[冶金热力学与动力学实验]指导手册

《冶金热力学与动力学实验》指导书

实验一 、 碳的气化反应

一．实验目的

1．测定恒压下不同温度时反应的平衡常数。

2．了解在恒温恒压下反应达平衡时测定平衡常数的方法。

3．了解影响反应平衡的因素。

二．实验原理

在高炉炼铁、鼓风炉炼铜、铅、锌以及煤气发生炉等生产实践中，固体碳的气化反应具有十分重要的意义。其反应为：

C ＋CO 2＝2CO

该反应的自由度为F ＝2－2＋2＝2, 即反应平衡时，气相成分取决于温度和系统的压力。

在一大气压时，该反应的平衡常数为：

K P =

由等压式知

∆H +B （1—2） 2. 303RT

式中ΔH 为反应热，R 为气体常数，T 为绝对温度，B 为常数。

三．实验装置

如图2-3所示，由二氧化碳气瓶、气体净化系统、管式高温炉及控温仪表、气体分析仪器组成。

2P CO =(CO %)2(CO 2%) （1—1） P CO 2 lg K P =-

图1-3碳的汽化反应实验装置

1.CO2气瓶 2 流量计 3. 管式电阻炉 4. 铂铑热电偶 5. 温度控制器 6. CO2传感器；7. 计算机 8实验台

四．实验步骤

1．按图装好仪器设备，将碳粒装入电炉内瓷管的高温带，塞上胶塞，用融化的石蜡密封好。

2．分段检查系统是否漏气 ，重新密封，直至不漏气为止。

3. 通电升温 接通电源，打开控温器电流为5A ，逐步升到10～12 A 。在升温的同时；打开气瓶，以较大的气流（40ml ／分）排出系统内的空气，排气5分钟后调流量为20ml ／分，并保持此流量不变。

4. 炉温在600℃恒温5分钟后，接通CO 2气体传感器，计算机读数，记录CO 2％含量。

5. 再按上述操作连续4点 ，700℃，800℃，900℃，1000℃。分析反应平衡气体中CO 2含量 同上操作，再取该温度下反应平衡气体，记录CO 2％含量。

7．实验完毕，恢复仪器原状，切断电源，关闭气体。

五．实验报告要求

1. 计算各温度下平衡气相成分，以体积百分数表示，取10次结果的平均值。

2. 计算各温度下的平衡常数K p 。

3. 绘制平衡气相中一氧化碳与温反t 的关系曲线。

4. 绘制lgK p －1／T 直线，由直线斜率求出反应热ΔH 值。

5. 讨论温度对反应平衡移动的影响．

六．思考题

1. 为什么要检查系统不漏气？

2. 为什么要控制流速20 ml／分？

3. 为什么要严格控制温度？

实验 二、金属氧化动力学

冶金物理化学实验经常涉及过程的速率和机理，即动力学规律的研究。这也是有重要实际和理论意义的领域。动力学实验通常只能测得过程中某一个与反应速率有关的物理量随时间变化的动力学曲线。过程机理的确定和速率方程的建立，还需把动力学曲线与各种动力学模型相结合，再辅以其它实验手段才能确定。因此动力学模型的分析和讨论是动力学实验不可缺少组成部分。动力学研究按其涉及的体系划分，可分为气—固、气—液、液—液、固—固相等反应动力学；按其研究方法划分，可分为静态法(等温、等压或等容) 、动态法(非等温或流动气体) ；按测量的物理量划分，可分为热重法，电导法、测压法等。本实验为热重静态法研究气—固相反应动力学。

一．实验目的

(1)掌握热重法研究金属氧化动力学的原理及方法。

(2)测定空气下金属等温氧化增重曲线，掌握判断反应控速步骤和计算动力学参数的方法。

二．实验原理及设备

1 支架 2天平 3 吊丝 4 控温器 5 计算机 6桌子 7 金属片 8 炉子

热重法是在程序控温条件下，测量物质质量与温度或时间关系的一种技木。热重法有等温热重法和非等温热重法两类，前者是在恒温下测定物质质量变化与时间的关系；后者是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系。热重曲线常用两种方式表示方式：TG 曲线或DTG 曲线，前者表示失重过程的累积量，属积分型；后者是TG 曲线对时间或温度一阶微商，即质量变化率与时间或温度的关系曲线。因此只要物质受热发生物理或化学变化，有质量变化，就可以用热重法来研究其变化过程。

对金属氧化反应 xM(s)+yO2（g ） = Mx O y （s ）

随着时间的增加，其固体产物增加，因而重量值增加。由所得实验曲线就可以判断不同实验条件下样品增重值的大小，比较其抗氧化性能，并有样品重量随时间（或温度）的变化关系，研究反应的过程和机理。

金属氧化反应过程主要有下列步骤，

(1)氧通过气相边界层向金属表面的传质过程。

(2)氧或金属离子在氧化层中的扩散过程。

(3)金属与氧在界面上发生化学反应过程。在反应初期（未形成致密产物层时），只有前两步。

对于平板试样(即氧化过程中反应面积基本不变) ，在氧化初期未形成致密产物层或金属氧化膜(如铁的氧化物) 疏松的情况下，金属氧化为化学反应控速。在TG 曲线上表现为单位面积上氧化增量(ΔW) 随时间(t)线性增加的零级反应特征，即遵循膜生长直线定律：

∆W =k 1t （2—4） A

A —试样表面积，cm 2

K 1—表现反应速度常数，mg ／cm 2.s

在氧化中后期氧化膜致密并有一定的厚度时，金属氧化速度为氧或金属离子在氧化膜中扩散所控制。单位面积上氧化增量随时间呈抛物线变化的一级反应特征，即遵循金属氧化抛物线规律：

∆W 2) =k 2t （2—5） (A

式中k 2—抛物线速度常数，mg 2/ cm4．s) 。

实验主要设备是高温加热炉和天平组成。除此还有炉温控制系统。

四．实验步骤

(1)检查与熟悉仪器装置。

(2)用砂纸擦净试样（铜片）表面氧化膜，用卡尺测定样品的尺寸。用酒精、丙酮清洗去油污。样品质量不大于5g 。

(3) 打开电源，给高温炉通电加热。将样品挂入天平吊钩上，提升加热妒至工作位置，待天平读数稳定后，读出祥品初始重量。将样品提出。

(4)，控制温度750℃，将样品放入炉内。开始记录数据。

(5) 实验结束后，加热护自动下降至冷却位置，取出样品。

四．实验报告

(1) 确定金属氧化过程各阶段的动力学速度方程和机构，并求出相应的表现速度常数及偏差。

(2) 讨论温度对反应速度的影响及影响实验结果的因素。

五、思考题

(1)对流及浮力对热重分析和实验结果有何影响？

（2）若用保护性气体（氩气）（氮气）等对实验结果有何影响？

实验三、熔渣熔化温度的测定（设计）

纯金属、共晶组分和同分化合物等晶体，其固—液二相平衡共存时具有确定的温度，称此温度为熔点。而炉渣和多元合金均属多元复杂体系，尤其又存在非晶态相时，当其固—液二相共存时，通常是在一个温度范围内产生，故无确定的熔点，为了比较其熔化特性，一般认为自液相中刚刚析出固相时的温度称“开始凝固温度”（或称完全熔化温度）；当液相完全凝固时的温度称“完全凝固温度”（或称开始熔化温度）。

对于一些复杂的新体系，无现成相图供查阅，只好用实测法来实现熔点和熔化温度的测定。常用的方法有差热分析法、热丝法和半球法等。

一．实验目的

了解并掌握用试样变形法（半球法）测定炉渣熔化温度的方法。

二．方法及原理

通常熔渣并没有一个确定的熔点，它是在一定温度区间里完成熔化过程的，我们将固态熔渣开始出现液相时的温度称作开始熔化温度，而将全部变为液相时的温度称作终了熔化温度。在实践中为了相对地比较熔渣的熔化特性，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熔化特性。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，液相量将增加，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。如图所示，随着温度的升高，圆柱型试样被烧结而收缩，如a 所示；然后逐步熔化，其试样高度不断降低，如b 和C 图所示状态，有的文献称b 变形状态（5／6h ）时温度为“变型温度”，称C 状态（1／2h ）的温度为“熔化温度”或“半球温度”；温度进一步升高，试样中液相部分流动性增大而铺展在垫片上，呈d 状态（1／3h ），称此状态时温度为“流淌温度”。

试样变形法是用目视法通过一组透镜观察升温过程中试样变形来测定炉渣熔化温度的方法。实验时先把试样制成一定大小的圆柱体，将它放在不与试样作用的垫片上。然后逐渐加热使之熔化。

（a ） (b) (c) (d)

图10－3 熔化过程试样高度变化

(a)-准备试样；(b)-开始熔化温度；(c)-高度降低1/2；(d)-接近全部熔化

如图所示，随着温度升高，圆柱形试样由(a)经过烧结收缩，然后逐步熔化，试样高度不断降低，如(b)、(c)所示，最后接近全部熔化时，由于试样中液态部分流动形增加而铺展在垫片上(d)。由此可见，只要规定一个高度标记，已知对应的温度就可以用作相对比较不同渣系的熔化温度高低、熔化快慢、析出液相的流动性。习惯上取试样高度降到1/2时的温度叫熔化温度。用试样变形法测得的熔化温度，既不是恒温的，又无平衡可言，所以不是热力学所指的熔点或熔化温度。只是一种实用的相对比较标准。

1-熔点及熔化温度测定装置 1屏幕 2目镜 3物镜 4热电偶 5支撑管 6电炉 7试样 8垫片 9投光灯

三．实验步骤

实验装置如图1-34所示，由高温加热系统、测温系统和试样高度观测光路放大系统组成。试样加热用铂丝炉，用电位差计或数字高温表测温。圆柱型试样放在垫片上，垫片材料要求不得与试样起化学反应，可以用刚玉质、高纯氧化镁或贵金属。热电偶工作端紧贴在试样垫片之下。借助光学系统把试样形状

投影到屏幕上。

四、测试方法

设计好炉渣成分，按以下方法操作

1．制样

由于熔化温度测定所用试样量很少，从大量炉渣中如何取出所需试样量而又保证试样成份只有代表性？通常采用四分法来缩分，即将颗粒状炉渣堆成圆锥形，通过圆锥顶点将其分成四等份。然后取出其中一等份再堆成圆锥形，通过顶点再分成四等份，„„，如此分下去，一直到满足所需用量为止。

缩分后的渣样（最好经过预熔或至少经预烧结）在钢钵中砸碎，用磁铁吸除渣中铁屑，研磨直至全部渣样完全通过180目网筛。

用牛角勺取一勺渣粉放入表面皿中，加入少许5％糊精水溶液，拌匀后在样模中压制成Φ3×3mm 的圆柱形试样，将渣样自制样器中推出，经自然阴干或在烘箱中烘干，备用。

2．熔化特性温度的观测

（1）将垫片（铂片或刚玉片）放在支撑管的一端，并保护水平，再将试样放在垫片上，其位置正好处于热电偶工作端的上方。然后移动炉体使试样恰好位于护体中部高温区内。

（2）调整物镜和目镜位置，使试样在屏慕上呈现一清晰的放大象，再调整屏幕左右上下位置，使试样的放大象位于屏幕的六条水平刻度线之间，以便观测熔化特性温度。

（3）给电炉供电升温，当温度接近熔化温度时，其升温速度控制在5～10C ／min 间的某一固定值，因为升温速度既影响所测温度的精度又影响数据的重视性。

（4）在保持一定升温速度下，不断观察屏幕上试样高低的变化，同时不断观测屏幕上试样高度的变化，同时不断记录温度数值，便可得到试样顶端开始变圆时的温度—“变型温度”；当试样高度降低到 1／2h 时的温度—“熔化（或半球）温度”；当试样高度降至 1／3h 时的温度—“流淌温度”

（5）测试完毕后降低炉温，移开炉体，取出垫片，再放置一新垫片和新试样，重复实验，如此做3～5次平行实验，以其平均值为最终结果。

五．实验报告要来

(1)．实验目的和方法简述

(2)．实验数据和结果

(3)．讨论

六．思考题

(1)．为什么在测试中要控制升温速度？

(2)．评价此方法的优缺点。

黄希轱. 钢铁冶金原理（修订版）. 冶金工业出版社，1990.

冶金物理化学实验／张圣弼主编 冶金工业出版社，1994.10

王常珍主编. 冶金物理化学研究方法（第3版）. 冶金工业出版社，2002. 徐南平主编. 钢铁冶金实验技术和研究方法. 冶金工业出版社，1999. 冶金实验研究方法[苏]B．B ，林切夫斯基 著刘冀琼丁成勋译 张 磐 校 冶金工业出版社，1986.5

一种热电偶制作方法 薛郑生 现代制造工程2003( 7)