气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响及金属中气体分析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响,碳,在钢中的存在形式,化合碳与游离碳总和，称为总碳量。,碳在钢铁中主要以两种形式存在：,一种是,化合碳,，即碳以化合形态存在，主要以铁的碳化物和合金元素的碳化物形态存在。例如,Fe,3,C,、,Mn,3,C,、,Cr,3,C,2,、,WC,、,W,2,C,、,VC,、,M,O,C,、,TiC,等。,另一种是,游离碳,，例如铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等，统称为游离碳。,在钢中，一般是以化合碳为主，游离碳只存在于铁及经退火处理的高碳钢。,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响碳在钢中的存在形,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响,碳对钢材性能的影响,随着碳含量的增加钢的焊接性能显著下降,故在普通低合金钢中碳含量一般不超过,0.22%,。,钢中碳含量增加时,强度升高,塑性和韧性降低,。,当钢中有形成稳定碳化物时,铌,钛,钒,钼,钨等元素时,其屈服强度的提高更为显著,。,碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低钢的抗大气腐蚀能力,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响碳对钢材性能的影,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响,硫在钢中的存在形式,少量形成的其他硫化物有硫化钒、硫化锆、硫化钛、硫化铌、硫化铬以及复杂硫化物,Zr,4,(CN),2,S,2,，,Ti(CN),2,S,2,等。,硫在钢中的固溶量很小，但能形成多种硫化物。,当锰含量较高时，主要形成,MnS,。,当锰含量较低时，则主要以,FeS,状态存在。,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响硫在钢中的存在形,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响,硫对钢材性能的影响,在钢中加入,0.08-0.20%,的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。,使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。,硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。,硫在高级优质钢中含量不得超过,0.025%;,优质钢中为,0.035%-0.040%;,普通钢中为,0.050%,。,气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响硫对钢材性能的影,真空熔融法准确度高，是气体分析的标准方法，但设备和操作繁杂，分析时间长，真空检漏费事。采用惰性气体载流，则设备简单，操作方便，分析速度快。分析的准确度和灵敏度取决于所用装置的结构和测定仪器的精度、操作条件、空白值等。,试样须仔细制备，确保表面光洁，无发纹、裂纹、夹杂物、油污等。氢在金属中易于扩散逸出，最好制样后保存在液氮中,并及时分析。,金属中气体分析的常用方法,熔,融,抽,取,法,此法灵敏度一般可达,ppm,级、,0.1ppm,级或更高。,真空熔融法准确度高，是气体分析的标准方法，但设备和操作繁杂，,用高温熔融抽取法抽出的气体通过加热的氧化铜或五氧化二碘，使一氧化碳氧化为二氧化碳，氢氧化为水，以便分离和测定。测定气体的方法有：,气相色谱法,。将抽取的气体转移到硅胶色谱柱或分子筛色谱柱，用氩作载气，将一氧化碳、氢、氮分离，进入钨丝热导池测量，可同时测定氧、氢、氮的含量。,冷凝微压法,。在真空系统内测定除去水汽和二氧化碳气前后的压差，计算氢、氧的含量。,质谱法,。将抽取出的气体导入气体分析用的质谱计，测定氧、氢、氮。,库仑法,。将二氧化碳导入一定,pH,的微碱性高氯酸钡电解液中，由于吸收二氧化碳而使,pH,改变，最后用恒定脉冲电流滴定，使,pH,复原，从消耗的电量求出含氧量。,电导法,。电导池中，氢氧化钠溶液吸收二氧化碳后，电导发生变化，测量电导的改变，求出含氧量。,红外吸收法,。将极性分子一氧化碳或二氧化碳导入红外线吸收池内，按红外线吸收量测定含氧量。,非水滴定法,。将二氧化碳导入非水溶剂丙酮，用氢氧化钾甲醇溶液滴定，求出氧量。,金属中气体分析的常用方法,气,体,测,定,方,法,用高温熔融抽取法抽出的气体通过加热的氧化铜或五氧化二碘，使一,气体分析仪的检测方式,红外吸收法,热导法,气体分析仪的检测方式红外吸收法 热导法,红外吸收法,红外光,红外检测的基本原理,红外检测的定量依据,红外池的基本结构,红外池的工作原理,红外吸收法红外光红外检测的基本原理红外检测的定量依据红外池的,红外光,可见光通过三棱镜后可分成红、橙、黄、绿、青、兰、紫彼此相连的七色彩带，这些光的波长为,0.38,0.76,微米，这是可以通过肉眼看见的光，还有一些光是看不见的，如波长在,0.76,420,微米的光（即红光以外的光线）称为红外光。,红外光 可见光通过三棱镜后可分成红、橙、黄、绿,红外光,红外光又可分为：,近红外光（,0.76,15,微米）；,中红外光（,15,100,微米）；,远红外光（,100,420,微米）。,气体分析仪上使用的红外光线是属于近红外光区域。,红外光 红外光又可分为：近红外光（0.76,红外检测的原理,气体分子吸收红外线的原理，在于气体分本身的结构。按照量子力学的理论，凡是有偶极矩的分子，就可以产生红外吸收。极性分子本身正负电荷中心不重合，发生振动和转动时，就吸收红外光的能量。因此，像,CO,、,SO,2,等分子是不对称的极性分子，这样的分子要吸收红外光。,CO,2,是一个对称型的分子，是非极性分子，但在振动时，其分子产生瞬间偶极，所以也要吸收红外光。,红外检测的原理气体分子吸收红外线的原理，在于气体分本身的结构,红外检测的原理,不同的极性分子及,CO,2,所吸收的红外波长是不一样的，这些波长被称为特性波长。如,CO,2,为,4.25,m,、,CO,为,4.65,m,、,SO,2,为,8.69,m,、,H,2,O,为,6.6,m,。根据不同气体具有不同的特征波长这个特点，就可把混合气中某一组分的含量测量出来。,金属气体分析所采用的红外分析，均属于不分光的红外光谱分析。由于对称的双原子气体分子如,N,2,、,O,2,、,H,2,、,Cl,2,等，和单原子惰性气体如,He,、,Ar,，其本身不吸收红外线辐射，因此红外线吸收光谱法不能分析,H,2,、,N,2,和,O,2,。换言之，不分光红外线吸收法测定,CO,和,SO,2,时，,H,2,、,N,2,、,O,2,不干扰测定。但水分子偶极矩很大，有强烈的吸收，所以一定要消除,H,2,O,的干扰。,红外检测的原理不同的极性分子及CO2所吸收的红外波长是不一样,红外检测的定量依据,气体对红外线能量的吸收遵从朗伯,-,比尔定律：,式中：,K,被测气体的红外吸收系数（气体种类一定，,K,既定）,C,被测气体的浓度,L,红外吸收层的厚度（即池长）,I,0,红外光源发出的红外能量,I,经被测气体吸收后剩余的红外能量,由上式可见：,吸收产生的能量变化与气体浓度不是线性关系，而是指数关系,为使输出信号与被测气体浓度成线性关系，在电路中需加入线性校正电路。,红外检测的定量依据气体对红外线能量的吸收遵从朗伯-比尔定律：,红外检测的定量依据,上式两边取对数：,所以，,E,光密度（又称吸收度、消光度）,在气体分析仪器中，光程长度（,L,）、气体的吸收系数（,K,）是常数，仪器的光源也是固定的。透射光的强度（,I,）与光密度成对数关系，通过电子线路直接将对数转换成数字型的浓度结果显示出来。在式中,K,是固定的，,L,在制造检测器时就定下来的，所以,E,的大小直接反映了被测气体的浓度，即,E,C,；同时也可看出，如果在,C,不变的情况下，,L,越大，即,E,越大（即反应越灵敏）所以加长,L,，能提高检测器的灵敏度。,红外检测的定量依据,红外池的基本结构,一个典型的红外检测单元由红外光源、斩波马达、精密波长滤光片、聚光锥、带有前置放大器的红外检测器和一个池体组成。,红外池的基本结构一个典型的红外检测单元由红外光源、斩波马达、,红外池的基本结构,斩波马达带动叶片转动“切割”光束，将光源调制为,85Hz,交变光，使到达检测器中能量信号转变为交流信号，这样有利于抗拒干扰，增加检测信号的信噪比，提高检测的精度。,红外池的基本结构斩波马达带动叶片转动“切割”光束，将光源调制,红外池的基本结构,滤光片是一种截取某一窄波长光谱的装置。滤光片的目的就是只允许待测气体所对应吸收的红外线波段通过，其余的干扰组分所对应吸收的红外线波段全不让通过，提高了测定的灵敏度和准确度。,红外池的基本结构滤光片是一种截取某一窄波长光谱的装置。滤光片,红外池的工作原理,红外光源由镍铬丝组成，加热到,850,可辐射出可见光及红外光谱所有波长的光，经斩波片将此光调制为,85Hz,的脉冲光源,射向池体,透过池体端面的蓝宝石（,CaF,2,）窗口，进入池体腔内，而后又透过另一端的蓝宝石（,CaF,2,）窗口，经滤光片滤光后，由聚光锥把能量集中到半导体检测器的含锂（,LiFO,2,或,LiTaO,3,）二极管上，在此进行光电转换，获得电信号。,当红外池中只通入载气时，输出的电压为,8.5V,左右。当被测气体（,CO,2,或,SO,2,）经过池体时，吸收红外能量而引起测得电压信号的变化，从而确定被测气体的含量值。,红外池的工作原理 红外光源由镍铬丝组成，加热到,最新的红外检测池,插拔式集成一体化设计，体积小巧,无需人为调整检测器输出电压，软件实时调节检测器并保持最佳输出值,1KHz,光电开关取代,85Hz,斩波马达，减少机械故障,检测器核心检测元件增加保护装置，延长寿命,最新的红外检测池插拔式集成一体化设计，体积小巧,红外检测器和热导检测器的共同处及不同处,共同处：,红外检测器和热导检测器，都属于高灵敏度的气体分析检测器，对它们的要求必须自身相当稳定（即在无测量气体通入时，其输出信号必须稳定）或谓基线必须稳定。因此，它们都必须处于恒电流，恒定的工作室温度（一般在,45,，大于室温），恒定的载气压力和流量条件下工作，这是相当重要的，因为任何一个条件的不稳定，就会引起检测器自身输出的不稳定，从而严重影响检测精度和准确度。,红外检测器和热导检测器的共同处及不同处共同处：,气体分析仪构造,基本构造图,1,炉子单元,4,控制单元,2,气路系统,打印机,天平,3,检测单元,气体分析仪构造基本构造图1,气体分析仪构造,炉子单元：使试样分解，释放分析气体。,气路系统：待测气体的携带和输送。,检测单元：测量不同气体元素的含量。,控制单元：控制仪器以及处理测量数据。,仪器由,4,部分组成：,气体分析仪构造炉子单元：使试样分解，释放分析气体。仪器由4部,炉子单元,高频感应炉,坩埚,试样,感应线圈,氧气,振荡器电路产生,18MHz,高频电源，输出功率为,2.2KW,高频电源在感应线圈中，形成高频交变电磁场,试样感应产生涡流使试样发热熔融,试样的导磁导电性能 、重量、助熔剂,坩埚位于感应线圈的几何中心位置,炉子单元高频感应炉 坩埚试样感应线圈氧气,炉子单元,高频感应炉,振荡器电路,18MHz,高频电源，输出功率为,2.2KW,氧气,纯度：,99.99%,0.5 to 1.0,升,/,分 氧枪,3.0,升,/,分 冲洗,助熔剂,Lecocel, Lecocel II, Leocel III, Lecocel II HP,纯铁,炉子单元高频感应炉 振荡器电路,炉子单元,高频感应炉,燃烧反应,C + O,2,= CO,2,and CO,S + O,2,= SO,2,H + O,2,= H,2,O,金属和矿石,+ O,2,=,氧化物微粒,炉子单元高频感应炉 燃烧反应C + O2 = CO2 and,如何使分析成功,坩埚,助熔剂,称样量,炉温,积分时间,试样处理,如何使分析成功坩埚助熔剂称样量炉温积分时间试样处理,如何使分析成功,坩埚,C,，,S,分析所用的坩埚为,2525,的陶瓷坩埚，虽然坩埚在出厂时已经用高温焙烧处理，但由于保存时间，包装，运输等原因，不可避免地会接触其它物质和空气，所以在使用前，坩埚必须经过,1000,4,小时以上的预处理（或于,1200,，,20,30,分钟高温处理），干燥箱冷却至室温后才能使用。,使用中发现分析超低,C,、超低,S,样时，最好使用热的坩埚，消除热坩埚在冷却过程中不可避免地吸入水分，直接影响到分析结果。,如何使分析成功坩埚C，S分析所用的坩埚为2525的陶瓷坩,如何使分析成功,助熔剂,1.,所使用的助熔剂在燃烧过程中必须是放热的，通常助熔剂会帮助金属更容易燃烧，其生成物必须是流体或疏松体。,4.,助熔剂的品种和用量要根据分析对象而定。对,C,和,S,分析来讲，一般选用,W,、,Sn,或,W,Sn,（,4:1,），纯,Fe,（增加导磁性）、,Cu,（,Cu,是超低碳分析的最佳助熔剂，但是对,S,分析不太理想）；对,H,分析来说，一般选用,Sn,作为助熔剂；对,O,和,N,分析来说，可以选用,ni,或,Sn,作为助熔剂；,为了加快和便于金属中的气体释放完全，往往采取加助熔剂的办法能得到较好的效果。,助熔剂的品种很多，有：,Fe,、,Cu,、,Ni,、,W,、,Sn,等，但必须注意以下几点：,2.,助熔剂在燃烧过程中，及其生成物，必须不吸收,CO,2,、,SO,2,等被测气体，其本身熔点相对较低，能起到“导火线”作用，它能将样品“点火”，并能象熔剂一样溶解氧化物表皮，使样品完全液体化。,3.,助熔剂本身的空白值（,C,、,S,、,O,、,N,、,H,的含量）越低越好，而且很稳定，这对分析精度，准确度相当重要，特别是分析低含量样品时。,如何使分析成功助熔剂1.所使用的助熔剂在燃烧过程中必须是放热,如何使分析成功,助熔剂,1,勺,LECOCEL II HP,的空白值,如何使分析成功助熔剂1勺 LECOCEL II HP的空白值,如何使分析成功,称样量,1),影响到的空白值的波动。,虽然目前的气体分析仪都具备重量自动换算计算的功能，,但应该指出，称样量不一致，会引起：,2),引起高频感应电流的不一致，即燃烧温度的波动。,3),引起试样中气体释放的快与慢。,如何使分析成功称样量1)影响到的空白值的波动。虽然目前的气体,如何使分析成功,炉温,留意分析时反映炉温数值的指示情况,炉温直接影响到试样中气体的释放，所以非常重要，要求炉温始终保持稳定。,当分析结束后，取下坩埚时，还要观察一下试样的熔融后的状态是否良好。,如何使分析成功炉温留意分析时反映炉温数值的指示情况炉温直接影,如何使分析成功,积分时间,每只样品的分析时间（即积分时间），应该和设定值基本一致，一旦发现积分时间过长，应该引起注意，必须依次认真检查分析材料是否纯净、试剂是否失效、比较电平设置是否合理以及红外池基线是否稳定等原因。,如何使分析成功积分时间每只样品的分析时间（即积分时间），应该,如何使分析成功,试样准备,固体试样的准备通常是用锉刀或磨盘打磨试样表面。然后用合适的有机试剂（如丙酮）清洗试样，然后用热风吹干。,有时可以使用化学腐蚀的方法，但用的比较少。,也可以用碱性洗液或有机试剂，在超声波中清洗。,有些学者在检测超低碳时，将试样在,420-450,中烘,10,分钟，去除表面碳。,氢的取制样必须非常谨慎。从熔铸金属中取来的样品必须迅速在水中淬火并储藏在冷冻剂（如液氮）或丙酮和干冰的混合剂中，目的是为了减少氢扩散。,如何使分析成功试样准备固体试样的准备通常是用锉刀或磨盘打磨试,如何使分析成功,试样准备,打磨后,如何使分析成功试样准备打磨后,如何使分析成功,试样准备,打磨后,酸洗后,如何使分析成功试样准备打磨后酸洗后,如何使分析成功,试样准备,Copper Wire: Analyzed As Received,如何使分析成功试样准备Copper Wire: Analyz,如何使分析成功,试样准备,Copper Wire: abraded,The same sample was abraded using a flat mill file. The oxygen level dropped to 2.9 ppm. Also note the oxygen precision improved from 1.01 to 0.3 ppm.,如何使分析成功试样准备Copper Wire: abrade,如何使分析成功,试样准备,Copper Wire: Etched,This sample was also etched for 2 minutes in a solution of 50 ml H,3,PO,4, 28 ml CH,3,COOH, and 22 ml of HNO,3,. It was then rinsed twice in alcohol, and dried with warm air. The results were very similar to those obtained as received.,如何使分析成功试样准备Copper Wire: Etched,如何使分析成功,试样准备,如何使分析成功试样准备,如何使分析成功,试样准备,如何使分析成功试样准备,如何使分析成功,试样准备,序号,小块样,屑样,样品重,碳,%,样品重,碳,%,1,0.210,3.49,0.201,3.19,2,0.200,3.50,0.207,3.10,3,0.203,3.48,0.203,2.89,4,0.200,3.51,0.201,2.98,5,0.201,3.50,0.210,3.08,6,0.204,3.49,0.203,3.04,7,0.211,3.51,0.204,3.14,8,0.208,3.51,0.207,3.10,9,0.204,3.48,0.204,2.94,10,0.207,3.49,0.207,2.91,平均值,3.498,3.04,标准偏差,0.01023,0.107,相对标准偏差,0.33,3.37,球墨铸铁中总碳含量的测定,如何使分析成功试样准备序号小块样屑样样品重碳 %样品重碳 %,化学室主要气体分析仪,CS-444,TC-436AR,RH-402,TC-600,CS-600,化学室主要气体分析仪CS-444TC-436ARRH-402,碳硫分析仪,CS,444,概述,该仪器是美国,Leco,公司生产的用于测定碳、硫的红外分析仪，其中碳的检测器为,CO,2,红外检测器（由高碳检测器和低碳检测器两个串联而成），硫的测定由,SO,2,红外检测器来完成，它广泛地应用在钢、铁、原材料及有色金属中的碳硫分析，是目前国际较为先进的分析仪。该仪器还有改进型,CS,444LS,和,CS-600,分析仪，对于超低碳超低硫的分析特别有效。,碳硫分析仪CS444 概述 该仪器是美国Leco公司生产的,碳硫分析仪,CS,444,工作原理,当分析样品置于陶瓷坩埚中，在充满氧的气氛中，通过高频炉的感应，达到加热熔融的目的，样品中的,C,大部分被氧化成二氧化碳（,CO,2,），少部分被氧化成一氧化碳（,CO,），样品中的,S,被氧化成二氧化硫（,SO,2,）。生成的,CO,2,、,SO,2,和部分,CO,，在载气氧气的带动下，首先经过,SO,2,红外检测器，检测出,SO,2,的浓度后，再经过装有镀铂硅胶的催化炉，使,CO,CO,2,、,SO,2,SO,3,，而,SO,3,在经过纤维素后被吸收而除去，剩下的,CO,2,由,CO,2,红外检测器检测出其浓度。,CO,2,和,SO,2,的浓度（信号），通过计算机的处理后，分别以,C,和,S,的形式记录并显示出来。,碳硫分析仪CS444工作原理当分析样品置于陶瓷坩埚中，在充,碳硫分析仪,CS,444,分析流程图,碳硫分析仪CS444分析流程图,谢谢！,谢谢！,