉花球内存有过多的Fe2O3粉末 生成的SO2就会部 分地转化为SO3 2 SO2被管路中的粉尘吸附 这种吸附主要是由于试样燃烧生成的氧化物粉尘造成的粉尘 很细 疏松多孔 表面积大 容易产生吸附 3 SO2在吸收器中逃逸 一体积的水可溶解40体积的SO2 因此按正常的氧速和滴定方法 是不会逃逸的 但如果02气流量过大 气泡过大 则有可能逃逸 14 简述 简述NH4F SnCl2直接光度法测定钢中磷的原理 直接光度法测定钢中磷的原理 答 测定磷的基本原理 试样用氧化性酸溶解后生成 磷大部分生成了磷酸 部分生成亚磷酸 用高锰酸钾处理 后 全部被氧化为磷酸 同时破坏了碳化物 溶解 3Fe3P 41HNO3 9Fe NO3 3 3H3PO4 14NO 16H2O Fe3P 13HNO33Fe NO3 3 H3PO3 4NO 5H2O 氧化 5H3PO4 2KMnO4 6HNO35H3PO4 2KNO3 2Mn NO3 2 3H2O 破坏碳化物 5C 4KMnO4 2HNO34Mn NO3 2 4KNO3 5CO2 6H2O 磷酸与钼酸铵反应生成黄色的磷钼杂多酸 H3PO4 12H2MoO4 H3 P Mo3O10 4 12H2O 用氟化物除去三价铁的影响 加入酒石酸防止硅钼酸铵的生成 用还原剂 如氯化亚锡 等 还原 使生成 磷钼蓝 在波长650nm处测定其吸光度 用吸光度对浓度作工作曲线 可 查出不同吸光度下的磷含量 15 磷钼杂磷钼杂多多酸酸的组成如何的组成如何 形成形成磷钼杂磷钼杂多多酸酸时应时应具具备哪些备哪些条件条件 答 磷钼杂多酸的分子式为 H3 P Mo3O10 4 磷钼杂多酸是强酸 它只能存在于酸性或中性溶液中 因此采用杂多酸的光度法均在酸 性介质中进行 适宜酸度为0 7 1 4mol L 过高的酸度影响杂多酸的形成 若在碱性溶液中 即使是最稳定的杂多酸 也会过到破坏 分解成各自的酸根离子 16 影响磷钼杂影响磷钼杂多多酸还酸还原的原的因因素素有有哪些哪些 答 硅钼杂多酸在一定条件下 可以被还原为硅钼蓝 硅钼杂多酸的还原剂有SnCl2 抗坏 血酸 FeSO4等 由于不同还原剂还原条件的差异 硅钼蓝的吸收光谱也不完全相同 高酸度下以SnCl2还原 利用硅钼杂多酸在低酸度下形成后很稳定 酸度提高至4mol L也 不分解的特性 在高酸度1 6 3 5mol L下还原 此时PO43 和As V 的相应杂多酸均已分解 仅硅钼杂多酸被SnCl2还原 从而消除了磷 砷对硅测定的干扰 在此条件下 硅钼蓝显色 在5min内即可稳定 稳定时间仅为30min 低酸度下以FeSO4还原 在此条件下还原硅钼杂多酸 适量钼酸盐不被还原 采取加入H 2C2O4作掩蔽剂破坏PO4 3 As V 杂多酸的方法来消除干扰 但需注意 H2C2O4对硅钼杂多 酸也有缓慢分解作用 所以在加入H2C2O4待沉淀溶解后 应立即加入还原剂FeSO4 使硅钼 黄还原为硅钼蓝 17 如何消除钢中硅 砷对杂多酸法测定磷的干扰 如何消除钢中硅 砷对杂多酸法测定磷的干扰 答 1 硅的干扰及消除 硅可部分生成硅钼杂多酸 进一步被还原成硅钼蓝 使磷的结果 偏高 由于磷钼杂多酸和硅钼杂多酸生成的酸度不同 可采用控制酸度的办法进行消除 通 常 控制酸度为0 8 1 1mol L 加入钼酸铵后 立即加入还原剂以避免硅钼杂多酸的生成 可加入酒石酸钾钠或酒石酸 与钼酸铵生成非常稳定的配合物 大大降低了游离MoO42 的浓 度 防止了硅钼杂多酸的生成 还可采用高氯酸发烟使硅酸脱水以消除硅干扰 2 砷的干扰及消除 超过0 1 的As V 时 产生干扰 可以加酒石酸掩蔽消除 18 试述 试述H2C2O4 NH4 2Fe SO4 2硅钼蓝光度法测定钢中硅的原理 硅钼蓝光度法测定钢中硅的原理 答 答 方法原理 试样用稀酸溶解后 使硅转化为可溶性硅酸 加高锰酸钾氧化碳化物 再加亚硝酸钠还原过量的高锰酸钾 在弱酸性溶液中 加入钼酸 使其与H4SiO4反应生成氧化型的黄色硅钼杂多酸 硅钼黄 在草酸的作用下 用硫酸亚铁铵 将其还原为硅钼蓝 H4SiO4 12H2MoO4 H8 Si Mo2O7 6 10H2O H8 Si Mo2O7 6 4FeSO4 2H2SO4 H8 S i M o2O7 5 Mo2O5 2Fe2 SO4 3 2H2O 于波长810nm处测定硅钼蓝的吸光度 本法适用于铁 碳钢 低合金钢中0 030 l 00 酸溶 硅含量的测定 19 简述 简述硅钼杂硅钼杂多多酸酸的生成的生成条件条件 答 答 硅钼杂多酸有 两种同分异构变体 无论形成何种变体的硅钼酸 都须确保全部硅 呈单分子H4SiO4存在 为此应以较稀的酸溶解 且不宜长时间煮沸 试样溶完冷却后即稀释 试样经碱熔融后再酸化处理时也应遵循上述原则 切忌部分硅酸脱水聚合 酸度和钼酸铵用量对变体的形成起着决定性的作用 这种影响较为复杂 在室温和固定 的钼酸盐浓度下 c NH4 2MoO4 0 025mol L pH3 8 4 8时形成 型混合物 在pHl 0 1 8