第八章 钢铁分析

2、试样测定
① 称取1g试样平铺于经高温灼烧过的瓷舟中，加入适当(约0.2g) 助熔剂覆盖样品，用长镍丝钩将瓷舟推入管内温度最高处， 用橡皮塞将燃烧管塞紧，预热1min，转动三通活塞，使冷凝 管和量气管相通，并以2L/min的速度通入氧气，将水准瓶缓 慢下移，待试样燃烧完毕，将水准瓶立即收到标尺的零点位 置。 ② 当酸性氯化钠溶液面下降到接近标尺零点时，迅速打开胶塞， 停止通氧。液面对准零点，转动三通活塞使量气管与吸收器 相通，将水准瓶置于高位，把量气管内的气体全部压入吸收 器，再下降水准瓶，调节吸收器内液面对准预先标记的标线， 此时水准瓶与量气管的液面亦相平衡，读取量气管上的刻度、 温度和大气压（高碳试样应进行2次吸收）。 ③ 转动三通活塞，使量气管与大气相通，提升水准瓶使量气管 内充满溶液 ，水准瓶放至高处，随即关闭三通活塞即可。量 气管刻度读数乘以校正系数，即得出试样中碳的百分含量。
（三）钢板取样
1、纵轧钢板取样 钢板宽度小于1m时，沿钢板宽度切一条50mm的钢条作试料； 钢板宽度大于或等于1m时，沿钢板宽度自边缘至中心剪切一条 50mm的试料。然后将试料两端对齐，折叠数次后压紧，在其中 间处沿剪切的内边刨取，或自表面用钻通的方法钻取。 2、横轧钢板取样 由钢板端至中心，沿板边剪切一条宽50mm、长 500mm的试 料，然后按上述方法刨取或钻取。 3、厚钢板取样 厚钢板不能折叠时，可同样按上述方法取得试料后，在所述相 应的折叠位置钻取或刨取，然后将等量样屑混合均匀。
即
f=0.996
课堂练习：
称取钢样1.000g，在17℃、102.0kPa时，测得生 成二氧化碳的体积为6.20mL，计算温度、气压校 正系数及钢样中碳的质量分数。
第四节 硫的测定

硫在钢中易偏析，因此在取样时需注意 代表性。硫化物一般易溶于酸中，与非 氧化性酸生成硫化氢逸出，在氧化性酸 中则转化为硫酸盐，在高温下（12001300℃）通氧燃烧则生成二氧化硫。硫 的测定有燃烧-碘量法、质量法、还原蒸 馏比色法等，其中燃烧-碘量法为标准方 法，应用较广，本节主要介绍该种测定 方法。
第二节 钢铁试样的采集
一、试样采集应遵循的规则 （1）所采集的样品必须具有代表性，试样应均匀一致。 （2）采集试样样屑可以钻取、刨取，或用某些工具采取， 样屑应粉碎并混合均匀。在采集试样过程中不能用水、油或 其他润滑剂，而应除去表面的氧化层和表面污渍，若是成品 钢材还应除去脱碳层、渗碳层、涂层、镀层金属以及其他外 来物质。 （3）用钻头钻取试样样屑时，应尽可能选用较大直径的钻 头。对小断面钢材的取样，钻头直径不应小于6mm；对大 断面钢材的取样，钻头直径不应小于12mm。 （4）供仪器分析用的试样样块，使用前应根据分析仪器的 要求，适当地予以磨平或抛光。
（二）小断面钢材取样
小断面钢材包括圆钢、方钢、扁钢、工字钢、槽钢、角钢、 钢管、盘条钢带、钢丝等，可按下面方法取样： （1）从钢材的整个横断面上刨取（焊接钢管应避开焊缝）， 或从横断面上沿轧制方向钻取，钻孔应对称均匀，也可从 钢材外侧的中间部位垂直于轧制方向钻通取样。 （2）由于钢带、钢丝等按上述方法不能取得试样，应从弯 折迭合或捆束的样块横断面上刨取，或从不同的钢带、钢 丝上截取。 （3）钢管可围绕其外表面在几个位置钻通管壁钻取，薄壁 钢管可压扁迭合后在横断面上刨取。
（四）结果计算
钢铁定碳仪量气管上的刻度，通常是在101.3kPa和16℃ 时按每毫升相当于每克试样含碳0.05%刻制的。在实际测定 中，温度、压力都会有所不同，必须加以校正。即将读取的数 值乘以温度、压力校正系数f。f值可根据气体状态方程求得。 总碳量的计算式为： V f 0 . 0005 C% 100 % m 式中 0.0005——16℃、101.3kPa条件下，封闭液液 面上每毫升CO2中含碳质量（g/mL）。 V——二氧化碳体积，mL f——校正系数 V f V V V为实测条件下的体积， 为将Ｖ校正为特殊状态下的气体体 积．
第三节 总碳的测定

一般在工厂化验室中，各种形态化合碳的测定 属于相分析的任务。而在成分分析中，通常测 定碳的总量。总碳量的测定方法虽然很多，但 通常都是将试样置于高温氧气流中燃烧，使之 转化为二氧化碳，再用适当的方法测定。气体 容量法是较经典的分析方法之一，除此之外， 还有非水滴定法及仪器分析法等。本节主要介 绍气体容量法。
例如，在17℃、101.3kPa时测得气体体积为V17(mL)， 17℃时饱和水蒸气气压为1.933Pa，16℃时水蒸气气压 为1.813kPa，则16℃、101.3kPa时的体积为V16为：
V16 V 17 101 . 3 1 . 933 101 . 3 1 . 813 273 16 273 17 0 . 996 V17
（四）硅 硅在钢铁中主要以FeSi、MnSi、FeMnSi状态 存在，在高碳硅钢中有一部分以SiC状态存在，有 时形成固溶体或硅酸盐。硅能增强钢的硬度、强 度和弹性，并提高钢的抗氧化能力及耐酸性。硅 还能促使碳游离为石墨状态，使钢铁富于流动性， 易于铸造。含硅12%~14% 的铁合金称为硅铁； 含硅12%、锰20%的铁合金称为硅镜铁，主要用 作炼钢时的脱氧剂。 （五）锰 锰在钢铁中主要以MnC、MnS、FeMnSi或固 溶体状态存在。锰也能增强钢的硬度、减弱展性。 锰的质量分数为0.8%~14%的各种型号的高锰 钢，具有良好的弹性和耐磨性；锰的质量粉数为 12%~20%的铁合金称镜铁；锰质量分数为 60%~80%的铁合金称锰铁。后两种铁合金主要 用作炼钢时的脱硫剂。
3 FeS 5 O 2 Fe 3 O 4 3 SO 2
3 MnS 5 O 2 Mn 3 O 4 3 SO 2
燃烧产生的混合气体，经除二氧化硫后收集于量气管中，然 后以碱性溶液吸收二氧化碳，吸收前后体积之差为二氧化碳的 体积，由此可计算出试样中碳的含量。
仪器装置中
4中装有碱性高锰酸钾溶液；
（二）钢 白口铁经进一步冶炼，使碳的质量分数降低至 0.05%~1.7%之间，并使硅、锰、硫、磷含量达到所规定的 要求，所得到的产品即为钢。钢与生铁的主要区别在于它们的 含碳量不同。 钢可分为碳素钢和合金钢。 碳素钢主要是铁和碳两元素的合金，其他元素含量较少。根据 含碳量的不同，碳素钢可分为： ①低碳钢：碳的质量分数为0.05%~0.025%。 ②中碳钢：碳的 质量分数为0.25%~0.60%。 ③高碳钢：碳的质量分数＞0.60％。 为了改变钢的性能，以适应某些特殊用途，可通过加入其他 元素如镍、钨、铬、钛、钼、钒等，或加入较一般碳素钢比例 大的硅、锰等，这种类型的钢称为合金钢。 （三）铁合金 铁合金是指含有炼钢时所需的各种合金元素的特种生铁，可 用作炼钢时的脱氧剂或合金钢的元素添加剂。
二、钢材分析试样的采集 （一）大断面钢材取样 对大断面钢材的初轧坯、方坯、扁坯、方钢、锻 钢件等： 1、其样屑应从钢材的整个横断面或半个断面刨取； 2、以钢材横断面中心至边缘的中间部位（或对角线 四分之一处）平行于轴线钻取； 3、以钢材侧面垂直于轴中心钻取。其钻孔深度应达 到钢材或钢坯的轴心处。 4、对大断面的中空锻件或管件，应从管壁外表面的 中间部位钻取，或在端头整个横断面上刨取。
5中装有硫酸； 6中装无水氯化钙（干燥剂）； 8中附有热电偶与温度自动控制仪； 10中装有粒状钒酸银（脱硫剂），也可用活性二 氧化锰代替； d吸收瓶内装氢氧化钾溶液； c为水准瓶，内装酸性氯化钠溶液； 13为瓷舟，在测定之前要在高温炉内（1000℃） 灼烧1h，冷却后放入干燥器中保存。
（三）分析步骤
（二）硫 硫在钢铁中以MnS和FeS状态存在。FeS熔点低， 被夹杂于钢铁的晶粒之间，当加热压制钢铁时，FeS 熔融，钢铁的晶粒失去连接作用而碎裂，这是硫使钢 铁产生的“热脆性”的原因。硫的存在，也降低了钢 铁的机械性能，特别是钢的疲劳极限、塑性和耐磨性 等，同时对钢的耐腐蚀性、可焊性也有不利的影响， 因此，硫是钢铁中的有害元素之一。钢铁中硫的质量 分数规定不得超过0.05%。 （三）磷 磷在钢铁中是以固溶体、磷化物（Fe2P、Fe3P） 及磷酸盐夹杂物状态存在。磷化铁硬度较大，以致使 钢铁难于加工，并使钢产生“冷脆性”，所以，磷也 是钢铁中的有害物质之一，应控制其质量分数不大于 0.06%。
气体容量法：
（一）原理
将钢铁试样在高温（1200~1300℃）下通氧燃烧，此时化 合碳与游离碳均被氧化生成二氧化碳，同时硫被氧化成二氧化 硫： C O 2 CO 2
4 Fe 3 C ຫໍສະໝຸດ 13 O 2 4 CO 2 6 Fe 2 O 3
Mn 3 C 3 O 2 CO 2 Mn 3 O 4
第四章 钢铁分析
第一节 概述


钢铁是工业的支柱，国民经济的各项建 设都离不开钢铁。为了保证钢铁的质量， 对用于生产钢铁的各种原料、生产过程 的中间产品以及产品（如各种钢材）有 关成分的测定有着重要的意义。 钢铁分析是研究钢铁工业中有关分析测 定的原理和方法，是分析化学的理论和 实践在钢铁生产中的具体应用。
一、钢铁的分类
（一）生铁 1、生铁：铁矿石、焦碳、石灰石按一定比例混合， 经高温锻烧，则铁矿石被焦碳还原，生成生铁。生铁 含碳量一般为2.5%~4%。 2、根据生铁中碳的存在形式不同，可分为白口铁和 灰口铁。 1）白口铁：当碳以化合形式存在时，生铁剖面暗白 色，称白口铁。其性能硬且脆，难于加工，主要用于 炼钢； 2）灰口铁:当碳以游离态的石墨碳形式存在时，生铁 剖面带灰色，称为灰口铁。其硬度低、流动性大，便 于加工，主要用于铸造。
SO 2 H 2 O H 2 SO 3

3 H 2 SO 3 IO 3 3 H 2 SO 4 I
IO 3 5 I


6H

3 I 2 3 H 2O
（二）仪器
该法定硫装置中的供氧、燃烧部分与碳的测定相同， 而滴定部分如下图。
（三）测定步骤