内科大钢铁冶金原理实验指导

实验1金属液中氧活度实验实验目的：1、掌握固体电解质定氧电池测定金属液中氧活度的原理。2、了解固体定氧电池的制作和测氧方法。二、实验原理：固体电解质具有较高的离子导电性，其导电离子的迁移数t1>0.99。在固体化合物中掺杂一定量的另一种异价化合物时，在化合物晶体中产生一定数量的离子空位。在存在化合物梯度时该离子空位发生迁移而产生离子导电，金属液定氧电池的固体电解质是稳定氧化锆陶瓷。氧化锆中掺杂一定量的Y2O3、MgO或CaO等，使其形成阳离子空位而产生离子导电性。测定金属液中氧活度的固体电解质电池和其它电池一样，由两个半电池组成的，一个半电池由具有已知衡定氧分压的参比材料（如空气、Mo-MoO、Cr2O3等）和氧化锆电解质组成。另一半电池有金属液和氧化锆电解质组成。为构成测量回路在待测金属液中插入金属丝组成回路电极，固体电解质定氧电池的表达示为：Me，ZrO2（Y2O3）,Me式中Me—金属电极引线;、—分别为电池两极的氧分压,且<；ZrO2（Y2O3）——Y2O3稳定ZrO2固体电解质。在端的电极反应为：O2（）+4e=2O2-气相中的氧分子夺取电极上的4个电子成为两个氧离子并进入固体电解质晶体。氧离子在氧化学位差作用下，通过电解质迁移到另一极，并发生下列电极反应：2O2-=O2（）+4e晶格中的氧离子失去4个电子转变为氧分子进入气相。总电极反应为：02（）=O2（）由自由能与电池电动势关系△G=-4FE得：式中E——定氧电池电动势；T--绝对温度R--气体常数（R=8.314J/mol.K）;F--法拉第常数（96500库仑/摩尔当量）；本实验用固体电解质定氧电池测定铜液中氧活度，所组成的电池可表示为：Ni-Cr，Ni,NiOZrO2（Y2O3）[O]，Ni-Cr电极反应为：正极：2[O]cu=O2△G=40800-8.86TO2+4e=2O2-负极：2O2-=O2+4e2Ni+O2=2NiO△G20=111800+40.02T电池反应为：Ni+[O]cu=NiO;△G=（+△）-RTlna[o]由自由能与电池电动势的关系式：△G=-2EF，即得：(△+△)-RTlna[o]=-2EF即：lna[o]=将和数值代入得：lna[0]=同理对电池：Ni-Cr，Cr,Cr2O3[O]cu，Ni-Crlna[o]=Ni-Cr，Mo+MoO2，ZrO2（MgO）[O]cu，Ni-CrLna[o]=电池构成及实验装置如图所示：铜液中测定氧活度装置图1、测电动势仪表；2、热电偶；3、热电偶；4、控温仪；5、高温炉；6、金属液；7、待测电极；8、固体电解质；10、参比电极；11、氧化铝粉；12、高温水泥；13、耐火纤维；14、电极引线；15、测温仪表三、实验步骤：1、定氧测头制作：（1）、将200-300目化学纯的金属Ni粉与NiO粉以9：1的重量比混合，用玛瑙研钵研，使之完全均匀混合。（2）、将Φ0.5mm的Ni-Cr丝一头绕成外径与氧化锆管内径相近的螺线套，插入锆管内，再将其压实，是Ni-Cr丝与锆管很好接触。（3）、装填参比材料粉末。将已混合均匀的参比材料（Ni+NiO）装入锆管内，不断振动使其密实，要求最终参比材料粉末高度为锆管长的三分之一，其上用Al2O粉末填充，管中的空间用耐火棉堵塞，最后用高温水泥将管口封固，即成半电池。半电池在室温空气中阴干，在100度下烘干备用。2、铜液的准备:将250克紫铜置于刚玉坩埚内，放入SiC棒炉中，升温，用精密温度控制仪控温，用热电偶测量炉膛温度。3、氧活度测量：将所做定氧电池与回路电极接到X-Y函数记录仪上，当温度达到1200℃四、实验数据处理与实验报告1、绘制电池电动势E随时间t变化的关系曲线；2、计算出铜液中氧活度值；五、思考题1、为什么定氧半电池要用高温水泥封固？2、为什么要将参比材料粉末用玛瑙研钵研磨到200-300目？实验2氧化物标准生成自由能实验一、实验目的：掌握固体电解质电池测定氧化物标准生成自由能的原理、方法；了解固体电解质在冶金热力学研究中的应用。二、实验原理：MgO、Y2O3、CaO稳定ZrO2是一种具有较高氧离子电导、良好的抗热震性和高强度、韧性的固体电解质材料。在冶金热力学数据如氧活度、氧化物标准生成自由能等的测定中得到广泛应用。测定氧化物标准生成自由能的固体电解质电池可表示如下：Ni－Cr|M,MO|ZrO(MgO,CaO)|Mx,MxO|Ni－Cr金属M与其氧化物MO的混合物为参比电极，待测电极由未知标准生成自由能氧化物MxO与其金属的混合物组成。设MO的分解压较MxO要小，则电池反应如下：正极：MxO=Mx+1/2O21/2O2+2e=O2- 负极：O2-=1/2O2+2e1/2O2+M=MO电池反应：MxO+M=Mx+MO反应自由能变化为：△G=△G0=△G0MO-△G0MxO=-2EF△G0MxO=△G0MO+2EF实验中测定不同温度下电池电动势，即可根据已知的△G0MO由上式得出△G0MxO与温度的关系。本实验中测定Cu2O的标准生成自由能。采用ZrO2(MgO)为固体电解质，Ni和NiO混合粉末为参比电极。电池为：Ni-Cr，Ni+NiO|ZrO2(MgO)|Cu+Cu2O，Ni-Cr电池反应为：Cu2O+Ni=NiO+2Cu反应自由能变化为：△GCu2O0=△G0Ni-△G0Cu2OG=-2EF=△G0NiO+2EF其中△G0NiO=-114000+40.3TCal/mol，F=23060Cal/v。实验中测得不同温度下电池电动势E，即可求得与温度的关系。三、实验步骤：电池制备：（1）将200-300目化学纯的金属Ni粉和NiO粉以9：1的重量比混合，用玛瑙研钵混研，使之完全均匀混合。同样方法将Cu和Cu2O粉末配研均匀待用。（2）将0.5mm的Ni-Cr丝绕成螺线，插入氧化锆管内，使其与氧化锆很好接触。（3）将已混好的参比材料（Ni+NiO）装入氧化锆管内，振动使其密实。参比材料装入量约为氧化锆管的1/3。装入氧化铝粉填充其余空间，并用耐火纤维将管口密封，成为半电池。（4）将Ni-Cr丝制成网状，放置在一小瓷坩埚中，再将以上所制半电池压在Ni-Cr网上。周围装入Cu和Cu2O的混合粉末，压实。上部用氧化铝粉末密封，用耐火纤维封口。（5）配好高温水泥，将电池上部密封，烘干即成为测定Cu2O的标准生成自由能的电池。电池电动势测定：将电池置于高温炉中，接线。实验装置如图所示。开起电源，高温炉升温到测量温度，测量电池电动势E。实验中要求测定500-10500C范围的E值，每隔500C测一点。记录T和E值。测量完成后，关闭电源，高温炉降温。 图1测定标准生成自由能装置图1、高温炉；2、高温水泥；3、耐火纤维；4、氧化铝粉；5、参比电极；6、待测电极；7、热电偶；8、电极引线。四、实验数据处理1、记录电池温度、电池电动势实验数据；2、根据实验数据，由数据拟合方法求出氧化物标准生成自由能关系式；五、思考题1、不同参比电极的根据是什么？2、为什么制作参比电极时要求Ni丝与氧化锆内壁紧密接触，为什么参比电极材料粉末必须压实？实验3碳酸钙分解速度测定实验目的：测定碳酸钙分解速度随时间的变化，以了解碳酸钙分解反应的自由催化机理；分析温度、颗粒对分解反应速度的影响；掌握在高温下多相反应动力学的研究方法；仪器装置：实验装置如图一所示。工业分析天平置于支架8上，其右端为砝码，左端用一根Ni-Cr丝制成的链条悬挂一瓷坩埚，内装碳酸钙试样。11572346实验装置示意图1、天平；2、砝码；3、Ni-Cr丝链条；4、坩埚；电炉；6、热电偶；7、温度控制仪；8、支架。8实验步骤：检查仪器是否完好。通电升温到指定温度。在升温的同时称取碳酸钙试样10克。称重是将坩埚吊挂在天平左端钩上，不要放入炉内。升温到指定温度时，从天平右端减去50mg砝码。将试样放入炉内，启动天平，开动秒表记录天平平衡的时间t1由于天平右端减去50砝码，所以天平左倾。随分解反应的进行，试样重量减小。经一定时间后，天平重新达到平衡。在达到平衡是，迅速支起天平，再减去200mg砝码。启动天平。记录再次达到平衡的时间t2。重新进行操作6，直到减重约为试样重量的40%时为止。然后改变试样粒度或反应温度。重复上述步骤。每小组共作4次实验，各次实验条件列表如下：实验次数 实验温度℃ 实验粒度1 750小粒度2750大粒度3800小粒度4800大粒度实验完成后，支起天平并停电，将天平及砝码整理好，经指导教师检查。数据处理：将实验数据按下列方式列出：实验次数：温度：粒度：试样重：减重次数1234…20减重△W(mg)50200200200…时间t1t2t3t4…时间间隔△t(s)t1t2–t1t3–t2t4–t3分解速度（）W W—为此时间间隔起始时试样重量。W=W0–·△WW0—试样最初重量（g）作分解速度－时间图，将四次实验结果绘在图上，说明反应温度和试样粒度对反应速度的影响。五、注意事项：热电偶应放在高温炉恒温带中，不得与坩埚接触。坩埚应为自由悬挂状态，并处于恒温带中。严格控制温度恒定，温度波动不大于|＋10℃。启动天平要轻，增减砝码是应先将天平支起，以免损坏刀口。六、思考题：化学反应速度有几种表示方法？当减重达到平衡后，秒表停下来吗？为什么？影响分解速度的其它因素有那些？如何选择分解速度和时间的单位？对分析结果有无影响？为什么要在注意事项中作哪些规定？实验4铁矿石间接还原实验一、目的和意义间接还原是高炉上部、中部的重要反应，铁矿石的还原度是表征矿石被一氧化碳还原的难易程度，是评价铁矿石的重要指标。本实验要求学生依据国际标准熟练掌握还原度的测定方法。二、实验原理本实验采用无刀口式电子天平，自动称量，自动检测矿石还原反应过程中瞬时的重量变化，通过试样含氧量给定器及自动除法器，运算指出当时的还原度，并对还原反应全过程作自动记录，仪器终端绘出“还原度—时间”函数曲线。三、实验装置四、实验步骤1、烧结矿试样在105℃下烘干120分钟，以除去水分。2、称取烧结矿试样500g，粒度±1毫米，为保证粒度需用12毫米与15毫米的筛子过筛，试样铁氧化物总量由下式计算：总氧量=（0.429TFe-0.11FeO）G式中：G--试样重量还原反应管用耐热钢制成，内径75mm，中部有带孔隔板，板上方试样，板下放高铝杯，用以预热还原气体。3、装好试样的反应管吊在天平下，置于电炉内，电炉由可控硅控制温度。4、升温时先通干燥氮气于反应管，一小时内由室温升至900℃，保温30分钟。然后通入还原气体，还原气体组成为CO30%，N270%，流量为15L/min。5、通入气体前用氧量给定器旋钮对试样总氧量进行给定，并用50g砝码自检。通气后随即开动仪表走纸开关，开始自动记录画出“还原度—时间”关系曲线。6、测定时间为3小时，实验完毕后，卸下吊管和平衡砝码，关掉电源。五、注意事项1、装有木炭的CO气体发生管，装有矿石的反应管以及气体流量计，气瓶等气体连接处和气体管道要密封好，以防中毒。2、清洗系统不能倒装，以免发生倒流，影响实验进行。3、天平的上下阻尼盒不能互碰，间隙要均匀，必要时打开天平盖松动下阻尼螺钉，适当调节间隙。4、还原反应管不能碰炉壁，链子挂钩应该在孔的中心位置。5、实验时，不能碰天平、吊链、反应管、反应管附近的胶管、炉子等，以免影响实验的准确性。6、硅胶、碱石灰变色后需更换。7、升温时，控温模式之于“手动”位置，接近规定温度时，转换到“自动”位置，以便恒温。六、实验记录和数据整理1、记录烧结矿试样的成份和总氧量。2、记录还原温度和还原气体流量。3、根据本实验的还原度曲线结合其它小组的数据以及烧结矿的碱度、FeO含量等进行综合分析。实验5炉渣熔点和熔化温度实验实验目的：炉渣在冶金过程中有重要作用，它的组成、性质和生成速度对钢中S、P等杂质的去除，炉衬寿命和金属收得率的高低，都有很大影响。通过对炉渣熔点的测定，配合炉渣的成份，岩相分析，可以提高对炉渣的认识，提高合理的造渣工艺水平，以便提高冶炼效率和延长炉衬的寿命。实验原理：在实践中为了相对比较炉渣的熔化特性，常用半球法--试样变形法，该方法是一种半经验的方法，即用试样变形过程的形态来表示其融化特性。因为多元渣系的熔化过程是在一温度范围内进行的，则随着温度的升高，液相量增加，试样形状要改变，试样变形法就是根据这一原理来测定其熔化温度的。炉渣由各种氧化物熔体组成，它没有固定的熔点，在炼钢温度下，这些氧化物相互作用生成各种复合氧化物，其熔点和原来氧化物的熔点是不一样的，习惯上将某一组成的固体炉渣，从开始熔化到熔化终了时完全变成均匀液体的温度称为炉渣熔点。把圆柱体渣样放在刚玉管头部的