冶金工程专业.pdf
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1、 1 冶金工程专业冶金工程专业 实实 验验 指指 导导 书书 (包括综合性、设计性实验)(包括综合性、设计性实验)冶金与生态工程学院冶金与生态工程学院 2 目目 录录 1 1 高温综合实验高温综合实验 -6 6 1.1 实验目的-6 1.2 实验设备-6 1.3 实验内容及步骤-6 1.3.1 了解电阻丝炉的结构-6 1.3.2 电阻丝炉的设计-8 1.3.3 电阻炉的制作-11 1.3.4 温度的测量-13 1.3.5 铜液定氧-15 1.4 实验报告-17 1.5 作业-17 2 2 物相综合研究物相综合研究 -1818 2.1 实验的目-18 2.2 实验设备及原理-18 2.2.1 金
2、相显微镜结构和物相分析原理-18 2.2.2 岩相显微镜构造及物相分析原理-20 2.2.3 扫描电子显微镜-22 2.2.4 X 射线衍射物相分析-22 2.3 实验内容及步骤-24 2.3.1 钢中非金属夹杂物的金相鉴定-24 2.3.2 炉渣和烧结矿的矿相分析-25 2.3.3 利用扫描电镜和能谱仪对钢中夹杂物和矿相进行分析及测定-27 2.4 实验报告要求-27 2.5 思考题及作业-28 3 3 铁矿石冶金性能综合实验铁矿石冶金性能综合实验 -3030 3.1 实验目的-30 3.2 实验内容-30 3.3 实验设备及操作-30 3.3.1 铁矿石 900间接还原性能 RI 检测实验
3、-30 3.3.2 铁矿石 500低温还原粉化性能 RDI 检测实验-32 3.3.3 球团矿 900还原膨胀 RSI 性能检测实验-33 3.3.4 块矿热裂性能检测实验-33 3.3.5 铁矿石荷重还原软化温度测定实验-34 3.3.6 焦炭反应性及反应后强度-35 3.4 附:气体的制备与净化-36 3.5 铁矿石冶金性能实验报告要求-37 4 4 熔点粘度测定实验熔点粘度测定实验 -3838 4.1 实验目的-38 3 4.2 实验内容-38 4.2.1 炉渣熔化温度的测定-38 4.2.2 熔体粘度测定-40 4.3 设备与操作-42 4.4 实验报告要求-44 4.5 思考题-44
4、 5 5 冶金过程水模拟冶金过程水模拟 -4545 5.1 实验目的-45 5.2 实验基本原理-45 5.2.1 相似准数分析-46 5.2.2 实验参数确定-47 5.3 实验装置-47 5.4 实验方法-48 5.5 流场显示技术-48 5.6 实验优化准则及实验方案-48 5.6.1 实验优化准则-48 5.6.2 实验方案-50 5.7 实验步骤-51 5.7.1 测量仪器准备-51 5.7.2 实验设备准备和数据采集-51 5.7.3 数据处理-52 5.8 实验报告要求-52 6 6 冶金过程数值模拟冶金过程数值模拟 -5353 6.1 实验目的-53 6.2 实验原理及设备-5
5、3 6.3 实验内容及步骤-54 6.4 实验报告-56 7 7 粉体综合性能实验粉体综合性能实验 -5757 7.1 实验目的-57 7.2 实验内容-57 7.2.1 煤的可磨性指数测定方法(哈德格罗夫法)-57 7.2.2 煤粉的爆炸性测定-58 7.2.3 煤炭着火点的测定-59 7.2.4 粉体的粒度分析-60 7.2.5 粉体流动性指数及喷流性指数测定-61 7.3 实验报告-68 7.4 思考题-68 8 8 电化学综合实验电化学综合实验 -6969 8.1 实验目的-69 8.2 实验原理和设备-69 4 8.3 实验步骤-70 8.4 实验报告-71 8.5 思考题-71 9
6、 9 差热分析差热分析 -7272 9.1 实验目的-72 9.2 实验原理和设备-72 9.2.1 实验原理-72 9.2.2 实验设备-74 9.3 实验内容-74 9.4 实验步骤-75 9.5 实验报告-75 9.6 思考题-75 1010 高炉气体力学电模拟试验高炉气体力学电模拟试验 -7676 10.1 实验目的-76 10.2 实验原理及设备-76 10.3 实验步骤-78 10.4 实验报告要求-80 11 11 有色金属电解综合实验有色金属电解综合实验 -8181 11.1 实验目的-81 11.2 实验内容-81 11.2.1 铝电解实验-81 11.2.2 锌的电极电位测
7、定-83 11.2.3 硫酸锌溶液电沉积-84 11.3 实验报告要求-87 12 X12 X 射线衍射分析实验射线衍射分析实验 -8888 12.1 实验目的-88 12.2 实验原理及设备-88 12.3 实验步骤-88 12.4 实验报告-89 12.5 思考题-90 1313 感应炉炼钢热模拟实验感应炉炼钢热模拟实验 -9191 13.1 实验目的-91 13.2 实验原理-91 13.3 实验装置和实验步骤-92 13.4 实验报告要求-93 13.5 实验中要注意的问题-93 13.6 思考题-94 14 14 扫描电镜物相分析扫描电镜物相分析 -9595 5 14.1 实验目的-
8、95 14.2 扫描电镜的构造和工作原理-95 14.3 实验内容-95 14.4 实验步骤-95 14.5 实验报告要求-95 15 15 分离提取实验分离提取实验 -9696 15.1 实验目的-96 15.2 实验原理-96 15.3 实验内容及步骤-96 15.4 实验要求-98 15.5 附录-99 15.6 思考题-99 1616 导热系数测定实验导热系数测定实验 -100100 16.1 实验目的-100 16.2 实验内容-100 16.2.1 非金属测试部分-100 16.2.2 金属测试部分-101 16.3 实验设备-102 16.4 实验报告要求-102 17 17 动
9、量传输综合实验动量传输综合实验 -103103 17.1 实验目的-103 17.2 实验内容-103 17.2.1 雷诺实验-103 17.2.2 沿程阻力与局部阻力实验-104 17.2.3 柏努利实验-105 17.3 实验装置及操作步骤-106 17.4 实验报告要求-108 18 18 铁矿粉烧结实验铁矿粉烧结实验 -109109 18.1 铁矿粉烧结实验的意义及目的-109 18.1.1 实验意义-109 18.1.2 烧结原理-109 18.2 烧结实验设备-110 18.3 实验方法及实验步骤-110 18.3.1 实验方法-110 18.3.2 实验步骤-111 18.4 实
10、验数据处理-111 18.5 思考题-112 18.6 实验记录表格-113 6 1 1 高温综合实验高温综合实验 【实验性质】综合性实验;学时:4 1.11.1 实验目的实验目的 在冶金和冶金物理化学实验研究中,许多工作多是在高温条件下进行的,掌握获得高温的基本知识及其测量方法是十分重要的。另外,实验中有时也需要自己制作高温设备,因此,要求我们要有一定的动手能力。本实验综合了冶金、有色等学科的知识,实验目的如下:(1)了解高温炉的结构、电热体、加热原理;(2)了解热电偶的测温原理、测温方法、高温炉恒温带的测量;(3)了解气体净化方法和原理、高温炉内气氛控制的方法;(4)了解固体电解质定氧电池
11、的工作原理;定氧探头的制作、铜液定氧的方法、定氧数据的处理计算;(6)提高学生的动手能力、综合运用知识的能力。1.21.2 实验设备实验设备 一般称获得高温的设备叫高温炉,现在试验使用高温炉的能源几乎多是电能。所以又称电炉,根据加热方式的不同,又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等等。其中用得比较多的是电阻炉。在电阻炉中又分为管式炉、坩埚炉、马拂炉等。而我们多用管式炉,它应满足我们的要求,足够高的温度,合适的温度分布,炉温容易控制和测量,炉体结构简单容易制作,炉膛容易密封和控制气氛的调整。有了高温炉,可以做定氧实验,测量铜液中氧的含量,分析铜样品质。在本实验中要用到如下设备:(1)SIC 电热体高温
12、炉;(2)PtRh10-Pt 单铂铑热电偶,热电偶保护管,数字毫伏表;(3)氩气脱水、脱除 CO2 用干燥瓶,氩气脱氧用管式炉:(4)固体电解质锆管、Mo/MoO 粉、Mo 丝导线高温水泥、烘箱、坩埚、氧电势毫伏记录仪;1.31.3 实验内容及步骤实验内容及步骤 1.3.1 了解电阻丝炉的结构了解电阻丝炉的结构 管式炉分立式和卧式,但结构基本一致。如图 1-1 所示 保保 温温 棉棉炉炉 管管保保 温温 棉棉 图 1-1 管式炉炉体结构 7 它主要由电热体和绝热材料两部分组成,电热体是用来将电能转换成热能,绝热材料起保温作用。使炉膛达到要求的温度并有合适的温度分布,此外,炉体还包括炉管、炉架、
13、炉壳、接线柱等。炉管用于放置试料,炉壳内容纳绝缘材料,炉架支撑炉体,接线柱用接通电源和电热体连接。电阻炉是一个将电能转换成热能的装置,当电流 I 流过电阻 R 的导体时,经过时间 t 便可产生热量 Q:Q=0.24I2Rt (cal)(1-1)可见通过控制 I、R、t、即可达到控制发热体的目的。为此就要合理地选用电热体,另一方面,即使电热体能发出足够的热量,电炉能否达到足够高温,这很大程度上取决于电炉的散热情况。实际上,电炉的温度取决于炉子的供热和散热。因此炉子的保温能力非常重要,采用保温材料,减少热量损失是必要的措施。电热体一般分为金属和非金属两大类。在金属电热体中常用的有铁铬铝合金和镍铬合
14、金、铂-铑、钼、钨、钽电热体。非金属的有石墨电热体和碳化硅电热体。(1)铁铬铝合金电热体 目前国产的有三种牌号:Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4,其合金性能见表 1-1,他们适用于 1000-1300的温度范围内,。他们抗氧化、易加工、电阻大,电阻温度系数小,价格低廉。在高温下能生成 Cr2O3 的致密的氧化膜,阻止空气对合金的进一步氧化,但不宜再还原气氛中使用,还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触,以免破坏保护膜。这种电热体的主要缺点是高温强度低,经高温后丝由于晶粒长大而变脆。(2)镍铬合金电热体 这类合金电热体适用于 1000以下的温度,其型号为 Cr20
15、Ni80、Cr15Ni60,其性能见表 1-1。此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性,在高温下能生成 Cr2O3 或 NiCr4 氧化膜,但不宜再还原气氛中使用。Ni-Cr 合金经高温使用后,只要没有过烧仍然很柔软。表表 1 1-1 1:NiNi-Cr,FeCr,Fe-CrCr-AlAl 合金性能合金性能 合金种类 成 份wt Cr 成份wt Al 成 份wt Ni 成 份wt Fe 比重 20电阻系数/m 熔点 电阻温度系数 1/导 热 系数KJ/m.h 热膨胀系数 1/最高使用温度 常温加工性能 Cr25Al5 23-27 4.5-6.5 余量 7.1 1.45 1500(3-4)*1
16、0-5 60.25 15*10-6 1200 裂纹 Cr17Al5 16-19 4-6 余量 7.2 1.3 1500 6*10-5 60.25 15.6*10-6 1000 裂纹 Cr13Al4 13-15 3.5-5.5 余量 7.4 1.26 1450 15*10-5 60.25 16.5*10-6 850 裂纹 Cr20Ni80 20-23 75-78 余量 8.4 1.11 1400 8.5*10-5 60.25 14*10-6 1100 良好 Cr15Ni60 15-18 55-61 余量 8.15 1.1 1390 14*10-5 45.19 13*10-6 1000 良好(3)
17、耐火材料和保温材料 为了获得稳定的高温必须具备两个条件,一是要有电热体即热源,二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。耐火材料:在高温炉中,炉膛适用耐火材料作的,对耐火材料的要求是;耐火度高、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。表 1-2 列出了实验室常用的耐火材料主要物理性能。刚玉管和碳化硅管是我们常用的。保温材料:为了减少热损失和增加炉温的稳定性,常常在炉壳内填入保温材料,他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。按温度使用可分为 A 高温大于 1200,B 900-1000,C 低于 900三大类,有关材料见表 1-3。8 高温保温材料常用的有轻
18、质粘土砖(1150-1400),轻质硅砖不大于(1500),轻质高铝转不大于(1350)。中温的保温材料常用的有轻质珍珠岩和蛭石。低温保温材料有石棉、矿渣棉等,石棉是很普通的隔热材料,其化学成分为含水硅酸镁,矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维,现在最好的保温材料是一种高铝纤维棉,它质轻柔软似棉花,保温箱能很好。表表 1-2:实验室常用耐火材料:实验室常用耐火材料 材料名称 耐火度 荷重软化点(2Kg/cm 2)使用温度 体积密度(g/cm3)主要用途 石墨制品 3000 2000 1.6 高温电阻炉耐温部件 硅砖 1690-1710 1620-1650
19、1000-1630 1-9 电阻炉炉膛内层 耐火黏土砖 1610-1730 1250-1400 1400 1.8-2.2 电阻炉炉底用砖 高铝砖 1750-1790 1400-1550 1650-1670 2-3.2 电阻炉炉膛内层 刚玉制品 2000 1240-1850 1600-1670 2.96-3.10 高温电阻炉耐火部件 镁砖 2000 1470-1520 1650-1670 2.5-2.9 电阻炉炉膛内层 轻质粘土砖 1670-1710 1200 1200-1400 0.4-1.3 电阻炉炉膛内层 硅藻土砖 1280 900-950 0.45-0.65 表表 1-3 实验室常用保温
20、材料性能实验室常用保温材料性能 材料名称 容量(Kg/m3)最高使用温度 主要用途 硅藻土砖、管、板 50050 900 电阻炉保护层 膨胀蛭石 100-300 1000 电阻炉保温层填料 石棉板 1150 600 电阻炉炉底、炉壳、顶等,密封材料 矿渣棉 150-180 400-500 电阻炉保温层填料 矿渣棉砖、管、板 350-450 400-500 电阻炉保温层材料 磷酸盐珍珠岩制品 220 1000 电阻炉保温层材料 玻璃纤维 300 750 低温电阻炉保温层填料 1.3.2 电阻丝炉的设计电阻丝炉的设计 在实验室中,根据各种需要设计制作的电炉多为小型管式炉,功率一般在 10KW 左右
21、。这里所讲的设计主要包括功率的确定,电热体的选择,耐火材料和保温材料的选择。(1)电阻炉功率的确定 电炉功率是从能量角度衡量电炉大小的指标。实际上,由于电路散热条件的复杂性,要想从理论上确定炉子的功率消耗和炉子在一定功率输入下所能达到的温度是非常困难的。故一般都靠一些经验或、半经验的方法辅助能量平衡的基本概念来确定。对于一个圆形炉膛来说,首先求出欲加热炉管部分内表面积。假设炉子为中等保温程度,则可由表 1-4 的经验数据查出每 100cm2 加热内表面积所需的功率瓦数,然后乘以被加热炉膛内表面积,即可得到需要的功率。表表 1 1-4 4:不同温度下每:不同温度下每 100cm2100cm2 炉
22、管表面所需功率炉管表面所需功率 温度 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 功率 w 80 100 130 160 190 220 260 300 9 示例:由炉管内径为 10cm,加热部分长为 80cm,预计加热到 1100,求在中等保温情况下炉子所需功率。首先算出被加热炉膛的内表面积:S=*D*L=3.14*10*80=2513(cm2)(1-2)由表 1-4 查出 1100时,每 100cm2 炉膛表面积所需功率=220w,所以上述炉管的总功率:)(5.51002513*220100kwspP总 (1-3)用这种经验办法计算小型电炉所需功率,虽不十分严格
23、,但实践证明还是很适用的。(2)电热体的计算 根据炉膛所要达到的最高温度和炉子的工作气氛决定电热体的种类。例如要制作一台在空气中最高使用温度为 1100的电炉,则可选用 Cr25Al5 电热丝为发热体,但必须明确,电热元件的最高使用温度是指电热体在干燥空气中表面最高温度。并非只炉膛温度。由于散热条件不同,一般要求炉膛最高温度比电热体最高使用温度低 100左右为宜。另外,还必须明确,电热体表面负荷是指电热体在单位表面积所承担的炉子的功率数。在一定的炉子功率条件下,电热体表面负荷选的大,则电热体用量就少,但电热体表面负荷越大,其寿命越短,所以选择要适当。表 1-5 为 Fe-Cr-Al 和 Ni-
24、Cr 电热体的表面负荷值,它是电热体计算的重要参数。在进行电热体计算时,为了使用安全,电热体允许表面负荷一般取下线,为了留出电压可调余地。工作电压通常以 200v 计算。下面,以电阻丝炉为例说明计算步骤:炉管尺寸为 100*110*1000mm,要求炉膛温度 1100,电压 220v,氧化性气氛,炉体中等保温,加热带长度 800mm,求电阻丝长度和直径。1)加热带面积的计算 加热带内表面积 S=*D*L=3.14*10*800=2513cm2 (1-4)功率的计算 由表 1-4 查出,1100时,每 100cm2 炉管面积所需功率 p=220w,所以电炉所需功率:)(5.51002513*22
25、0100kwspP总 (1-5)2)电热体及其参数的确定 根据要求和表 1-1,可选择 Cr25Al5 铁铬铝丝为电热体,再根据表 1-5,Cr25Al5 电热体在 1100时准许的表面积负荷为 10w/cm2。由表 1-1 查出 Cr25Al5 在 20时的比电阻Po=1.45*mm2/m,温度系数=(3-4)*10-5/,因此 1100时的比电阻 mmmtp/51.1)1100*10*41(*45.1)1(250 (1-6)电热丝直径的计算:电热丝直径的计算:对圆线电热丝来说,其直径可按式(1-7)计算:32225*10*4wvpdt (1-7)式中:t在工作温度 t 时的比电阻 *mm/
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