2高溫冶金實(shí)驗(yàn)冶金實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是在高溫下進(jìn)展的，本章將引見高溫冶金實(shí)驗(yàn)技術(shù)和研討方法以及高溫冶金實(shí)驗(yàn)的實(shí)例。2.1高溫實(shí)驗(yàn)爐2.1.1電阻爐電阻爐設(shè)備簡單、易于制造、溫度和氣氛容易控制，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用最多。電阻爐是將電能轉(zhuǎn)換成熱能的安裝。當(dāng)電流I經(jīng)過具有電阻R的導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過t時(shí)間便可產(chǎn)生熱量Q：Q＝0.24I2Rt當(dāng)電熱體產(chǎn)生的熱量與爐體散熱到達(dá)平衡時(shí)，爐內(nèi)即可到達(dá)恒溫。2.1.1.1電阻爐構(gòu)造根據(jù)用途不同，實(shí)驗(yàn)室用的電阻爐，有豎式或臥式管狀爐、箱式爐等，其根本構(gòu)造大致一樣。圖2-1為豎式電阻爐的構(gòu)造，主要由以下6部分組成：

(1)電熱體(2)電源引線(3)爐管(4)爐殼(5)爐襯。(6)支架

圖2-1.豎式電阻爐電熱體分為金屬和非金屬兩類，以下分別引見。(1)金屬電熱體金屬電熱體通常制成絲狀，纏繞在爐管上作為加熱元件，常用的電熱絲有：①鉻鎳合金絲－可在1000℃以下的空氣環(huán)境條件下長期運(yùn)用。②鐵鉻鋁合金絲－運(yùn)用溫度在1200℃以下，可以在氧化氣氛下〔空氣〕運(yùn)用。③鉑絲和鉑銠絲－鉑絲運(yùn)用溫度在1400℃以下，鉑銠那么可用到1600℃。能在氧化氣氛〔空氣〕中運(yùn)用。④鉬絲－Mo的熔點(diǎn)高，長期運(yùn)用溫度可達(dá)1700℃，但Mo在高溫氧化氣氛中可生成氧化鉬升華，因此僅能在高純氫、氨分解氣或真中運(yùn)用。2.1.1.2電熱體(2)非金屬電熱體非金屬電熱體通常做成棒狀或管狀，作為較高溫度的加熱元件，常用的非金屬電熱體有如下三種：①硅碳電熱體－SiC電熱元件在氧化氣氛下能在1400℃以下長期任務(wù)，圖2-2是不同外形的SiC電熱元件，棒狀SiC常用于箱式電阻爐〔也稱為馬弗爐〕，管狀SiC用于管式電阻爐。

圖2-2.硅碳電熱元件及規(guī)格符號a-硅碳棒;b-單螺旋硅碳管;c-雙螺旋硅碳管d-硅碳管②硅鉬電熱體

MoSi2電熱元件普通做成I或U型，如圖2-3所示。這種電熱體可在氧化氣氛中1700℃以下運(yùn)用。圖2-3.二硅化鉬加熱元件a-I型;b-U型③石墨電熱體石墨通常加工成管狀，用于碳管爐〔也稱為湯曼爐〕電熱元件，也可做成板狀或其它外形。石墨電熱體在真空或惰性氣氛中運(yùn)用溫度可達(dá)2200℃，普通在1800℃以下運(yùn)用。石墨耐急冷急熱，配用低電壓大電流電源，能快速升溫。但石墨在高溫下容易氧化，需在維護(hù)氣氛〔Ar、N2〕中運(yùn)用。2.1.2感應(yīng)爐無芯感應(yīng)爐是利用電磁感應(yīng)在被加熱的金屬內(nèi)部構(gòu)成感應(yīng)電流來加熱和熔化金屬的，感應(yīng)爐的根本電路如圖2-4所示。感應(yīng)線圈是用銅管繞成的螺旋形線圈，銅管通水進(jìn)展冷卻。交變電流經(jīng)過感應(yīng)線圈時(shí)使坩堝中的金屬料因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生電流。感應(yīng)電流經(jīng)過坩堝內(nèi)的金屬料時(shí)，產(chǎn)生熱量，可將金屬熔化。圖2-4.感應(yīng)爐的根本電路在電磁力的作用下，坩堝內(nèi)已熔化的鋼液將產(chǎn)生運(yùn)動〔電磁攪拌〕。鋼液的運(yùn)動可帶來一些有益和有害的作用。有益作用有：①均勻鋼液溫度；②均勻鋼液成份；③改善反響動力學(xué)條件。有害作用有：①沖刷爐襯，加劇爐襯侵蝕；②添加空氣中氧對鋼液的氧化；③將爐渣推向坩堝壁，使壁厚增加，降低了電效率。使鋼液產(chǎn)生電磁攪拌的電磁力大小可由下式計(jì)算：

F＝K·P/式中：P－爐料吸收的功率，Wf－電流頻率，HzK－常數(shù)

電磁攪拌的強(qiáng)弱與電流頻率的平方根成反比。根據(jù)電流頻率，感應(yīng)爐可分為以下三種：〔1〕工頻感應(yīng)爐工頻感應(yīng)爐是以工業(yè)頻率的電流〔50或60赫茲〕作為電源的感應(yīng)電爐。國內(nèi)工頻感應(yīng)爐的容量為0.5－20噸。它是一種用途比較廣泛的冶煉設(shè)備?！?〕中頻感應(yīng)爐所用電源在150－10000赫茲范圍內(nèi)的感應(yīng)爐稱為中頻感應(yīng)爐。中頻爐的容量可以從幾公斤到幾噸。中頻爐的電源設(shè)備有中頻發(fā)電機(jī)和可控硅變頻器。中頻爐的運(yùn)用非常廣泛，大部分冶金實(shí)驗(yàn)室都配備有5－150公斤的中頻爐。(3)高頻感應(yīng)爐高頻感應(yīng)爐運(yùn)用的電源頻率在10－300千赫茲，所用電源為高頻電子管振蕩器、可控硅變頻器或高頻發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生高壓高頻率交流電供高頻爐運(yùn)用。高頻爐受電源功率限制，主要用于實(shí)驗(yàn)室。作為科研實(shí)驗(yàn)用的高頻爐容量通常僅有幾百克。高頻感應(yīng)爐的電源設(shè)備復(fù)雜，任務(wù)電壓高，平安性差，這種爐子逐漸被中頻感應(yīng)爐所替代?！?〕真空感應(yīng)爐真空感應(yīng)爐是用來進(jìn)展真空冶煉的設(shè)備。真空爐的電源設(shè)備與中頻感應(yīng)爐根本一樣。真空爐的感應(yīng)圈和坩堝部分被放在可以密封的爐殼內(nèi)〔如圖2-5所示〕，由真空泵抽氣后，真空度可到達(dá)1.34-0.134Pa范圍內(nèi)。國產(chǎn)真空感應(yīng)爐容量為10－1500公斤。真空爐的設(shè)備和操作都比較復(fù)雜，可以在真空下加料、取樣和鑄錠，普通僅在進(jìn)展特殊要求的鋼種實(shí)驗(yàn)時(shí)才運(yùn)用。圖2-5.容量10㎏的實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐1-爐殼；2-坩堝；3-多孔塞；4-水冷管5-金屬取樣和溫度丈量安裝；6-察看孔；7-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；8、9-氣體凈化器；10-氣瓶2.1.3其它高溫爐2.1.3.1等離子電弧爐等離子爐是用電弧放電加熱氣體以構(gòu)成高溫等離子體作為熱源進(jìn)展熔煉或加熱的電爐。等離子電弧爐由等離子槍、爐體及直流電源三部分組成，如圖2-6所示。圖2-6.等離子電弧爐1-等離子發(fā)生器;2-爐頂密封部分;3-底部電極;4-傾出口當(dāng)氣態(tài)原子獲得一定能量時(shí)，其最外層電子脫離原子核的吸引成為自在電子。而原子那么成為正離子。這種景象叫做氣體的電離。自在電子、正離子以及氣體的原子和分子等組成的混合體叫做等離子體。用于產(chǎn)生等離子體的安裝稱為等離子發(fā)生器，也叫等離子槍。當(dāng)氣體〔常用Ar氣〕經(jīng)過等離子槍內(nèi)電弧區(qū)時(shí)，被電離成等離子體，從噴口高速噴出，噴出后等離子體又極快復(fù)合成分子形狀而放出能量。氬弧等離子流的溫度能達(dá)2萬℃以上。等離子體發(fā)生器有兩種(見圖2-7)(a)一種是等離子槍中只需一個(gè)負(fù)電極，而正電極是用被加熱和熔化的金屬充任，這種方式稱為轉(zhuǎn)移弧。(b)另一種是發(fā)生器本身就具有正負(fù)兩極，極間產(chǎn)生電弧，這種電弧又被等離子氣體帶出構(gòu)成等離子體火炬，這種方式稱為非轉(zhuǎn)移弧；轉(zhuǎn)移弧等離子爐可用于金屬熔煉;非轉(zhuǎn)移弧炬亦稱為等離子體氣體加熱器，可用于加熱氣體或加熱金屬和鋼液。圖2-7.兩類等離子弧發(fā)生器a-轉(zhuǎn)移弧;b-非轉(zhuǎn)移弧2.1.3.2電子束爐電子束加熱的原理將是高速電子流轟擊被加熱金屬外表，將它的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而金屬被加熱、熔化并流入水冷銅模內(nèi)。圖2-8是電子束熔煉原理表示圖。熔煉是在10-1－10-3Pa的高真空下的水冷銅坩堝〔結(jié)晶器〕內(nèi)進(jìn)展的，可以有效地防止金屬液被耐火資料污染，因此電子束熔煉為一些金屬資料，特別是難熔金屬提供了一種有效地精煉手段。在實(shí)驗(yàn)室里，電子束加熱已勝利的用來區(qū)域精煉金屬和消費(fèi)單晶。圖2-8.電子束熔煉原理表示圖2.1.3.3懸浮熔煉爐懸浮熔煉爐又稱為無坩堝熔煉爐，其安裝如圖2-9所示。當(dāng)懸浮線圈通入交流電后就會產(chǎn)生一個(gè)磁場，假設(shè)有一個(gè)導(dǎo)體〔金屬試樣〕在這個(gè)高頻磁場中，由于感應(yīng)作用在金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)磁場，其方向與懸浮線圈產(chǎn)生的磁場相反，從而產(chǎn)生一個(gè)斥力使導(dǎo)體懸浮于空間。懸浮熔煉可以防止坩堝資料產(chǎn)生的污染，主要用于實(shí)驗(yàn)室的小型純金屬熔煉研討，也可用于冶金反響平衡研討。圖2-9.懸浮熔煉爐2.1.3.4冷坩堝熔煉爐冷坩堝熔煉是一種采用水冷分瓣銅坩堝對物料進(jìn)展真空感應(yīng)熔煉的方法。典型的冷坩堝熔煉爐構(gòu)造如圖2-10所示。銅坩堝分瓣的目的是為了防止導(dǎo)電的坩堝對電磁場產(chǎn)生屏蔽作用；水冷的目的是為了使坩堝壁溫度堅(jiān)持在冷態(tài)，防止熔池中熔料與坩堝發(fā)生物理和化學(xué)反響。

圖2-10.冷坩堝熔煉爐2.2溫度的丈量在冶金高溫實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確的溫度丈量和控制是必不可少的。丈量溫度的方法分二類接觸式測溫〔如熱電偶〕-溫度傳感元件要緊靠被測物體或直接置于溫度場中；非接觸式測溫〔如光學(xué)高溫計(jì)〕-利用被測物體的熱輻射或輻射光譜分布隨溫度的變化來丈量物體溫度的。2.2.1熱電偶

2.2.1.1熱電偶的任務(wù)原理在一個(gè)由兩種不同金屬導(dǎo)體A和B組成的閉合回路中，當(dāng)此回路的兩個(gè)接點(diǎn)堅(jiān)持在不同溫度t1和t0時(shí)〔見圖2-11〕,只需兩個(gè)接點(diǎn)有溫差，回路中就會產(chǎn)生電流，即回路中存在一個(gè)電動勢，這就是“賽貝克溫差電動勢〞，簡稱“熱電勢〞圖2-11.塞貝克效應(yīng)表示圖由導(dǎo)體A、B可組成一對熱電偶。接點(diǎn)1焊接在一同，任務(wù)時(shí)將它置于被測溫的場所，故稱為任務(wù)端〔熱端〕。接點(diǎn)2要求恒定在一定溫度下，稱為自在端〔冷端〕。常用的規(guī)范熱電偶有：熱電偶稱號極性化學(xué)成分運(yùn)用溫度(℃)長期短期鉑銠10-鉑＋Pt90%，Rh10%13001600PtRh10-Pt－Pt100%鉑銠30-鉑銠6＋Pt70%，Rh30%16001800PtRh30-PtRh6－Pt94%，Rh6%表2-5鉑銠10－鉑熱電偶分度表〔自在端溫度為0℃〕任務(wù)端0123456789溫度〔℃〕毫伏〔絕對伏〕00.0000.0050.0110.0160.0220.0280.0330.0390.0440.050100.0560.0610.0670.0730.0780.0840.0900.0960.1030.107200.1130.1190.1250.1310.0.1430.1490.1550.1610.167300.1730.1790.1850.1910.1980.2040.2100.2160.2220.229規(guī)范的熱電偶分度表是指自在端為0℃時(shí)的熱電勢，實(shí)踐測溫條件下自在端不一定處于0℃，由此會帶來誤差，應(yīng)加以消除或修正。

(1)自在端溫度恒定法圖2-15.冰點(diǎn)瓶1.熱電偶;2-保溫瓶;3-試管;4-變壓器油;5-冰水混合物;6-接儀表導(dǎo)線

(2)自在端溫度修正法例：用鉑銠10－鉑熱電偶測溫時(shí)，自在端溫度t1＝30℃，測得的熱電勢E〔t，30〕＝13.542mV，試求爐溫。

由LB－3分度表查得E〔30，0〕＝0.173mV?？傻茫篍AB〔t，t0〕＝EAB〔t，t30〕＋EAB〔t30，t0〕＝13.542＋0.173＝13.715mV再由LB－3分度表查得13.715mV為0℃。假設(shè)自在端不作修正，那么所測13.542mV對應(yīng)1336℃，與實(shí)踐爐溫0℃相差14℃。鉑銠30－鉑銠6熱電偶〔簡稱雙鉑銠〕的熱電勢較小，0℃到室溫的熱電勢很小，實(shí)踐測溫時(shí)普通不用冷端修正。鉑銠10－鉑熱電偶〔簡稱單鉑銠〕的熱電勢較大，冷端溫度不是0℃時(shí)進(jìn)展測溫會產(chǎn)生較大誤差，實(shí)踐測溫時(shí)應(yīng)作修正。2.2.2輻射溫度計(jì)用來丈量熱輻射體的輻射通量，并按溫度單位分度輸出信號的儀表，通稱為輻射溫度計(jì)。如光學(xué)高溫計(jì)、紅外溫度計(jì)和比色高溫計(jì)等。輻射溫度計(jì)是非接觸式測溫。以下引見光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)是由望遠(yuǎn)鏡與丈量儀表連在一同的整體型測溫儀器。常用的燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)的表示圖參看教材圖2-16。用光學(xué)高溫計(jì)測溫時(shí)，是基于比較被測物體的亮度和光學(xué)高溫計(jì)燈絲的亮度。如圖2-17所示〔a〕當(dāng)燈絲的亮度較被測物體低時(shí)，燈絲發(fā)黑；〔c〕當(dāng)燈絲亮度高于被測物體時(shí)，燈絲發(fā)白；〔b〕當(dāng)燈絲亮度恰好與被測物體一樣時(shí)，燈絲隱滅在被測物體的背景中，此時(shí)可以從高溫計(jì)刻度盤上讀出被測物體的溫度值。圖2-17.光學(xué)高溫計(jì)燈泡燈絲亮度調(diào)整圖2.3高溫實(shí)驗(yàn)用耐火資料2.3.1純氧化物耐火資料(1)Al2O3：為中性氧化物，高溫?zé)傻娜廴诩傾l2O3稱為剛玉，在高溫實(shí)驗(yàn)中被廣泛運(yùn)用。用途：坩堝,爐管,熱電偶維護(hù)管、套管、墊片等(2)MgO：為堿性氧化物，常用來做坩堝，可盛鋼鐵液、金屬熔體和爐渣。抗堿性氧化渣的才干強(qiáng)，適宜盛轉(zhuǎn)爐型熔渣。(3)ZrO2：系弱酸性氧化物?？捎脕碜鲔釄迨⒔饘偃垠w，適宜盛酸性或普通硅酸鹽爐渣?？勺龉腆w電解質(zhì)定氧探頭。(4)SiO2：系酸性氧化物，純SiO2稱為石英。石英做成坩堝時(shí)，可盛鐵水和酸性爐渣。還可用于爐管,液態(tài)金屬取樣管,真空容器等2.3.2爐襯耐火資料和結(jié)合劑在感應(yīng)爐中進(jìn)展冶金實(shí)驗(yàn)時(shí)，需用耐火資料做爐襯。制造感應(yīng)爐爐襯時(shí)，常用耐火搗打料配加結(jié)合劑搗打成坩堝，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)、烘干后運(yùn)用；也可先用散狀耐火資料制成坩堝，經(jīng)枯燥或高溫?zé)Y(jié)后，再放入感應(yīng)圈內(nèi)運(yùn)用。2.3.2.1耐火搗打料耐火搗打料是不定型耐火資料的一種，它是由耐火骨料、粉料和結(jié)合劑組成的。骨料為60-65%，由5-0.5mm的顆粒組成；粉料35-40%,細(xì)度為<0.09mm的大于85%。幾種普通耐火搗打料〔1〕高鋁質(zhì)普通耐火搗打料〔2〕鋁鎂質(zhì)普通耐火搗打料〔3〕鎂質(zhì)水泥耐火澆注料〔4〕鎂鉻質(zhì)普通耐火搗打料2.3.2.2結(jié)合劑〔1〕水玻璃：硅酸納〔nNa2O?mSiO2〕。水玻璃結(jié)合成型后耐火資料的室溫強(qiáng)度高，但對高溫性能不利。〔2〕磷酸鹽：磷酸〔H3PO4〕常用作Al2O3的結(jié)合劑。在不定形耐火資料中，運(yùn)用最多的是三聚磷酸鈉〔Na2P3O10〕和六偏磷酸鈉[(NaPO3)6]，這兩種聚合磷酸鈉為白色粉末，均溶于水，是鎂質(zhì)耐火資料的良好結(jié)合劑?！?〕硫酸鋁：Al2(SO4)3為白色粉末，溶于水，可作高鋁質(zhì)耐火資料的結(jié)合劑?！?〕鹵水：主要成份是MgCl2，主要用作鎂砂的結(jié)合劑。由鹵水結(jié)合的鎂砂成型后，常溫強(qiáng)度低，經(jīng)高溫煅燒后，MgCl2放出氯氣并生成MgO.〔5〕軟質(zhì)粘土：含w(Al2O3)~30％、w(SiO2)~55％，可用作粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)耐火資料的結(jié)合劑。2.3.3石墨和非氧化物耐火資料2.3.3.1石墨(1)常用石墨坩堝盛碳飽和鐵水，以研討其熔體反響或渣-鐵反響情況，(2)石墨坩堝可在感應(yīng)爐中作容器，以熔化非磁性金屬資料或氧化性爐渣；(3)石墨坩堝還常用作外層維護(hù)坩堝，其內(nèi)層放入MgO或Al2O3坩堝，以使氧化物坩堝在升溫速度較快時(shí)能均勻受熱。2.3.3.2金屬坩堝〔1〕純鐵坩堝：含氧化鐵較高的爐渣可以侵蝕任何氧化物坩堝，并使?fàn)t渣成份顯著改動。而純鐵坩堝可以作為高氧化鐵爐渣的容器，普通運(yùn)用溫度在1400℃以下?！?〕鉬坩堝：可在較高溫度下〔如1600℃〕作為氧化性爐渣的容器。但Mo易氧化，需在惰性維護(hù)氣氛下或真空中運(yùn)用。〔3〕鉑坩堝：Pt坩堝可盛氧化性爐渣，常用溫度1400℃，短時(shí)間可用到1600℃，可在氧化性氣氛下運(yùn)用。但價(jià)錢昂貴，故很少運(yùn)用。2.3.3.2金屬陶瓷金屬陶瓷也可做坩堝、熱電偶維護(hù)套管等。2.3.4保溫隔熱資料在高溫實(shí)驗(yàn)爐中，為減少熱損失和保證爐溫穩(wěn)定,常需求在爐殼內(nèi)填充保溫資料。保溫資料要求導(dǎo)熱系數(shù)小、具有一定的耐火度、容重應(yīng)小些〔輕〕。常用的保溫隔熱資料有:硅酸鋁纖維空心氧化鋁球輕質(zhì)高鋁磚輕質(zhì)粘土轉(zhuǎn)2.3.5高溫實(shí)驗(yàn)?zāi)突鹳Y料的選用進(jìn)展高溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，對耐火資料選用普通應(yīng)思索如下幾點(diǎn)：①運(yùn)用溫度；②耐火資料和爐渣的酸堿性。例如，堿性渣要用堿性耐火資料；③熱穩(wěn)定性，激冷激熱性能；④所盛金屬的種類。例如，鐵水可用石墨坩堝，鋼水可用Al2O3或MgO坩堝；⑤運(yùn)用氣氛。例如，石墨坩堝必需在惰性或復(fù)原性氣氛中運(yùn)用；⑥所研討的渣系。例如，進(jìn)展平衡實(shí)驗(yàn)，坩堝資料普通在渣中都要到達(dá)飽和，如研討渣中MgO的飽和溶解度時(shí),那么要選用MgO坩堝。2.4氣氛控制和真空的獲得進(jìn)展冶金實(shí)驗(yàn)研討時(shí)，常用到氣體作為反響劑或載氣,這些氣體或參與反響,或作為惰性維護(hù)氣氛。某些冶金實(shí)驗(yàn)需求在真空條件下進(jìn)展。以下引見氣氛控制技術(shù)和獲得真空的方法。2.4.1氣體的來源實(shí)驗(yàn)室常用的氣體有以下十種：O2、N2、H2、Ar、CO、CO2、H2S、SO2、NH3和Cl2。其中大多數(shù)氣體裝在高壓貯氣瓶中由工廠消費(fèi)出賣，各種氣體所用的鋼瓶外都涂上不同的顏色，以便識別。各種氣瓶的顏色由表2-10所示。氣體種類O2N2H2CO2ArCl2NH3氣瓶顏色天藍(lán)黑深綠黑灰草綠黃表2-10各種氣體的顏色在沒有瓶裝氣體時(shí)，就需求自行制備。以下引見一種鐵礦石復(fù)原實(shí)驗(yàn)用CO氣體的制造方法。將瓶裝CO2通入管式電阻爐，爐內(nèi)裝有木炭，并加熱到1150-1200℃，產(chǎn)生如下反響：CO2＋C＝２CO然后將CO進(jìn)展凈化，脫除殘留的CO2和水，制的純真的CO氣體。2.4.2氣體的凈化大部分由工廠購入的氣體含有雜質(zhì)，在運(yùn)用時(shí)需求進(jìn)展凈化處置。氣體凈化的方法有以下幾類：(1)吸收凈化；(2)吸附凈化；(3)冷凝凈化(4)過濾凈化法；(5)催化凈化。實(shí)驗(yàn)室中往往用幾種方法結(jié)合起來凈化氣體。常用氣體的凈化方法有：〔１〕N2、Ar的凈化高壓瓶裝氮?dú)夂蜌鍤饽軌蚝蠴2、CO2、H2O等雜質(zhì)。其凈化方法是，①先用裝在管式電阻爐內(nèi)的銅屑在600℃脫氧，反響如下：4Cu+O2=2Cu2O②再經(jīng)過裝在玻璃瓶內(nèi)的KOH或堿石棉除CO2，CO2+2KOH=K2CO3+H2O③最后再枯燥脫水,脫水時(shí)可按照CaCl2→硅膠→P2O5的次序進(jìn)展脫水。

如需脫除氬氣中的雜質(zhì)氮，可用600℃鎂屑脫氮，反響式為：N2+3Mg=Mg3N2〔２〕CO的凈化用鋼瓶裝的高壓CO2經(jīng)過加熱到1150-1200℃的木炭而制得的CO中，其主要雜質(zhì)是CO2和N2。其中CO2雜質(zhì)可以用50%KOH溶液或堿石棉除去，然后再按照CaCl2→硅膠→P2O5的次序進(jìn)展脫水。因鐵礦石復(fù)原實(shí)驗(yàn)常用CO＋N2的混合氣體，所以N2雜質(zhì)不用去除。〔３〕H2的凈化鋼瓶裝氫氣的主要雜質(zhì)是O2、N2和水。普通將H2經(jīng)過加熱到400℃的鉑〔或鈀〕石棉或經(jīng)過活化后的105催化劑〔一種含鈀為0.03%的分子篩，呈顆粒狀，它能使氫和氧在室溫下迅速化合為水〕，在催化作用下產(chǎn)生如下反響脫除O2：2H2+O2=2H2O然后再經(jīng)過硅膠，P2O5枯燥脫水，即可滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的要求。2.4.3氣體流量的測定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用的氣體流量計(jì)有轉(zhuǎn)子流量計(jì)和毛細(xì)管流量計(jì)兩種。(1)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)由一根垂直帶有刻度的玻璃管和放入管中的一個(gè)轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。運(yùn)用時(shí)，氣體從管的下口進(jìn)入管中，使轉(zhuǎn)子向上挪動。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置高低即可由刻度上讀出相應(yīng)的流量。(2)毛細(xì)管流量計(jì)毛細(xì)管流量計(jì)如圖2-19所示。

Vs-流量；h-液面差K`(系數(shù)〕/μ〔氣體粘度〕-由實(shí)驗(yàn)確定圖2-19毛細(xì)管流量計(jì)2.4.5真空的獲得和真空泵〔１〕真空度用氣體壓強(qiáng)表示,單位用Pa表示１托〔Torr)=1mmHg=1/760atm=133.3Pa低真空度：１０3～１０-1Pa高真空度：１０-1～１０-6Pa超高真空度；<１０-6Pa〔２〕獲得真空的方法①用真空泵抽氣：主要方法．②吸附：輔助方法，參與吸附劑，將氣體吸附．③冷凝：輔助方法，用液氮將氣體冷凝．

〔３〕常用真空泵①機(jī)械真空泵：有旋片式真空泵、往復(fù)式真空泵、滑針式真空泵等。普通能到達(dá)小于１Pa的低真空度。②油分散泵：由加熱部分、冷卻部分和放射部分組成。任務(wù)時(shí)經(jīng)電爐加熱使泵體內(nèi)的分散油揮發(fā)成蒸汽，油蒸汽沿導(dǎo)管上升由噴嘴噴出。普通可達(dá)小于１０－４Pa的高真空度。③水蒸氣放射泵：由高速水蒸氣噴入抽氣機(jī)呵斥低壓空間，被抽氣體不斷流入這一低壓空間，被水蒸氣帶出而獲得真空．普通可達(dá)小于１Pa的低真空度。水蒸氣放射泵抽氣量大，冶金工業(yè)中常用，如VD、RH真空爐。

2.5冶金熱力學(xué)研討方法2.5.1冶金反響平衡及組元活度的測定鋼鐵冶金過程普通存在以下幾種反響(1)氣相—液相：例如氣相中氧與鋼液中元素的反響，氣體〔H2，N2等〕在鋼液中的溶解等。(2)氣相－固相：例如各種氧化物的分解，一氧化碳對鐵礦石的復(fù)原等。(3)液相－液相：例如爐渣對鋼液或鐵水的脫磷脫硫，熔渣中氧化鐵對鋼液中元素的氧化等。(4)液相－固相：例如合金元素在鋼液中的溶解，爐渣對耐火資料的侵蝕等。冶金化學(xué)反響普通可用以下方程式表示平衡常數(shù)K可表示為反響的自在能變化為=+反響的規(guī)范自在能與平衡常數(shù)的關(guān)系為=－化學(xué)反響平衡研討的中心問題就是求反響的平衡常數(shù)或平衡時(shí)反響物質(zhì)的活度〔如為氣相那么為分壓〕，從而計(jì)算其它有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)。本節(jié)簡介幾種冶金反響平衡和有關(guān)組元活度的測定方法。2.5.1.1建立化學(xué)位和確定平衡時(shí)間(1)建立所需求的化學(xué)位研討有氣相參與反響的化學(xué)平衡時(shí)，需求建立所需求的化學(xué)位〔如氧位等〕，它可由適當(dāng)?shù)臍怏w混合物來控制。例如，用H2復(fù)原金屬氧化物的反響〔2-1〕

氣相中水蒸氣和氫氣的分壓比控制反響的方向，也就是控制著以下反響的方向。

〔2-2〕假設(shè)大于平衡值，金屬被氧化；反之，金屬氧化物被復(fù)原。H2-H2O氣體混合物所以能控制反響的方向是由于氣相中H2、H2O之間存在著以下平衡+=〔2-3〕

平衡常數(shù)為：=

所以=〔2-4〕因此，用H2-H2O混合氣體可建立一定的氧位。同樣，用CO和CO2混合氣體也可建立一定的氧位=

=類似氧位的建立，還可以用H2-H2S混合氣體控制氣相硫位，用H2-NH3混合氣體控制氣相的氮位，用H2-CH4混合氣體控制氣相的碳位等等。(2)平衡時(shí)間確實(shí)定在進(jìn)展冶金反響平衡研討時(shí)，首先要做預(yù)備實(shí)驗(yàn)確定平衡時(shí)間，以保證體系真正到達(dá)平衡。確定的方法，對大坩堝普通是相隔一定時(shí)間〔從幾非常鐘到幾小時(shí)〕進(jìn)展取樣分析〔或用定氧探頭測定金屬液中a[0]〕，至組成〔或a[0]〕不變表示已達(dá)平衡；對小坩堝可依次加熱至不同時(shí)間，樣品全部淬火分析組成。在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了確保平衡真正到達(dá)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間應(yīng)比確定的時(shí)間長。2.5.1.2冶金反響平衡的測定(1)氣相一固相反響平衡的測定下面以ＣＯ復(fù)原FeO的反響為例闡明氣一固反響平衡的測定方法。固體FeO被ＣＯ復(fù)原時(shí)，由于純物質(zhì)的活度為１，所以平衡常數(shù)只取決于氣相成分，反響式如下：ＦeO〔s〕+ＣＯ〔g〕=Ｆe〔s〕+ＣＯ2〔g〕規(guī)范自在能變化ΔGＯ=－RTInK,平衡常數(shù)K=PＣＯ2/PＣＯ為研討以上反響的平衡，可以使一定組成的ＣＯ-ＣＯ2混合氣體(PＣＯ2/PＣＯ值一定)延續(xù)送入爐管內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)過程中用熱天平稱量FeO和Fe混合物質(zhì)量的變化。在恒溫下用不同組成的PＣＯ2/PＣＯ氣體進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，找出固相質(zhì)量不改動時(shí)的氣相組成，此時(shí)的氣相組成即為此溫度下的平衡氣相的組成。(2)氣相一液相反響平衡的測定以氫為例，它在鐵液中的溶解反響為：H2(g)=2[H]照實(shí)驗(yàn)運(yùn)用純鐵，又由于氫在鐵液中溶解度很小，可忽略元素之間的相互作用，所以aH=[%H]，那么反響的溶解平衡常數(shù)為：K=[%H]2/PH2或[%H]=K＇測定H2在鐵液中的溶解度時(shí)，可將高純鐵在感應(yīng)爐中一個(gè)事先抽成真空的密封系統(tǒng)的坩堝內(nèi)熔化，然后將一定量的H2氣通入，鐵液從氣相中吸收H2，直到飽和為止，這可由氣相的壓力穩(wěn)定不變來判別。(3)液相一液相反響平衡的測定以下舉例闡明液一液反響平衡的測定方法。用分配定律方法測定爐渣中ＦeO的活度時(shí)，可利用如下反響：平衡常數(shù)(2-5)習(xí)慣上用分配常數(shù)首先將純ＦeO液體與鐵液在一定溫度下作平衡實(shí)驗(yàn)。由于ＦeO為純物質(zhì)，所以L=1/。在純鐵液中,可以假定fO＝１,即=[%O]，所以L＝１／[%O]。然后在反響達(dá)平衡時(shí)取樣分析其氧含量〔此時(shí)為鐵液中的飽和氧含量〕，可求得L＝１／[%O]飽和的值。對任一含ＦeO的爐渣體系與鐵液進(jìn)展平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)以上結(jié)果：=[%O]?L=[%O]/[%O]飽和知[%O]飽和值，測定該系統(tǒng)平衡時(shí)鐵液中的氧含量，即可求得。(4)液相一固相反響平衡的測定下面以稀土元素鈰的脫Ｓ反響平衡為例。鈰脫Ｓ的反響產(chǎn)物為固體，反響式如下：CeS〔s〕=[Ce]+[S]〔2-6〕平衡常數(shù)表觀平衡常數(shù)所以K=K’

由于的值很小，可忽略不計(jì)，上式變?yōu)椋骸?-7〕由換算式.可得：

略去后項(xiàng)可得代入〔2-7〕式得到：即將與作圖，如圖2-23所示。圖2-23用圖解法求鈰的脫硫常數(shù)其中[%Ce]和[%S]由平衡時(shí)取樣分析得到。將圖2-23中外推到零時(shí)，根據(jù)式〔2-7〕得：

即

由此可求得Ｋ值。將不同溫度下實(shí)驗(yàn)得到的Ｋ值對溫度作圖，可得到Ｋ與溫度的關(guān)系，進(jìn)而可求得式〔2-6〕反響的2.5.1.3鐵液中溶質(zhì)活度和元素間相互作用系數(shù)的測定進(jìn)展冶金反響的自在能計(jì)算，必需知道鐵液中溶質(zhì)的活度。下面以鐵液中Ｓ的活度測定為例，闡明元素間相互作用系數(shù)的測定方法。以H2—H2S混合氣體與含硫Fe液在一定溫度下做平衡實(shí)驗(yàn)，反響為H2〔g〕+[S]=H2S〔g〕〔2-8〕反響的表觀平衡常數(shù)為

反響的真實(shí)平衡常數(shù)為〔2-9〕

將平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的k`與w[%S]作圖，如圖2-24所示。由于，當(dāng)圖中w時(shí)，可得,K=2.64×10-3。圖2-24w[%S]與K’的關(guān)系求得Ｋ值后可根據(jù)式〔2-9〕的關(guān)系求得不同時(shí)的aS值，然后按的關(guān)系求出不同w[%S]時(shí)的。將對[%S]作圖，如圖2-25中S曲線所示。由于=，當(dāng)[%S]→0時(shí)，圖中曲線的切線斜率即為。圖2-25log與w[%j]的關(guān)系對于Fe-S-j三元熔體，當(dāng)參與第三種元素j后，將影響和值變化，而值不變。根據(jù)式〔2-9〕,知和w[%S]值時(shí)，參與j元素后，可求得。由于=，所以log=log+log〔2-10〕上式中l(wèi)og=，以上已求得，當(dāng)w[%S]由分析得知時(shí)，對于Fe-S-j三元系實(shí)驗(yàn)，可求得log。已求得和之后，可由式〔2-10〕算得。將log與第三元素w[%j]作圖，如圖2-25所示。求出圖中曲線的切線斜率即可得到。

2.5.1.4爐渣-鐵液間元素平衡分配的測定直接測定元素在渣-鐵間的平衡分配比,將更為方便和直觀。其結(jié)果可直接闡明冶金反響的平衡形狀及其影響要素，因此具有較大的適用價(jià)值。以下分別舉例闡明平衡分配的測定方法及其在冶金工藝過程中的運(yùn)用。(1)鈮在渣-鐵間平衡分配的測定研討鈮在渣-鐵間分配平衡時(shí)，可采用實(shí)踐鐵水和鈮渣，使實(shí)驗(yàn)條件盡量接近實(shí)踐情況，以便平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接與工藝過程相對比，找出渣-鐵反響實(shí)踐形狀與平衡形狀的差距，以利于對反響進(jìn)展控制和改良冶煉操作條件。例如，鐵水提鈮條件下的硅鈮選擇性氧化[Si]+O2=(SiO2)2[Nb]+5/2O2=〔Nb2O5〕〔Nb2O5〕+5/2[Si]=2[Nb]+5/2〔SiO2〕將硅鈮選擇性氧化條件下的渣-鐵平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)踐工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，如圖2-28所示。該圖闡明，當(dāng)w[Si]≥0.15%時(shí)，延續(xù)底吹爐實(shí)驗(yàn)的渣-鐵間(Nb2O5)/[Nb]接近平衡形狀，即此時(shí)鈮的分配比很小，闡明用延續(xù)底吹爐進(jìn)展含鈮鐵水預(yù)脫硅，可得到很好的硅鈮選擇性氧化分別效果。圖2-28(Nb2O5)/[Nb]與w[Si]%的關(guān)系●-延續(xù)底吹實(shí)驗(yàn),1330-0℃○-渣鐵平衡實(shí)驗(yàn),0℃(2)錳在渣一鐵間的平衡分配在頂?shù)讖?fù)吹少渣精煉或用錳礦直接合金化時(shí)，可參與錳的氧化物使其復(fù)原進(jìn)入鋼中，以節(jié)省用以鋼的合金化的錳鐵用量。如要得到盡能夠高的錳收得率，需求了解MnO被復(fù)原進(jìn)入鋼中的熱力學(xué)條件和錳在渣一鋼間的平衡分配比。進(jìn)展平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用爐渣一鋼液直接平衡法〔與以上鈮的實(shí)驗(yàn)方法一樣〕，以測定錳在渣一鋼間的平衡分配情況。圖2-29和2-30是實(shí)驗(yàn)得到的渣中CaO/SiO2和w(FeO)%與錳的平衡分配比的關(guān)系。圖2-29(MnO)/[Mn]與CaO/SiO2圖2-30(MnO)/[Mn]與渣中w(∑FeO)%的關(guān)系(1600℃)的關(guān)系(1600℃)○-w[Si]=0.08-0.11%;●-w[Si]=0.17-0.25%由圖可知，提高渣中CaO/SiO2和減少渣中FeO含量，可顯著降低錳的平衡分配比。因此，在實(shí)踐工藝中可控制較高的渣堿度和較低的FeO含量，以獲得較高的錳收得率。當(dāng)然，還要發(fā)明較好的動力學(xué)條件，使渣一鋼反響盡快接近平衡。

2.5.2固體電解質(zhì)電池的原理和運(yùn)用在煉鋼過程中，鋼液中的C、Si、Mn、P等元素的氧化和脫S反響都與鋼中氧有關(guān)；在煉鋼的脫氧和合金化階段，各種脫氧劑的脫氧情況、合金元素的收得率和鋼的質(zhì)量等問題都涉及到鋼中氧含量；在冶金反響平衡的研討中，也經(jīng)常需求知道鋼中氧的活度和氣相中的氧分壓。利用固體電解質(zhì)電池定氧，是測定鋼中氧活度的一種有效方法。以下簡介固體電解質(zhì)電池定氧的原理和方法以及在冶金過程和實(shí)驗(yàn)研討中的運(yùn)用。2.5.2.1氧化物固體電解質(zhì)電池的任務(wù)原理導(dǎo)電體通?？煞譃閮纱箢悾旱谝活愂墙饘賹?dǎo)體，它們依托自在電子導(dǎo)電；另一類是電解質(zhì)導(dǎo)體，它們導(dǎo)電是依托離子的運(yùn)動。

電解質(zhì)導(dǎo)體：溶液或熔融形狀的電解質(zhì)，例如：鹽水、熔鹽固體電解質(zhì)，在某些固體中有些特定的離子具有較大的遷移速度，在較高溫度的條件下，具有較高的電導(dǎo)率。

有關(guān)研討闡明，在高溫下，具有低電阻的ZrO2或ThO2基的資料適宜做固體電解質(zhì)。由于在ZrO2中摻雜了CaO或MgO等氧化物，其陽離子與鋯離子的化合價(jià)不同，因此構(gòu)成置換式固溶體，為了堅(jiān)持晶體的電中性，晶體中將產(chǎn)生氧離子空位，如圖2-35所示。氧離子空位的濃度由摻雜離子的濃度決議，即每參與1mol上述氧化物可呵斥1mol的氧離子空位數(shù)。由于摻雜后的ZrO2晶體存在大量的氧離子空位，在較高溫度下，氧離子就有能夠經(jīng)過空位比較容易地挪動。假設(shè)處在電場的作用下，氧離子將定向挪動而成電流。因此，摻雜的氧化鋯就成了氧離子的固體電解質(zhì)。當(dāng)把固體電解質(zhì)〔如ZrO2-CaO〕置于不同的氧分壓之間，并銜接金屬電極時(shí)〔如圖2-36所示〕，電解質(zhì)與金屬電極的交界處將產(chǎn)生電極反響，并分別建立起不同的平衡電極電位。顯然，由它們構(gòu)成的電池，其電動勢E的大小與電解質(zhì)兩側(cè)的氧分壓直接有關(guān)。因此，ZrO2固體電解質(zhì)電池可用來測定氣相中的氧分壓或液態(tài)金屬中的氧活度。圖2-35參與CaO后，ZrO2的晶格中產(chǎn)生氧離子空位表示圖圖2-36固體電解質(zhì)氧電池工作原理表示圖對于下述的可逆過程，在高氧分壓端的電極反響為：(2-15)氣相中的氧分子奪取電極上的四個(gè)電子成氧離子并進(jìn)入晶體。該電極失去四個(gè)電子，因此帶正電，是正極。在低氧分壓端，發(fā)生下述電極反響：(2-16)晶格中的氧離子丟下四個(gè)電子變成氧分子并進(jìn)入氣相。此處電極得到四個(gè)電子，因此帶負(fù)電，是負(fù)極。以上兩式之和即為電池的總反響=(2-17)相當(dāng)于氧從高氧分壓端向低氧分壓端遷移，反響的自在能變化為：即(2-18)由熱力學(xué)得知，恒溫恒壓下體系自在能的減少等于體系對外界所做的最大有用功。即(2-19)這里，體系對外所做的有用功為電功。當(dāng)有1mol氧經(jīng)過電解質(zhì)時(shí)，所攜帶的電量為4F〔F為法位弟常數(shù)〕，因此所做的電功為：(2-20)合并(2-18)、(2-19)式得(2-21)由(2-18)和(2-21)式得(2-22)〔2-22〕式即為電動勢與固體電解質(zhì)兩側(cè)界面上氧分壓的關(guān)系，稱為Nernst公式。式中T為絕對溫度；R為理想氣體常數(shù)〔1.987cal·mol-1·K-1或8.314J·mol-1·K-1〕；F為法位弟常數(shù)〔23060卡·伏-1·克當(dāng)量-1或96500庫侖·克當(dāng)量-1〕。由〔2-22〕式可以看出，對一個(gè)氧濃差電池，假設(shè)測定了E和T之后，就可以根據(jù)PⅠo2和PⅡo2中的知者求得未知者。其中氧分壓知的一側(cè)稱為參比電極。在固體電解質(zhì)電池中除了上述離子導(dǎo)電之外，各種氧化物電解質(zhì)在高溫下還具有一定的電子導(dǎo)電性。當(dāng)存在一定的電子導(dǎo)電時(shí)，將會使原電池電動勢下降，如用〔2-22〕式進(jìn)展計(jì)算，就會產(chǎn)生較大的誤差。因此，必需對電動勢與電解質(zhì)兩側(cè)氧分壓的關(guān)系進(jìn)展修正。對ZrO2基固體電解質(zhì)，在通常的運(yùn)用條件下，可運(yùn)用如下電子導(dǎo)電修正公式進(jìn)展計(jì)算：

(2-23)

上式中，Pe`為特征氧分壓，其數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)進(jìn)展測定。例如，我國某單位消費(fèi)的ZrO2-w(CaO)4%固體電解質(zhì)的測定結(jié)果為：(2-24)

ZrO2-MgO固體電解質(zhì)的測定結(jié)果是：

(2-25)

2.5.2.2固體電解質(zhì)定氧探頭的構(gòu)造和運(yùn)用用固體電解質(zhì)ZrO2組裝的鋼液定氧探頭有三種類型：塞式、管式和針式，如圖2-37所示。常用的管式探頭用ZrO2-MgO固體電解質(zhì)管組裝，耐熱震性好，被廣泛采用。用于工業(yè)上鋼液定氧的探頭中同時(shí)裝有PtRh30-PtRh6微型快速測溫?zé)犭娕?，可同時(shí)測出氧電勢和熱電勢。這種探頭是一次性探頭，由插件銜接，以便改換。在探頭頂部裝有防渣鐵皮帽，以防經(jīng)過渣層時(shí)與爐渣接觸。圖2-37定氧測頭表示圖

a-塞式；b-管式；c-針式1-參比電極〔Mo絲〕；2-參比資料〔Cr/Cr2O3Mo/MoO2〕3-固體電解質(zhì)(ZrO2-CaO)；4-填充資料(Al2O3)5-回路電極〔Mo絲或其他金屬〕；6-石英管鋼液定氧探頭通常運(yùn)用Mo/MoO2或Cr/Cr2O3作為參比電極，參比電極引線可用Mo絲，與鋼液接觸的回路電極也采用Mo棒。當(dāng)運(yùn)用ZrO2-MgO固體電解質(zhì)時(shí)，電池表達(dá)式是：〔-〕Mo|[O]Fe||ZrO2-MgO||Mo，MoO2|Mo〔+〕(2-26)〔+〕Mo|[O]Fe||ZrO2-MgO||Cr，Cr2O3|Mo〔-〕(2-27)對于電池(2-26)，MoO2的分解壓大于鋼液的平衡氧分壓，以上(2-23)式可寫為：(2-28)(2-28)式中為Mo-MoO2的平衡氧分壓，由下式J·mol-1可得(2-29)

如已測得氧電勢E〔V〕和溫度T，可利用知的PMo和Pe`由(2-28)式計(jì)算出鋼液中氧的平衡分壓。由于J·mol-1那么(2-30)將p[o]代入(2-30)式，即可算出鋼液中氧活度a[o]。如運(yùn)用Cr／Cr2O3參比極資料時(shí)，當(dāng)Cr／Cr2O3分解壓小于鋼液的平衡氧分壓時(shí)，對于電池(2-27)式，以上(2-28)式可寫為:(2-31)

(2-31)式中J·mol-1可得：(2-32)

當(dāng)知E,T,和時(shí)，同樣可算出，再由(2-30)式計(jì)算。在定氧探頭運(yùn)用時(shí)，可用毫伏儀記錄測出的電動勢曲線，即氧電勢，如圖2-38所示。圖2-38定氧探頭電動勢記錄曲線2.5.2.3固體電解質(zhì)定氧電池在煉鋼上的運(yùn)用固體電解質(zhì)定氧探頭在控制煉鋼操作,提高鋼的質(zhì)量方面顯示了較大的作用，普通在控制煉鋼操作上獲得了以下幾個(gè)方面的效果。(1)氧氣轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的控制鋼液含碳量與含氧量有一定的關(guān)系，但根據(jù)煉鋼方法的不同，碳氧活度積并不處于平衡。因此可利用定氧探頭直接測定鋼液中，并根據(jù)同時(shí)取樣分析的[C]含量，繪制出碳—氧關(guān)系曲線，以進(jìn)展終點(diǎn)碳控制。圖2-39是某鋼廠150tLD轉(zhuǎn)爐中用定氧探頭測得的氧活度與[C]％的關(guān)系．圖2-39用定氧探頭測得150t頂吹轉(zhuǎn)爐鋼水氧含量的變化●一次拉碳；○-補(bǔ)吹后(2)連鑄半鎮(zhèn)靜鋼及沸騰鋼替代鋼種的脫氧控制用連鑄消費(fèi)低碳低硅軟線或焊條鋼時(shí)，鋼水含氧量必需控制在較窄的范圍內(nèi)，通常用適宜的加鋁量來調(diào)理。如參與鋁太少，那么鋼水含氧量太高，會在方坯坯殼下產(chǎn)生皮下氣泡；如鋼液含Al量較高，雖然鋼水含氧量較低，但容易產(chǎn)生澆鑄水口結(jié)瘤。最正確的含氧量應(yīng)使方坯不產(chǎn)生皮下氣泡，澆鑄時(shí)又不發(fā)生水口結(jié)瘤。通常在精煉爐中直接定氧，然后喂Al線進(jìn)展調(diào)理。(3)鎮(zhèn)靜鋼含Al量的控制鎮(zhèn)靜鋼普通要用Al脫氧，尤其是深沖鋼要求鋼中Al含量為0.02％以上。由于冶煉中影響Al收得率的要素很多而復(fù)雜、很難從加Al量確定鋼液中余[A1]量。經(jīng)過大量研討已證明，連鑄鋼水含Al量(即酸溶Al)與定氧探頭測定的毫伏值E有不斷線關(guān)系:〔Cr／Cr2O3參比極〕在不同條件下，上式中a、b確定后(與溫度無關(guān))，即可用于調(diào)整鋼中含Al量以到達(dá)要求的規(guī)格成分。(4)易切削鋼硫化物夾雜形狀的控制易切削鋼的切削性與硫化物夾雜的形狀有關(guān)。當(dāng)鋼液脫氧細(xì)微時(shí)，鋼中硫化物夾雜可構(gòu)成較大的球狀到扁豆?fàn)铑w粒(MnS并溶解少量FeS和MnO)，可使鋼具有很好的切削性能。因此，可經(jīng)過直接定氧控制最正確含氧量，既能使鋼中生成球狀硫化物顆粒，又可防止鋼液凝固時(shí)產(chǎn)生氣泡使外表質(zhì)量降低。2.5.2.4固體電解質(zhì)電池在冶金熱力學(xué)研討中的運(yùn)用固體電解質(zhì)電池在冶金物理化學(xué)研討中的運(yùn)用非常廣泛，它可用于冶金反響熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)、相平衡等方面的研討。以下僅引見運(yùn)用固體電解質(zhì)定氧方法進(jìn)展鋼鐵冶金熱力學(xué)研討的兩個(gè)實(shí)例。(1)測定Ｆe－Nb熔體中Nb的活度對含Nb鐵水進(jìn)展熱力學(xué)分析時(shí)，須知鐵液中Nb的活度及其他元素對Nb的活度相互作用系數(shù)。用固體電解質(zhì)定氧方法測定時(shí)，可利用以下反響：2(2-33)其平衡常數(shù)為K=當(dāng)渣中NbO2為固體純氧化物時(shí)，aNbO2=1，上式取對數(shù)得：loglog(2-34)由于loge[%Nb],當(dāng)[%Nb]→0時(shí)，所以[％Ｎb]→0,loglog·[%Nb]在一定溫度下做平衡實(shí)驗(yàn)，用定氧探頭測出反響達(dá)平衡后的鋼液中a[Ｏ]并取樣分析[Nb]含量。將不同爐次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果按log·[%Nb]與[%Nb]的關(guān)系作圖〔圖2-44〕，將圖中曲線外推到[%Nb]→０時(shí)，即可得到log的值。圖2-44log[%Nb]與[%Nb]的關(guān)系〔1823K〕在不同溫度下實(shí)驗(yàn)可得到如下log值：1823Ｋlog=－4.572;1853Ｋlog=－4.400;1873Ｋlog=－4.285由回歸分析得出：logK=19608/T－6.18由于△G=－RTlnK，所以可得到[Nb]+2[O]=NbO2(S)△Go=－375350+118.28TJ·mol-1利用上式的△G，可算出一定溫度下的平衡常數(shù)Ｋ值。再根據(jù)〔2-34〕式，知Ｋ、a[O]和[%Nb]，可算出。對于Fe－Nb－O系統(tǒng)，,即loge[%Nb]+e[%O]由于[%O]很小，故e[%O]值可忽略不計(jì)。所以=將不同爐次的實(shí)驗(yàn)得到的log對[%Nb]作圖〔圖2-45〕，求出圖中曲線經(jīng)過原點(diǎn)所作切線的斜率即為e值。不同溫度下得到的e值如下：1823Ke=－0.19;1853Ke=－0.21；1873Ke=－0.22回歸處置后可得到e＝２２７４／Ｔ－１.４４圖2-45log對[%Nb]圖(1853K)(2)測定爐渣中Nb2O5的活度在分析含鈮鐵水提鈮的熱力學(xué)時(shí)，要知道渣中Nb2O5的活度。測定時(shí)，可用含鈮鐵水與鈮渣做平衡實(shí)驗(yàn)，利用以下反響：2[Nb]+5[O]=Nb2O5△G=－1227795+473.89TJ·mol-1在一定溫度下〔例如１３５０℃〕，以上反響的平衡常數(shù)為Ｋ＝

因此=〔2-35〕

上式中l(wèi)og=e[%Nb]+e[%C]+e[%Si]+e[%Mn]+e[%P]+e[%S]由文獻(xiàn)可查出1600℃時(shí)的相互作用系數(shù)e,再利用e(0℃)=e(1600℃)計(jì)算得實(shí)驗(yàn)溫度下0℃的e。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中渣一鐵反響到達(dá)平衡時(shí)取樣分析鐵水C、Si、Mn、P、S和Nb以及用定氧探頭測定平衡時(shí)鋼液中值，利用〔2-35〕式可算出渣中值。改動爐渣成分進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，可得到不同爐渣成分時(shí)的值。經(jīng)過分析爐渣中的Nb2O5含量，得到，再利用a=γN計(jì)算得到渣中Nb2O5的活度系數(shù)。圖2-46是運(yùn)用上述方法測得的MnO‘－SiO2’－AI2O3‘渣系中的和。圖2-46MnO‘－SiO2’－AI2O3‘渣系中的和〔-×10-4；-log〕2.6高溫冶金反響動力學(xué)研討方法冶金反響大都是在高溫下進(jìn)展的，因此在高溫形狀下研討冶金反響動力學(xué)，具有實(shí)踐情況。下面引見高溫冶金反響動力學(xué)研討方法。2.6.1液-液反響動力學(xué)研討方法高溫下的液-液反響通常是指熔渣-鋼液之間的反響，例如：——爐渣對鋼液的脫P(yáng)、脫S；——渣中FeO對鋼中元素的氧化；——渣中氧化物被鋼中元素復(fù)原等都屬于液-液反響。這里以渣中氧化物被鋼中元素復(fù)原為例，引見液-液反響動力學(xué)的研討方法。

渣中氧化物被鋼中元素復(fù)原的過程普通包括：——渣中組元傳質(zhì)；——界面化學(xué)反響；——鋼中組元傳質(zhì)等幾個(gè)環(huán)節(jié)。其中，最慢的環(huán)節(jié)控制著總反響過程的速率。所以渣-鋼間氧化物復(fù)原動力學(xué)研討的重點(diǎn)是攪拌條件、反響溫度、渣和鋼的成份對復(fù)原速度的影響，并利用數(shù)學(xué)模型分析確定總過程的限制性環(huán)節(jié)。2.6.1.1實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)可在高溫管式爐中進(jìn)展，為防止氣相中的氧參與反響，將Ar氣通入爐內(nèi)維護(hù)。實(shí)驗(yàn)過程中，間隔一定時(shí)間取鋼樣或渣樣，以測得反響物〔或產(chǎn)物〕濃度隨時(shí)間的變化。〔1〕反響初始時(shí)間確實(shí)定方法在研討渣-鋼反響動力學(xué)時(shí)，必需準(zhǔn)確確定初始反響時(shí)間，常用確實(shí)定方法如下：1)預(yù)熔渣頂加法：先在高溫下將金屬料在坩堝中熔化。然后將渣料參與純鐵坩堝，吊在鋼液面上方預(yù)熔。當(dāng)渣熔化后，使純鐵坩堝底部與鋼液面接觸熔化，以熔渣鋪向鋼液外表的時(shí)辰為反響初始時(shí)間。2)混合渣投入法：易被復(fù)原的氧化物〔如氧化鉬〕，在純鐵坩堝中預(yù)熔時(shí)，能被Fe復(fù)原，這時(shí)可采用直接投入法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將渣料混合均勻，用紙包投入鋼液外表，以渣料與鋼液接觸時(shí)作為反響初始時(shí)間。〔2〕攪拌方法改動熔池動力學(xué)條件可采用兩種攪拌方法。

1)氣體攪拌：將Al2O3雙孔管插入鋼液內(nèi)，以適宜的流量吹A(chǔ)r攪拌。2)機(jī)械攪拌：用電機(jī)帶動攪拌棒，以一定轉(zhuǎn)速在鋼液中攪拌?！?〕限制性環(huán)節(jié)的判別方法渣鋼反響在高溫下進(jìn)展，普通反響速度的限制性環(huán)節(jié)為渣中或鋼中組元的傳質(zhì)，但也有界面化學(xué)反響為限制性環(huán)節(jié)的情況。1)判別傳質(zhì)或界面反響為限制性環(huán)節(jié)的方法①加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，測其對反響總速度的影響。如添加攪拌，反響速度明顯加快，可闡明反響受傳質(zhì)過程影響；反之那么闡明反響過程受界面化學(xué)反響限制。②改動反響體系溫度時(shí),對表征傳質(zhì)特征的分散系數(shù)D和表征化學(xué)反響特征的速率常數(shù)k均有影響,它們與溫度T的關(guān)系分別為:D＝D0e-ED/RT和k＝Z0e-E/RT由于化學(xué)反響活化能E比分散活化能ED的數(shù)值大的多，所以溫度對k的影響也大得多。因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，假設(shè)反響速度明顯添加，闡明反響的限制性環(huán)節(jié)為化學(xué)反響。當(dāng)溫度對反響速度影響較小時(shí)，那么闡明反響的限制性環(huán)節(jié)為分散傳質(zhì)。2)判別鋼中或渣中組元傳質(zhì)為限制性環(huán)節(jié)的方法可假定某一環(huán)節(jié)為限制性環(huán)節(jié)，建立該環(huán)節(jié)的傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。然后運(yùn)用數(shù)值法將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入模型進(jìn)展計(jì)算分析，調(diào)查能否符合傳質(zhì)模型所表達(dá)的關(guān)系。2.6.1.2鋼中Si復(fù)原渣中Nb2O5的動力學(xué)研討實(shí)例氧化物替代鐵合金進(jìn)展鋼的直接合金化，本質(zhì)上是渣中氧化物被鋼液中組元復(fù)原的過程，當(dāng)熱力學(xué)條件適宜時(shí)，渣中合金元素的氧化物向鋼液中復(fù)原的速度決議了該合金元素的收得率，因此需研討渣中氧化物的復(fù)原動力學(xué)。下面以渣中Nb2O5被鋼中Si復(fù)原的動力學(xué)研討為例。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，用Al2O3坩堝盛鋼液，采用預(yù)熔渣頂加法將含有Nb2O5的爐渣參與鋼水中，用雙孔管插入鋼液吹A(chǔ)r攪拌，熔渣與鋼液之間將發(fā)生如下反響。2〔Nb2O5〕＋5[Si]＝5〔SiO2〕