冶金试验研究方法期末复习资料
2015年11月13日
考试形式与范围
考试形式：
判断题：
不定项选择题：
简答题：
计算题： 10题10分； 10题20分； 6题30分； 4题40分。
考试范围：
绪论
试验设计
误差分析与数据处理
温场获得与测量
气体净化及气氛控制
真空技术
固体电解质电池及其应用
冶金材料物性测定
电化学研究方法
※回归试验、化学平衡、检测技术和论文撰写不考。
一、绪论
1. 研究工作的阶段划分及特点
（1）实验室试验的特点：
①规模小，测试手段先进，可采用小型标准设备（仪器）。其数据易于采集和处理。
②条件容易控制，干扰因素较少，操作严格，试验结果的准确度高。
③试样的物相组成及物理化学性质波动不大，试验数据重现性好。
④分批试验，机动灵活，可在较大范围内进行探索。
（2）扩大实验室试验特点：
①大部或全部是连续操作，较接近工业生产要求；
②规模较大，运行时间较长；
③各环节之间的相互影响暴露得较充分，试验结果的可靠性更高；
④原材料消耗较大，费用较高。
（3）半工业试验：
半工业试验设备应为生产设备的雏形或一个生产单位的雏形，应要求操作连续化、机械化或自动化，并配备将来工业生产设备同样需要的控制仪表。
2. 研究工作的程序
二、试验设计
1. 试验设计
是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内在规律，根据实验中的不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的过程。是以概率论与数理统计学为理论基础，以达到经济、科学地安排试验的目的（正交设计法、优选法、均匀设计法等）。
2. 0.618法（黄金分割法）
例：在某一生产工序中，需加入一种原料，其适宜加入量为1000～2000克，问最佳加入量是多少？
解：
若采用均匀试验法，间隔5克做一次试验，需做199次。但用0.618法只需做11次，具体做法如上图。
具体步骤如下：
先在1000～2000克之间的0.618(1)及其对称点0.382(2)处做第一组试验，其加入量分别为1618克和1382克。 比较两点的结果，若(1)比(2)好，则删去小于1382克部分；
再在1382～2000克之间做1618的对称点的试验，其加入量为1764克。(2000-1382) × 0.618 = 381.924 + 1382 = 1763.924g
比较(1)和(3)的结果又可删去一部分，依此类推。
这样每次都可去掉试验范围的38.2%，试验范围逐步缩小，经过11次试验就可求出最佳加入量. 反之不用优选法，需要做199次才能求出最佳点，而与11次优选试验等效。
3. 正交试验设计
正交试验设计是利用已经造好的表格（正交表）安排试验和进行数据分析的一种方法。它适用于多因素的条件试验，可从少数的试验中判断影响因素的主次，可确定出较好的组合方案及进一步试验的方向。
特点：均匀分散，整齐可比。
正交实验设计的基本工具是正交表。常用的正交表有L 8(27) 、L 12(211) 、L 9(34) 、L 27(313) 、L 16(45) 、L 8(4×24) 、L 18(2×37) 等。各数码意义如下：
因子（因素）：对试验指标可能会产生影响的原因称为因子，也可称为因素；
水平：在试验中因子所选取的具体状态称为水平；
L 8(27) ：正交表最多可以安排7因子二水平试验，共做八次。
L 9(34) ：正交表最多可安排8因子3水平共做9次试验。
因子水平表
4. 极差分析与方差分析的比较
极差分析方法简单，只需少量计算，经综合比较就可得到较优的组合方案。但该法没有考虑误差，也没有一个标准定量地判断因子的影响作用是否显著。而正交表的方差分析可以把因子水平变化引起试验数据间的差异同误差所引起试验数据的差异区分开来，并能定量的描述因子的影响作用是否显著。
5. 冶金常用方法：
优选法、正交试验设计、正交回归设计、混料回归设计、逐步回归设计、旋转回归设计等。
三、误差分析与数据处理
1. 误差的分类
误差有不同的分类方法，就其性质和产主的原因，可将误差分为系统误差、偶然误差和过失误差三种。
1）系统误差（恒定误差）
产生原因：①仪表未经校正；②测量方法不当；③化学试剂纯度不够；④观测者的习惯与偏见等而产生。 特点：恒偏于一方，数值的大小按一定规律变化或者固定不变，它决定了测量结果的准确性。
消除（使之减小）办法：①采用不同的实验技术或不同的实验方法；②改变试验条件；③调换仪器和试验人员；④提高化学试剂纯度。
2）偶然误差（随机误差）
产生原因：某些无法控制的偶然因素影响的结果；测量仪器灵敏度的有限性；温度、压力等无法控制的微小变化。产生的原因一般不详，因而无法控制，但用同一仪器在同样条件下，对一个量做多次测量，若观测次数足够多，则可发现偶然误差完全服从统计规律。
误差小的比误差大的出现几率大小相同，符号相反的正、负误差出现的几率近于相等。故误差出现的几率与误差大小有关，当没有系统误差时，无限多次测量结果的平均值可以代表真值。
可见误差超过±3σ出现的几率只有0.3%，因此多次重复测量中个别数据误差的绝对值大于3σ时，这个数值可以舍弃。
3）过失误差
是一种与实事不相符的误差，主要是由于粗枝大叶和操作不正确等原因所引起，如读错刻度、记录错误、计算错误等。此类误差无规律可寻，只要多加注意、细心操作就可避免。
2. 可疑观测值的舍弃
2.1. 拉依达3σ准则
当观测次数大于10次，可用3σ准则舍弃可疑值，其依据如图2所示。图中误差超过∓3σ的数据的几率小于0.3%，所以在一组较多的数据中，对偏差大于3σ的数据可以舍弃。
具体步骤是：首先算出一组数据的算术平均值和标准误差σ，然后比较是否大于3σ，若大于3σ即可舍弃，舍弃可疑值后再重新计算平均值和标准误差σ。
2.2. 乔文涅法则
在一组数据中，某数据与该组数据算术平均值的偏差大于该组数据或然误差的k 倍时，可以舍弃。K 值查表。
3. 试验数据的表示方法
试验数据的表示方法有列表法、作图法、方程式法三种。
1、列表法
列表法是将试验数据中的自变量与因变量的各个数值依一定的形式和顺序对应列出来。
优点：简单易作、形式紧凑、数据清楚、便于参考比较，同一表内可以同时表示几个变量间的变化而不混乱。 列表时一般包括表的序号、名称、项目、说明及数据来源等。
2、作图法
利用图形表达试验结果，实际上就是用形象来表达科学的语言。
优点：能清楚地显示研究结果的变化规律和特点，如极大值、极小值、转折点、周期性、数量的变化速率以及其他奇异性等；形式简明直观便于比较；如果曲线作得足够光滑，可对变数做微分和积分，有时还可利用图形外推求得难以用试验获得的值，用途极为广泛。
用途：(1) 求内插值；(2) 求外推值；(3) 作切线求函数的微商；(4) 求经验方程；(5) 求转折点和极值。
3、方程式法
用数学经验方程式表达试验结果时，不但方式简单，而且进一步试验设计和理论探讨可以提供依据和线索。数学经验方程式可用图解法和最小二乘法求得。对于多因素影响的函数式，可用正交回归、旋转回归、混料回归等方法求得。
四、实验室温场的获得与测量
1. 获得低温的方法
绝热膨胀；节流过程；低温液体减压；稀释致冷；磁冷却
2. 常用高温炉对比
3. 电阻炉结构
（1）炉壳：放有绝热材料
（2）保温材料层：放有保温材料
（3）炉衬：耐火材料为炉膛起保温作用，使炉膛达到要求的高温
（4）电热体：将电能转化成热能
（5）炉管：支撑发热体和放置试料
（6）炉架：支撑整个炉体重量
（7）接线柱：保证电源线与电热体安全连接
对于不同的实验要求，炉体还可能包括密封系统，水冷系统等。
4. 耐火材料的工作特性
耐火材料的工作特性也就是使用性能，其主要指标有耐火度、荷重软化点、化学稳定性和热稳定性、热导率和导电性。
①耐火度
耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能。耐火度仅代表耐火材料开始熔化至软化到一定程度时的温度。因为绝大多数耐火材料由多种成分的矿物组成，没有固定的熔点，而是在一定温度范围内熔化的，只有高纯氧化物耐火制品的耐火度和熔点才比较接近。
②荷重软化点
耐火材料在使用中多少要受到载荷和应力作用，当达到一定温度时，耐火材料内部组织局部开始熔化，机械强度会急剧减低。为了查清这类变化，对耐火材料样品施加一定压力并以一定升温速度加热，当耐火材料塌毁（以加压力方向收缩一定值作标志）时的温度称为荷重软化点。
荷重软化点表征耐火材料的机械特性，而耐火度表示其热性质。显然，耐火材料的实际使用温度不得超过荷重软化点，更不能超过耐火度。
③热稳定性
耐火材料在温度急剧变化条件下，不开裂、不破碎的性能叫热稳定性。
残存线膨胀收缩的起因：烧成中的矿物变化和物理变化而引起的容积变化还未结束时发生的。这个变化值大，往往使高温下耐火材料龟裂、脱落。一般热膨胀高的制品往往抗热震性较差。
④化学稳定性
耐火材料在使用过程中，在高温条件下均与一定的气相、凝聚相（如金属、炉渣）相接触，在这样的条件下，耐火材料能否稳定存在，对实验过程和耐火材料作用都有重大影响。
⑤热导率
耐火材料的热导率表示其导热能力的大小，用导热系数λ表示，单位为：J/(m·h·℃) 或W/(m·K) 。其数值为物体中单位温度降度（即1m 厚的材料两侧温度相差1℃时），单位时间内通过单位面积传导的热量。
耐火材料中矿物晶型变化将使热导率变化，最明显的例子是SiO 2，0℃时结晶的二氧化硅热导率要比石英玻璃高几倍。
⑥导电性
一般耐火材料中除碳质、石墨、碳化硅、粘土质、炭化硅制品外，在室温下都是不良电导体。随温度升高，大多数耐火材料导电性提高，电阻率下降。最明显的是氧化锆。
5. 耐火材料的结构特性
气孔率：气孔率高，抗渣铁浸蚀能力差；机械强度低，不能承重但导热性差，可作绝热保温材料。
透气性：与工作温度、气体特性和制品组织的均匀性等有关。为保证高温炉内的一定气氛，应选择透气性小的耐火材料。
6. 常见耐火材料的特点
冶金中常用的耐火材料：氧化物耐火材料；石墨和非氧化物耐火材料；其它耐火材料。
氧化物耐火材料：熔融Al 2O 3再结晶的刚玉制品；石英质品；MgO 制品；氧化钙制品；二氧化锆制品；
石墨和非氧化物耐火材料：石墨；碳化物；氮化物、硼化物、硫化物、硅化物耐火材料；
其它耐火材料：
6.1. 熔融Al 2O 3再结晶的刚玉制品
特点：化学稳定性、导热性、和电绝缘等性能均较好，不透气。高级制品由99.98%以上Al 2O 3制成。致密的刚玉制品具有良好的抗渣性、抗金属浸蚀性能。
使用温度：耐火度可达2000℃，其最高使用温度为1900℃，适用于300℃/min的升温速度。薄壁优质坩埚可由室温直接置于1600℃高温中而不炸裂。
应用：高温炉衬、电热体支架、炉管、热电偶保护套管、坩埚、坩埚座等。
6.2. 石英制品
石英玻璃是熔融SiO 2的过冷体，快冷得到的玻璃状石英。
特点：在单一氧化物中，石英玻璃的热膨胀系数最小。800℃以上，接近零。高温下，抗热震性好，透明，体积密度大，气孔率小，不透气，常用于真空系统。
使用温度：室温至1000℃或更高温度下能保持玻璃体性状，常压下使用温度为1240℃左右，短时间使用温度可达1700℃，但在1000℃以上快速结晶而失透。
缺点：它是指由介稳的玻璃态转变成结晶态，这种晶型转变多半是由石英玻璃表面粘附的杂质所促进的。此过程一旦开始，器皿会迅速损坏，在1000℃以上更容易进行。
应用：坩埚、真空炉管、插入式热电偶保护管等。
6.3. MgO制品
特点：耐火度高，在氧化气氛中使用温度比刚玉高，还原气氛下只能在1700 ℃以下使用。
使用温度：MgO 熔点为2800 ℃，由于Mg 蒸汽压大，真空条件下不宜超过1600 ℃－1700 ℃使用。氧化气氛比刚玉高。
应用：坩埚、炉管及热电偶的电绝缘材料。
缺点：易吸水而生成氢氧化物，可通过煅烧生成稳定的形态。
6.4. 氧化钙制品
特点：具有良好的抗金属性能。耐火度高，价格便宜。
使用温度：CaO 熔点2600℃，在1700℃以下其稳定性在氧化物中占首位。
应用：坩埚材料
缺点：CaO 易吸收空气中水分成为Ca(OH)2而损坏，另外也不容易烧结，故未能广泛使用。人们一直在寻找解决吸水问题的办法。
6.5. 二氧化锆制品
特点：烧结ZrO 2与某些氧化物结合，高温下有较高的导电性，可以作为高温炉的发热体。
使用温度：ZrO 2熔点为2700℃，系弱酸性氧化物，其耐火制品何种软化温度高于2000℃，经2200℃煅烧的ZrO 2具有较高强度和热稳定性。在氧化性或弱还原气氛下工作均较稳定，高温时使用性能比刚玉强，
应用：坩埚、炉衬及绝热材料。
6.6. 石墨
特点：石墨升华点高于4700℃，没有相变，热膨胀系数小，导热、导电率高，密度小，易加工，高温尺寸稳定，强度大，抗渣性好，所以在很多场合可充当优良的耐火材料。
应用：用碳作还原剂的熔融还原反应和被碳饱和的熔体反应时，可以用石墨坩埚；研究金属熔体和炉渣之间的反应可用石墨坩埚。如避免石墨碳参与反应，可以用钼片内衬套在石墨坩埚里。石墨可以作为电极或电热体。
使用的温度及气氛：石墨在中性或还原性气氛中是稳定的，在真空条件下可用到2000℃以上。
用石墨注意的问题：
缺点：石墨不能用于氧化性气氛
不反应：石墨不能与金属发生反应；金属不能腐蚀石墨坩埚；石墨不会对金属渗碳从而改变反应体系成分。
6.7. 碳化物
从热力学上讲，碳化物没有相应的氧化物稳定。有些碳化物在氧化性气氛下由于表面形成了一层氧化物薄膜，阻止了进一步氧化，因而可在氧化气氛下使用至一定温度。如SiC 在1000℃以下稳定是由于反应速度慢，在高于1140 ℃至1500 ℃稳定是由于生成了一层SiO 2保护膜。TiC 和ZrC 等在高温时同样可以形成氧化物保护膜。
很多碳化物在液态金属中有很大的溶解度，从而使金属玷污，故碳化物不适宜做液态金属的容器。
6.8. 氮化物、硼化物、硫化物、硅化物耐火材料
氮化物在高温时抗氧化能力较差，易被氧化形成氧化物。
硼化物的抗氧化能力不强，在高温下不适于在氧化性气氛下使用。硼化物在真空中的稳定性很高，在2500K 以上是唯一适合于真空下使用的耐火材料。
硫化物：硫和金属形成一系列高稳定性的硫化物。但是，硫化物的稳定性比相应的氧化物小。在氧化性气氛下高温时要氧化成氧化物。在氮气气氛下很少反应。因为其分解产物为气体硫，高温时离解压大，一般不适合在真空条件下使用。
硅化物：氧化性气氛中热力学不稳定，但以MoSi2为例，在氧化气氛中能形成一层二氧化硅保护膜，在空气中高温下直到熔点抗氧化性能很好。
6.9. 高熔点金属材料
实际应用中有钨（W ）、钼（Mo ）、铌（Nb ）、钽（Ta ）以及铂（Pt ）、铱（Ir ）、铑（Rh ）、钌（Rt ）。前四种易氧化，后四种抗氧化，可在氧化气氛中使用。钨熔点高达3337℃，高温下蒸汽压很低，可在真空、氮、氢或其它非氧化性气氛下稳定工作。钨坩埚一般用钨片在氩弧焊下制成，或用粉末冶金方法制成。钼熔点也较高，达2600℃，易加工成型，在非氧氛下工作温度可达2000℃，温度再高则易蒸发。钼坩埚用钼片在氩弧焊下制成。
7. 耐火材料的工作稳定性
7.1. 在氧化气氛中的稳定性
耐火氧化物大多是其金属元素的最高价氧化物，在高温氧化气氛下是稳定的。如果在分解或蒸发温度以下工作，其氧化气氛中的最高温度可以接近其耐火度（或熔点）。但碳素耐火材料是不稳定的。
7.2. 在H 2和CO 气氛下的稳定性
氧化物耐火材料能否与氢起作用，可以通过热力学计算作出初步判断。钢铁冶金实验温度一般不高于1727℃大多数耐火氧化物在氢气氛下是稳定的。但1727℃下，SiO 2与H 2作用的P H2O 蒸汽压稍高，其余氧化物的P H2O 都不高。
7.3. 在其它气氛下
Al 2O 3在N 2和HCl 气氛中是稳定的，在高温下与HF 气体发生反应生成AlF 3。含S 的气氛会微弱的腐蚀Al 2O 3。MgO 在N 2气氛下可稳定至1700℃以上，卤素和S 的气氛要腐蚀MgO 。
7.4. 在高温下的稳定性
在高温、真空条件下，耐火材料本身的稳定性减小。在真空冶金中，由于体系的压力很低，促使了氧化物的分解。不宜于用于2000K 以上的高温。
7.5. 耐火氧化物对碳的稳定性
（1）耐火氧化物被还原成金属的可能性。
在一个大气压，2000℃以下常用耐火氧化物中只有SiO 2、MgO 有被碳还原成金属的可能。SiO 2被还原是明显的。MgO 在标准状态压力下高温时虽较难被碳还原，但因生成的Mg 和CO 都是气体，所以随着气相压力的降低反应易于进行。所以在真空碳热还原金属氧化物时，不能用MgO 坩埚，而用石墨坩埚。
（2）耐火氧化物被C 还原成碳化物的可能性
大多数耐火氧化物在1500℃以上与碳接触时容易生成碳化物。如果反应生成的CO 不断地被排除，氧化物将不断地和碳反应生成碳化物。
7.6. 耐火氧化物对液态金属的稳定性
耐火氧化物在1000℃以上与液态金属接触时，金属易受污染，而耐火氧化物达到侵蚀。其反应通式如下
XO 固＋ Me 液 = MeO液 + X固液
在实际场合，由于炉内气氛对液态金属的作用，对耐火氧化物也有影响。如铁金属的氧化，生成的(FeO)对很多耐火氧化物都有侵蚀作用。因此必须注意炉内气氛的间接、直接作用。
7.7. 耐火氧化物对熔盐和炉渣的稳定性
高温下，很多耐火材料易被熔盐或炉渣所侵蚀。熔点在600℃以下：用硬质玻璃作容器，但氟化物熔盐能与SiO 2作用生成易挥发的SiF 4，应当用白金坩埚。在1100℃以上：碱金属、碱土金属、氯化物、溴化物和碘化物等熔盐，都可用Al 2O 3、MgO 、ZrO 2质容器，氟化物则用石墨容器。碱金属的硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐在高温下采用白金或石墨质容器。
8. 电热元件
电热元件的作用是把电能转化成热能，使被加热的样品达到所要求的温度，它决定炉子的工作能力和寿命。其性能包括：①最高使用温度；②电阻系数和电阻温度系数；③表面负荷及允许表面负荷。
分类：①金属电热体；②非金属电热体。 ← 注意使用温度和气氛
最高使用温度：最高使用温度（电热元件本身最高的承受温度）= 炉温 +（50~150℃）。炉膛的最高温度主要取决于电热元件的使用温度。
电阻系数：电阻系数又叫电阻率，是指电热体当温度在20℃，1m 长度的电热体1mm 2端面所具有的电阻值，其单位：Ω•mm2/m。
电阻温度系数：电热体的电阻随着温度变化而变化，衡量这个变化程度的叫电阻温度系数。可按下式计算：
ρt =ρ20(1+αt )
ρ20为电热元件在20℃的电阻率，；
α为电阻温度系数，℃-1；
t 为电热元件的工作温度，℃。
表面负荷及允许表面负荷：指电热元件单位工作面积上分担的功率。在一定电热炉功率条件下，电热元件表面负荷选得越大，则电热元件用量就越少。但电热元件表面负荷越大，其寿命越短。实际上，只有选择得当，才能得到最佳效果。 式中：
9 电热体的分类与特点
9.1. 金属电热体
①铬镍合金和铁铬铝合金
铬镍合金：铬镍合金的产品塑性好，具有抗氮能力，电阻系数、电阻温度系数、密度均较大。
铁铬铝合金：电阻系数比铬镍合金高，电阻温度系数则较低，密度也低，耐热性能好，可以在氧化气氛下使用。 要求：温度范围，可以在氧化性气氛中使用。二者可以在1000~1300℃范围内，空气中使用最多。它们抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小。
注意：它们抗氧化因为在高温下由于空气的氧化能生成Cr 2O 3或NiCrO 4阻止进一步氧化。
②钨、钼、钽（Mo 、W 、Ta ）纯金属电热体：可以在真空或适当气氛下获得更高的温度。其共同特点是电阻系数大，熔点高，抗氧化差（一般不能用在空气状态中）。
钼：钼的常用温度为1600～1700℃。由于钼在氧化气氛下生成氧化钼升华，在空气中不能使用，在渗碳气氛下易渗碳变脆电阻系数也较高。因此仅能应用在高纯氢和氨分解气、无水酒精蒸汽和真空中。
钨：熔点最高的金属，其熔点达到3400℃，最高使用温度为2500℃，常用温度为2200～2400℃。使用气氛为真空或经脱氧的氢气或惰性气体 ;
钽：熔点达到2900℃，一般用在真空和惰性保护气氛中（氮气中不能用）钽的最高使用温度：2200℃，常用温度：2000～2100℃。
③铂和铂铑合金（Pt, Pt-Rh）
铂：多用于微型电热炉中，如卧式显微镜的微型加热炉，测定冶金熔体熔点的小型电炉及标定热电偶的小型电路中，使用温度为1300~1400℃，铂铑合金丝则可用到1600℃。
铂电热体的优点：能经受氧化气氛，电阻系数小，升温导热快，电热性能稳定；
缺点：不能经受还原性气氛及硅铁硫碳元素的侵蚀，价格十分昂贵。
9.2. 非金属电热体
①碳化硅电热体
形状：常为棒状或管状，也有U 型及W 型。耐温度骤变性好，化学性能稳定，不与酸性材料反应；耐高温，在空气中常用温度为1450℃。SiC 电热体不能在真空和氢气气氛中使用。
如何延长其使用寿命：在使用过程中电阻率缓慢增大—老化，可以在1300 ℃将它浸于B 2O 3中并升温至1500℃，则其表面形成硼化膜，增加其使用寿命。）
②二硅化钼电热体
为何MoSi 2电热体可以在高温下，氧化性气氛中使用：因为在高温下，发热体表面生成MoO 3挥发出去，从而在发热体表面形成致密的SiO 2保护膜，阻止其进一步受到氧化。
“MoSi2疫”：在低温下（500～700℃）、空气中使用时，会产生二硅化钼疫，即Mo 被大量氧化而又不能形成SiO 2保护膜。因而要避免该情况下使用。
MoSi 2适用于空气，可用于氮气、惰性气体中，但不能用于还原性气氛和真空中可使用到1200～1650℃。没有“老化”现象，可以在空气中长时间使用而电阻率不变，这是其特有的优点。
③碳质电热体
以碳系发热体做热源的高温炉最高使用温度可达3600℃，常用温度为1800～2200℃。为防止高温氧化而烧毁，应在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）和真空中使用。
④铬酸镧（LaCrO 3）发热元件
铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分，在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件；其耗能少，可以精确控制温度。铬酸镧发热元件的优点是能够在大气气氛下使用到1900℃（表面温度），可获得1850℃的炉温；能在氧化气氛下长期使用。适合于高精度温度的自动化控制，其炉温稳定度可在1℃之内。
10 电热体重要参数
（1）元件最高使用温度：电热元件最高使用温度是指电热体在干燥的空气中表面的最高温度，并非指炉膛温度。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。
（2）电热体的表面负荷：电热体的表面负荷是指电热体在单位表面积上所承担炉子的功率数。在一定炉子功率条件下，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，实际上只有选择适当，才能得到最佳效果。对不同电热体，在一定条件下（散热条件、适用温度等）都规定有允许的表面负荷值。 11 电热丝的缠绕
为了维持较长而均匀的高温区，在炉子热损失大的地方要把电热丝缠的密一些。
卧式管式炉：两边密，中间疏。
竖式管状炉：底下密，上头疏。
12 管式电阻炉的设计制作
电热丝匝数的确定：
n =L 25m =≈132' πD 3.14⨯0.60m
其中：n —匝数；L —电热丝总长；D —炉膛外径。
该匝间距离是对于均匀缠绕而言的：
H h =≈3mm n
式中H 为加热带长度。对于炉子的不同使用方式（卧式或竖式）或对温度场的特殊要求，可以调整匝间距离。另外，边缘要留出引线余份。
炉管外涂层：炉丝绕好后，为了避免匝间短路，一般用Al 2O 3（不含SiO 2) 粉调水（稍加些淀粉）称糊状，涂在炉管外面，但不宜过厚，以免干裂脱落。涂层涂好后，先在空气中阴干，然后在烘箱烘干后便可装炉。
炉壳：可用薄铁板制做，为使保温均匀，形状以圆筒形为好。对于1000℃以下的炉子，炉壳内可直接填充保温材料。对于1200℃以上的电阻丝炉，在靠近电热体部分，应该有一层耐火材料，其外层为保温材料。对于1200℃左右的电阻丝炉，耐火层厚度约为50~70mm，保温层厚度为100~130mm。如果加入的耐火、保温材料均为粉料，则在二者应该使用耐火陶瓷管隔开，以免二者掺混后在高温下发生造渣反应。
关于恒温带的标定：在冶金实验研究中往往要进行恒温实验。但由于试样的大小，故要求炉膛内具有一定恒温精度的恒温带。所谓恒温带，是指具有一定恒温精度的加热带长度而言。因此，测出其长度的同时，应该指出其工作温度和恒温精度。
恒温带标定方法：将一支热电偶固定，其热端尽可能放在高温恒温带，另一支热电偶移动。以固定的热电偶为基准，将炉温升至常温温度水平上，恒定；而后移动可移动热电偶的位置上，测不同位置上的温度值，作曲线，并找出曲线中温度恒定段，从而标定出等温带。
13. 常见热电偶
13.1. 铂铑10—铂热电偶（S 型热电偶）
该种热电偶的正极为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。
特点：热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性、惰性气氛中连续长期使用。长期使用温度为1400℃。在所有的热电偶中，它准确度最高。其分度号为S 。
13.2. 铂铑13—铂热电偶（R 型热电偶）
该种热电偶的正极为含铑13%的铂铑合金，负极为纯铂。同S 型相比，它的电动势高15%左右，其他性能几乎完全相同。它的分度号为R 。
13.3. 铂铑30—铂铑6热电偶（B 型热电偶）
正极为含铑30%的铂铑合金，负极为为含铑6%的铂铑合金。因两极都为铂铑合金，又称双铂铑热电偶。 特点:在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略参考端变化的影响。适宜在氧化性或中性气氛下使用，也可以在真空下短期使用。长期使用温度1600℃，短期1800 ℃，不能直接用金属套管。
13.4. 镍铬—镍硅（镍铝）热电偶（K 型热电偶）
正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅0.3%的镍硅合金。
特点：适用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜。它目前用量最大的热电偶。它适于在氧化性及惰性气氛中使用。长期使用1000 ℃，短期使用1200 ℃，它的分度号为K 。
计算题
1. 某冶金反应的温度为600 ºC ~800ºC ，现用0.618法求其最佳反应温度，请确定前5个试验点（假定1#指标优于2#、3#指标优于1#、3#指标优于4#）。
2. 采用3因子3水平正交试验设计研究某反应的转化率，下表为试验结果，请进行极差分析及方差分析，确定各因子对转化率影响的显著程度并找出最优试验条件。
3. 已知炉管尺寸Ф50×60×600mm，要求炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为400mm 。求电热丝的直径与长度。
4. 设计一台小型电阻丝炉，炉管尺寸要求Ф60×70×800mm，炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为500mm 。
（1）选择电热体并画出炉子示意图； （2）求电热丝的直径与长度； （3）简述电阻炉制作过程；
（4）发热体如何绕在炉管上，以保证足够长和均匀的等温带； （5）选择合适的耐火材料和绝热材料。
5. (Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3,Cr(Pt) 在1883K 电池的电动势为E=20mV。已知：
设氧的溶解度服从亨利定律，求钢液中的氧含量。
6. 用固体电解质电池(Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3, Cr |(Pt) 测量钢液中的含氧量。1700ºC 时测得电池的电动势为17mV 。已知反应O 2 = 2[O]Fe的ΔG10＝-354300-5.77T J·mol -1，反应2Cr 2O 3 = 4Cr + 3O2的ΔG20＝2273870-513.37T J·mol -1。写出电池反应，并求出钢液中的氧的活度。
7. 欲用氢氧化钠水溶液电解法在标准状态下制取100升氢气。如果用1A 电流电解，需要多长时间？
8. 电解硫酸铜水溶液，以25mA 电流通电1小时，阴极上获得了27.5mg 铜。铜析出的电流效率是多少？
9. 纯铜插入0.01mol/L的硫酸铜水溶液中，铜离子的活度系数为0.4，计算此时铜的电极电位。
10. 在银离子活度为0.2，pH ＝2的硝酸银水溶液中，插入纯银。此时银电极的电位是多少？将该银电极与氢电极（P H2=100kPa）组成电池，计算氢电极的电位及该电池系统的电动势。
第六章
1.
2. 验漏：
将组装好的真空系统抽至一定压强后，关闭阀门，使其与真空泵断开。然后测量系统压强的变化，将所测压强对时间作曲线，可能出现四种情况，如图所示。
曲线A 说明该系统既不漏气，也不放气（系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。
曲线B 在开始时上升较快，而后呈饱和状，表明系统本身不漏气，但内部有放气源。 曲线C 呈直线上升，说明系统漏气。
曲线D 表明系统压强开始上升很快，而后变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况都存在。
第六章：
1. 简述固体电解质自由电子导电和电子空穴导电的原因，如何预防？
2. 三类传感器:
Ⅰ型传感器——电解质的传导离子就是待测物质的离子，定氧电池；
Ⅱ型传感器——传导离子物质不是待测物质，但它们的反应产物是固体电解质中活度恒定的组元； 电池可表示为：
(+) Au | Pt, SO2, SO3, O2 | Li2SO4(x=0.77)-Ag2SO4 | (Ag2SO4)(固溶体中), Ag | Au(-)。 负极反应(-) Li2SO4 + 2Ag = 2Li+ + (Ag2SO4)+2e 正极反应(+) SO3 + 1/2O2 + 2Li+ +2e = Li2SO4 电池反应：SO3 + 1/2O2 +2Ag = (Ag2SO4)。
Ⅲ型传感器——辅助电极型传感器。利用外加辅助电极使待测物质，与传导离子物质在电解质界面建立一个局部热力学平衡
(+)Mo | Mo + MoO2 | ZrO2(MgO) | ZrO2 +ZrSiO4 | [Si]Fe | Mo(-)
其中 (ZrO2 + ZrSiO4) 是点涂在固体电解质管外的辅助电极材料。
负极：2O2- + [Si] = (SiO2)SiSO4 + 4e，正极：MoO2 + 4e = Mo(s) + 2O2-。 电池反应为：。MoO2 + [Si] = (SiO2)SiSO4 + Mo(s)。
3.
第七章：
1. 硅胶的水饱和
硅胶的硅胶是以SiO 2为主的玻璃状物质，对水具有很强的吸附能力，硅胶为乳白色，为显示硅胶吸水程度，常用氯化钴溶液浸泡硅胶，干燥后成为蓝色的硅胶，随着吸水程度增加，含水氯化钴COCl 2·mH 2O 的颜色随着结晶水m 值的增加而变化：
m 0 1 1.5 2 4 6
当颜色变为粉红时，硅胶达饱和，应作更换或再生处理。 2. 选择干燥剂原则：
选择干燥剂时，首先要考虑它和待处理的气体之间有无反应。例如，KOH 、NaOH 、CaO 等不能用于酸性气体（如H2S 、SO2、CO2）的脱水。同样，P2O5、浓硫酸不能用于碱性气体（如NH3）的脱水。KOH 、NaOH 也不能用于氯气的脱水。其次，要注意将气体先经过干燥能力较弱的干燥剂，除去较多的水后，再经过干燥能力较强的干燥剂。 3.p2o5干燥剂
五氧化二磷是最强的干燥剂，吸水后会形成一系列化合物，如：：P2O5.H2O ，3P2O5.5H2O ，P2O5.2H2O ，P2O5.3H2O 等。这些化合物成粘稠状，附在P2O5的表面，妨碍它继续吸收水气，严重时会将干燥管堵塞。所以P2O5在气体干燥技术中不宜作为前级的干燥剂。只有当气体已经过脱水处理后仍含有微量水分需要进一步干燥时，才用P2O5作干燥剂。 4. 气体净化系统
第八章：
旋转柱体法装置是由两个半径不等的同心体（或圆筒）组成，如图8-3所示。外柱为空心圆筒（坩埚）。在内外柱体之间充以待测黏度的液体，当外力使二柱体之一匀速转动而另一柱体静止不动时，则在两柱体之间的径向距离上的液体内部出现了速度梯度，于是在液体内部便产生了内摩擦。由于内摩擦力作用，在旋转柱体上加一个切应力，利用测量此应力可计算液体的黏度值。
用旋转柱体法测量黏度要求： （1）体液应处于层流状态 （2）样品必须均匀
（3）液体与内外柱体间无滑动摩擦 （4）无化学反应
适于测定5～108Pa ·s 范围内高黏度的液体黏度，精度可达±5.2％。
所谓外旋转柱体，就是指盛熔体的坩埚旋转，故这种方法也称为坩埚旋转法。当外柱体以外力加一转矩使其以一定角速度w 转动时，则由于液体的内摩擦力而施加于内柱体以扭转力矩，使吊丝发生扭转。当内柱体所受的扭转力矩与吊丝的平衡扭矩相等时，则吊丝的扭转角度不变，可计算出液体黏度
扭摆振动法
对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。8-6是阻尼振动示意图。，用一根弹性吊丝，上端固定不动，下端挂一重物，成一悬吊系统。当绕轴线外加一力矩使吊丝扭转某一角度，去掉力矩后，则重物在吊丝弹性力作用下，绕轴线往复振动。若介质摩擦与吊丝自身内摩擦力不计，则系统做等幅的简谐振动，即每次振动的最大扭转角不变。若将重物深入液体中，上述振动状态受到液体内摩擦力的阻尼作用，迫使振幅逐渐衰减，直至振幅为零而振动停止。通过振幅测量计算对数衰减率是扭摆振动法测量液体黏度的基础。
包括柱体扭摆振动法、圆盘扭摆振动法、球体扭摆振动法、坩埚扭摆振动法
对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。
8-8是柱体扭摆振动法装置示意图。用一弹性吊丝，上端固定不动，下端悬挂惯性体、连杆和柱体，连杆上固定一反射镜。柱体插入盛在圆筒形坩埚的液体试料中，坩埚置于高温炉内加热到实验温度。用外力给悬吊系统以外力矩，使吊丝发生扭转，达一定角度后，去掉外力矩，柱体便在吊丝扭力、系统转动惯量和试料对柱体的黏制阻力作用下，作阻尼衰减振动。
可测的黏度的范围约为 0.005～180Pa ·s 。
圆盘扭摆振动法：此法适用于大部分液态金属和熔盐。测量时要特别注意连杆与液面接触处不应有氧化层与浮渣。
坩埚扭摆振动法：图8-9是坩埚扭摆振动法的装置示意图。在测定黏度时，用外力矩使悬吊坩埚扭摆启动，当振动达一定振幅后去掉外力矩，开始扭摆振动，由于熔体的内摩擦力作用，系统作阻尼振动，其对数衰减率与熔体黏度保持一定的关系，于是便可通过系统对数衰减率的测定，计算出熔体的黏度值。
黏度测量范围为0.lmPa ·s ～50mPa ·s 。
2. 四分法取样：
将0.5克左右的颗粒物质放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约0.01克为止。样品供透射显微镜观测，一般采用玻璃片制样。
PPT 中出现的全部课后题目
1. 某企业采用Hall –Héroult 工艺生产金属铝，若其电解槽的系列电流为400kA ，该系列共100台电解槽，设计电
流效率为92%，请计算该系列解槽的产能（年产铝量）
2. 在硫酸铜溶液中，用铂电极以0.1A 的电流通电10min ，在阴极上沉积的铜的质量是多少毫克？（铜的原子质量
为63.54）
A ．60；B. 46.7; C.39.8; D.19.8
3. 某冶金反应的温度为600 ºC ~800ºC ，现用0.618法求其最佳反应温度，请确定前5个试验点（假定1#指标优于
2#、3#指标优于1#、3#指标优于4#、）。
4. 采用3因子3水平正交试验设计研究某反应的转化率，表1为试验结果，请进行极差分析及方差分析，确定各
因子对转化率影响的显著程度并找出最优试验条件。
表1 转化率试验方案及结果
5. 用固体电解质电池(Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3, Cr |(Pt) 测量钢液中的含氧量。1700ºC时测得电池的电动势为17mV 。已知反应O 2=2[O]Fe的ΔG10＝-354300-5.77T J·mol -1，反应2Cr 2O 3=4Cr+3O2的ΔG20＝2273870-513.37T J·mol -1。写出电池反应，并求出钢液中的氧的活度。
6. 测定某矿中Fe 2O 3的重量百分含量列于表2，其中最后一个数值较其它值相差较大，问是否可以舍弃? （第三章课件）
9. 如有一炉管，内径3cm ，加热部分长40cm ，欲加热到800℃，求在中等保温情况下炉子所需功率。
10. 已知条件：炉管尺寸Φ50⨯60⨯600mm 。要求炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为400mm 。求电热丝的直径与长度。
11. 气体干燥剂选择的基本原则是什么？
12. 如何判断硅胶吸水已达饱和？
13. 试给出氩气、氮气、氢气的净化系统。
14. 简述固体电解质自由电子导电和电子空穴导电的原因，如何预防？
15. 图解说明特征氧分压的概念
16.CaF 2单晶电解质是氟离子导电，也可以测定氧或硫的分压，原因是什么。举例说明。
17. 欲用氢氧化钠水溶液电解法在标准状态下制取100升氢气。如果用1A 电流电解，需要多长时间？
18. 电解硫酸铜水溶液，以25mA 电流通电1小时，阴极上获得了27.5mg 铜。铜析出的电流效率是多少？
19. 纯铜插入0.01mol/L的硫酸铜水溶液中，铜离子的活度系数为0.4，计算此时铜的电极电位。
20. 在银离子活度为0.2，pH ＝2的硝酸银水溶液中，插入纯银。此时银电极的电位是多少？将该银电极与氢电极（P H2=100kPa）组成电池，计算氢电极的电位及该电池系统的电动势。
冶金试验研究方法期末复习资料
2015年11月13日
考试形式与范围
考试形式：
判断题：
不定项选择题：
简答题：
计算题： 10题10分； 10题20分； 6题30分； 4题40分。
考试范围：
绪论
试验设计
误差分析与数据处理
温场获得与测量
气体净化及气氛控制
真空技术
固体电解质电池及其应用
冶金材料物性测定
电化学研究方法
※回归试验、化学平衡、检测技术和论文撰写不考。
一、绪论
1. 研究工作的阶段划分及特点
（1）实验室试验的特点：
①规模小，测试手段先进，可采用小型标准设备（仪器）。其数据易于采集和处理。
②条件容易控制，干扰因素较少，操作严格，试验结果的准确度高。
③试样的物相组成及物理化学性质波动不大，试验数据重现性好。
④分批试验，机动灵活，可在较大范围内进行探索。
（2）扩大实验室试验特点：
①大部或全部是连续操作，较接近工业生产要求；
②规模较大，运行时间较长；
③各环节之间的相互影响暴露得较充分，试验结果的可靠性更高；
④原材料消耗较大，费用较高。
（3）半工业试验：
半工业试验设备应为生产设备的雏形或一个生产单位的雏形，应要求操作连续化、机械化或自动化，并配备将来工业生产设备同样需要的控制仪表。
2. 研究工作的程序
二、试验设计
1. 试验设计
是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内在规律，根据实验中的不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的过程。是以概率论与数理统计学为理论基础，以达到经济、科学地安排试验的目的（正交设计法、优选法、均匀设计法等）。
2. 0.618法（黄金分割法）
例：在某一生产工序中，需加入一种原料，其适宜加入量为1000～2000克，问最佳加入量是多少？
解：
若采用均匀试验法，间隔5克做一次试验，需做199次。但用0.618法只需做11次，具体做法如上图。
具体步骤如下：
先在1000～2000克之间的0.618(1)及其对称点0.382(2)处做第一组试验，其加入量分别为1618克和1382克。 比较两点的结果，若(1)比(2)好，则删去小于1382克部分；
再在1382～2000克之间做1618的对称点的试验，其加入量为1764克。(2000-1382) × 0.618 = 381.924 + 1382 = 1763.924g
比较(1)和(3)的结果又可删去一部分，依此类推。
这样每次都可去掉试验范围的38.2%，试验范围逐步缩小，经过11次试验就可求出最佳加入量. 反之不用优选法，需要做199次才能求出最佳点，而与11次优选试验等效。
3. 正交试验设计
正交试验设计是利用已经造好的表格（正交表）安排试验和进行数据分析的一种方法。它适用于多因素的条件试验，可从少数的试验中判断影响因素的主次，可确定出较好的组合方案及进一步试验的方向。
特点：均匀分散，整齐可比。
正交实验设计的基本工具是正交表。常用的正交表有L 8(27) 、L 12(211) 、L 9(34) 、L 27(313) 、L 16(45) 、L 8(4×24) 、L 18(2×37) 等。各数码意义如下：
因子（因素）：对试验指标可能会产生影响的原因称为因子，也可称为因素；
水平：在试验中因子所选取的具体状态称为水平；
L 8(27) ：正交表最多可以安排7因子二水平试验，共做八次。
L 9(34) ：正交表最多可安排8因子3水平共做9次试验。
因子水平表
4. 极差分析与方差分析的比较
极差分析方法简单，只需少量计算，经综合比较就可得到较优的组合方案。但该法没有考虑误差，也没有一个标准定量地判断因子的影响作用是否显著。而正交表的方差分析可以把因子水平变化引起试验数据间的差异同误差所引起试验数据的差异区分开来，并能定量的描述因子的影响作用是否显著。
5. 冶金常用方法：
优选法、正交试验设计、正交回归设计、混料回归设计、逐步回归设计、旋转回归设计等。
三、误差分析与数据处理
1. 误差的分类
误差有不同的分类方法，就其性质和产主的原因，可将误差分为系统误差、偶然误差和过失误差三种。
1）系统误差（恒定误差）
产生原因：①仪表未经校正；②测量方法不当；③化学试剂纯度不够；④观测者的习惯与偏见等而产生。 特点：恒偏于一方，数值的大小按一定规律变化或者固定不变，它决定了测量结果的准确性。
消除（使之减小）办法：①采用不同的实验技术或不同的实验方法；②改变试验条件；③调换仪器和试验人员；④提高化学试剂纯度。
2）偶然误差（随机误差）
产生原因：某些无法控制的偶然因素影响的结果；测量仪器灵敏度的有限性；温度、压力等无法控制的微小变化。产生的原因一般不详，因而无法控制，但用同一仪器在同样条件下，对一个量做多次测量，若观测次数足够多，则可发现偶然误差完全服从统计规律。
误差小的比误差大的出现几率大小相同，符号相反的正、负误差出现的几率近于相等。故误差出现的几率与误差大小有关，当没有系统误差时，无限多次测量结果的平均值可以代表真值。
可见误差超过±3σ出现的几率只有0.3%，因此多次重复测量中个别数据误差的绝对值大于3σ时，这个数值可以舍弃。
3）过失误差
是一种与实事不相符的误差，主要是由于粗枝大叶和操作不正确等原因所引起，如读错刻度、记录错误、计算错误等。此类误差无规律可寻，只要多加注意、细心操作就可避免。
2. 可疑观测值的舍弃
2.1. 拉依达3σ准则
当观测次数大于10次，可用3σ准则舍弃可疑值，其依据如图2所示。图中误差超过∓3σ的数据的几率小于0.3%，所以在一组较多的数据中，对偏差大于3σ的数据可以舍弃。
具体步骤是：首先算出一组数据的算术平均值和标准误差σ，然后比较是否大于3σ，若大于3σ即可舍弃，舍弃可疑值后再重新计算平均值和标准误差σ。
2.2. 乔文涅法则
在一组数据中，某数据与该组数据算术平均值的偏差大于该组数据或然误差的k 倍时，可以舍弃。K 值查表。
3. 试验数据的表示方法
试验数据的表示方法有列表法、作图法、方程式法三种。
1、列表法
列表法是将试验数据中的自变量与因变量的各个数值依一定的形式和顺序对应列出来。
优点：简单易作、形式紧凑、数据清楚、便于参考比较，同一表内可以同时表示几个变量间的变化而不混乱。 列表时一般包括表的序号、名称、项目、说明及数据来源等。
2、作图法
利用图形表达试验结果，实际上就是用形象来表达科学的语言。
优点：能清楚地显示研究结果的变化规律和特点，如极大值、极小值、转折点、周期性、数量的变化速率以及其他奇异性等；形式简明直观便于比较；如果曲线作得足够光滑，可对变数做微分和积分，有时还可利用图形外推求得难以用试验获得的值，用途极为广泛。
用途：(1) 求内插值；(2) 求外推值；(3) 作切线求函数的微商；(4) 求经验方程；(5) 求转折点和极值。
3、方程式法
用数学经验方程式表达试验结果时，不但方式简单，而且进一步试验设计和理论探讨可以提供依据和线索。数学经验方程式可用图解法和最小二乘法求得。对于多因素影响的函数式，可用正交回归、旋转回归、混料回归等方法求得。
四、实验室温场的获得与测量
1. 获得低温的方法
绝热膨胀；节流过程；低温液体减压；稀释致冷；磁冷却
2. 常用高温炉对比
3. 电阻炉结构
（1）炉壳：放有绝热材料
（2）保温材料层：放有保温材料
（3）炉衬：耐火材料为炉膛起保温作用，使炉膛达到要求的高温
（4）电热体：将电能转化成热能
（5）炉管：支撑发热体和放置试料
（6）炉架：支撑整个炉体重量
（7）接线柱：保证电源线与电热体安全连接
对于不同的实验要求，炉体还可能包括密封系统，水冷系统等。
4. 耐火材料的工作特性
耐火材料的工作特性也就是使用性能，其主要指标有耐火度、荷重软化点、化学稳定性和热稳定性、热导率和导电性。
①耐火度
耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能。耐火度仅代表耐火材料开始熔化至软化到一定程度时的温度。因为绝大多数耐火材料由多种成分的矿物组成，没有固定的熔点，而是在一定温度范围内熔化的，只有高纯氧化物耐火制品的耐火度和熔点才比较接近。
②荷重软化点
耐火材料在使用中多少要受到载荷和应力作用，当达到一定温度时，耐火材料内部组织局部开始熔化，机械强度会急剧减低。为了查清这类变化，对耐火材料样品施加一定压力并以一定升温速度加热，当耐火材料塌毁（以加压力方向收缩一定值作标志）时的温度称为荷重软化点。
荷重软化点表征耐火材料的机械特性，而耐火度表示其热性质。显然，耐火材料的实际使用温度不得超过荷重软化点，更不能超过耐火度。
③热稳定性
耐火材料在温度急剧变化条件下，不开裂、不破碎的性能叫热稳定性。
残存线膨胀收缩的起因：烧成中的矿物变化和物理变化而引起的容积变化还未结束时发生的。这个变化值大，往往使高温下耐火材料龟裂、脱落。一般热膨胀高的制品往往抗热震性较差。
④化学稳定性
耐火材料在使用过程中，在高温条件下均与一定的气相、凝聚相（如金属、炉渣）相接触，在这样的条件下，耐火材料能否稳定存在，对实验过程和耐火材料作用都有重大影响。
⑤热导率
耐火材料的热导率表示其导热能力的大小，用导热系数λ表示，单位为：J/(m·h·℃) 或W/(m·K) 。其数值为物体中单位温度降度（即1m 厚的材料两侧温度相差1℃时），单位时间内通过单位面积传导的热量。
耐火材料中矿物晶型变化将使热导率变化，最明显的例子是SiO 2，0℃时结晶的二氧化硅热导率要比石英玻璃高几倍。
⑥导电性
一般耐火材料中除碳质、石墨、碳化硅、粘土质、炭化硅制品外，在室温下都是不良电导体。随温度升高，大多数耐火材料导电性提高，电阻率下降。最明显的是氧化锆。
5. 耐火材料的结构特性
气孔率：气孔率高，抗渣铁浸蚀能力差；机械强度低，不能承重但导热性差，可作绝热保温材料。
透气性：与工作温度、气体特性和制品组织的均匀性等有关。为保证高温炉内的一定气氛，应选择透气性小的耐火材料。
6. 常见耐火材料的特点
冶金中常用的耐火材料：氧化物耐火材料；石墨和非氧化物耐火材料；其它耐火材料。
氧化物耐火材料：熔融Al 2O 3再结晶的刚玉制品；石英质品；MgO 制品；氧化钙制品；二氧化锆制品；
石墨和非氧化物耐火材料：石墨；碳化物；氮化物、硼化物、硫化物、硅化物耐火材料；
其它耐火材料：
6.1. 熔融Al 2O 3再结晶的刚玉制品
特点：化学稳定性、导热性、和电绝缘等性能均较好，不透气。高级制品由99.98%以上Al 2O 3制成。致密的刚玉制品具有良好的抗渣性、抗金属浸蚀性能。
使用温度：耐火度可达2000℃，其最高使用温度为1900℃，适用于300℃/min的升温速度。薄壁优质坩埚可由室温直接置于1600℃高温中而不炸裂。
应用：高温炉衬、电热体支架、炉管、热电偶保护套管、坩埚、坩埚座等。
6.2. 石英制品
石英玻璃是熔融SiO 2的过冷体，快冷得到的玻璃状石英。
特点：在单一氧化物中，石英玻璃的热膨胀系数最小。800℃以上，接近零。高温下，抗热震性好，透明，体积密度大，气孔率小，不透气，常用于真空系统。
使用温度：室温至1000℃或更高温度下能保持玻璃体性状，常压下使用温度为1240℃左右，短时间使用温度可达1700℃，但在1000℃以上快速结晶而失透。
缺点：它是指由介稳的玻璃态转变成结晶态，这种晶型转变多半是由石英玻璃表面粘附的杂质所促进的。此过程一旦开始，器皿会迅速损坏，在1000℃以上更容易进行。
应用：坩埚、真空炉管、插入式热电偶保护管等。
6.3. MgO制品
特点：耐火度高，在氧化气氛中使用温度比刚玉高，还原气氛下只能在1700 ℃以下使用。
使用温度：MgO 熔点为2800 ℃，由于Mg 蒸汽压大，真空条件下不宜超过1600 ℃－1700 ℃使用。氧化气氛比刚玉高。
应用：坩埚、炉管及热电偶的电绝缘材料。
缺点：易吸水而生成氢氧化物，可通过煅烧生成稳定的形态。
6.4. 氧化钙制品
特点：具有良好的抗金属性能。耐火度高，价格便宜。
使用温度：CaO 熔点2600℃，在1700℃以下其稳定性在氧化物中占首位。
应用：坩埚材料
缺点：CaO 易吸收空气中水分成为Ca(OH)2而损坏，另外也不容易烧结，故未能广泛使用。人们一直在寻找解决吸水问题的办法。
6.5. 二氧化锆制品
特点：烧结ZrO 2与某些氧化物结合，高温下有较高的导电性，可以作为高温炉的发热体。
使用温度：ZrO 2熔点为2700℃，系弱酸性氧化物，其耐火制品何种软化温度高于2000℃，经2200℃煅烧的ZrO 2具有较高强度和热稳定性。在氧化性或弱还原气氛下工作均较稳定，高温时使用性能比刚玉强，
应用：坩埚、炉衬及绝热材料。
6.6. 石墨
特点：石墨升华点高于4700℃，没有相变，热膨胀系数小，导热、导电率高，密度小，易加工，高温尺寸稳定，强度大，抗渣性好，所以在很多场合可充当优良的耐火材料。
应用：用碳作还原剂的熔融还原反应和被碳饱和的熔体反应时，可以用石墨坩埚；研究金属熔体和炉渣之间的反应可用石墨坩埚。如避免石墨碳参与反应，可以用钼片内衬套在石墨坩埚里。石墨可以作为电极或电热体。
使用的温度及气氛：石墨在中性或还原性气氛中是稳定的，在真空条件下可用到2000℃以上。
用石墨注意的问题：
缺点：石墨不能用于氧化性气氛
不反应：石墨不能与金属发生反应；金属不能腐蚀石墨坩埚；石墨不会对金属渗碳从而改变反应体系成分。
6.7. 碳化物
从热力学上讲，碳化物没有相应的氧化物稳定。有些碳化物在氧化性气氛下由于表面形成了一层氧化物薄膜，阻止了进一步氧化，因而可在氧化气氛下使用至一定温度。如SiC 在1000℃以下稳定是由于反应速度慢，在高于1140 ℃至1500 ℃稳定是由于生成了一层SiO 2保护膜。TiC 和ZrC 等在高温时同样可以形成氧化物保护膜。
很多碳化物在液态金属中有很大的溶解度，从而使金属玷污，故碳化物不适宜做液态金属的容器。
6.8. 氮化物、硼化物、硫化物、硅化物耐火材料
氮化物在高温时抗氧化能力较差，易被氧化形成氧化物。
硼化物的抗氧化能力不强，在高温下不适于在氧化性气氛下使用。硼化物在真空中的稳定性很高，在2500K 以上是唯一适合于真空下使用的耐火材料。
硫化物：硫和金属形成一系列高稳定性的硫化物。但是，硫化物的稳定性比相应的氧化物小。在氧化性气氛下高温时要氧化成氧化物。在氮气气氛下很少反应。因为其分解产物为气体硫，高温时离解压大，一般不适合在真空条件下使用。
硅化物：氧化性气氛中热力学不稳定，但以MoSi2为例，在氧化气氛中能形成一层二氧化硅保护膜，在空气中高温下直到熔点抗氧化性能很好。
6.9. 高熔点金属材料
实际应用中有钨（W ）、钼（Mo ）、铌（Nb ）、钽（Ta ）以及铂（Pt ）、铱（Ir ）、铑（Rh ）、钌（Rt ）。前四种易氧化，后四种抗氧化，可在氧化气氛中使用。钨熔点高达3337℃，高温下蒸汽压很低，可在真空、氮、氢或其它非氧化性气氛下稳定工作。钨坩埚一般用钨片在氩弧焊下制成，或用粉末冶金方法制成。钼熔点也较高，达2600℃，易加工成型，在非氧氛下工作温度可达2000℃，温度再高则易蒸发。钼坩埚用钼片在氩弧焊下制成。
7. 耐火材料的工作稳定性
7.1. 在氧化气氛中的稳定性
耐火氧化物大多是其金属元素的最高价氧化物，在高温氧化气氛下是稳定的。如果在分解或蒸发温度以下工作，其氧化气氛中的最高温度可以接近其耐火度（或熔点）。但碳素耐火材料是不稳定的。
7.2. 在H 2和CO 气氛下的稳定性
氧化物耐火材料能否与氢起作用，可以通过热力学计算作出初步判断。钢铁冶金实验温度一般不高于1727℃大多数耐火氧化物在氢气氛下是稳定的。但1727℃下，SiO 2与H 2作用的P H2O 蒸汽压稍高，其余氧化物的P H2O 都不高。
7.3. 在其它气氛下
Al 2O 3在N 2和HCl 气氛中是稳定的，在高温下与HF 气体发生反应生成AlF 3。含S 的气氛会微弱的腐蚀Al 2O 3。MgO 在N 2气氛下可稳定至1700℃以上，卤素和S 的气氛要腐蚀MgO 。
7.4. 在高温下的稳定性
在高温、真空条件下，耐火材料本身的稳定性减小。在真空冶金中，由于体系的压力很低，促使了氧化物的分解。不宜于用于2000K 以上的高温。
7.5. 耐火氧化物对碳的稳定性
（1）耐火氧化物被还原成金属的可能性。
在一个大气压，2000℃以下常用耐火氧化物中只有SiO 2、MgO 有被碳还原成金属的可能。SiO 2被还原是明显的。MgO 在标准状态压力下高温时虽较难被碳还原，但因生成的Mg 和CO 都是气体，所以随着气相压力的降低反应易于进行。所以在真空碳热还原金属氧化物时，不能用MgO 坩埚，而用石墨坩埚。
（2）耐火氧化物被C 还原成碳化物的可能性
大多数耐火氧化物在1500℃以上与碳接触时容易生成碳化物。如果反应生成的CO 不断地被排除，氧化物将不断地和碳反应生成碳化物。
7.6. 耐火氧化物对液态金属的稳定性
耐火氧化物在1000℃以上与液态金属接触时，金属易受污染，而耐火氧化物达到侵蚀。其反应通式如下
XO 固＋ Me 液 = MeO液 + X固液
在实际场合，由于炉内气氛对液态金属的作用，对耐火氧化物也有影响。如铁金属的氧化，生成的(FeO)对很多耐火氧化物都有侵蚀作用。因此必须注意炉内气氛的间接、直接作用。
7.7. 耐火氧化物对熔盐和炉渣的稳定性
高温下，很多耐火材料易被熔盐或炉渣所侵蚀。熔点在600℃以下：用硬质玻璃作容器，但氟化物熔盐能与SiO 2作用生成易挥发的SiF 4，应当用白金坩埚。在1100℃以上：碱金属、碱土金属、氯化物、溴化物和碘化物等熔盐，都可用Al 2O 3、MgO 、ZrO 2质容器，氟化物则用石墨容器。碱金属的硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐在高温下采用白金或石墨质容器。
8. 电热元件
电热元件的作用是把电能转化成热能，使被加热的样品达到所要求的温度，它决定炉子的工作能力和寿命。其性能包括：①最高使用温度；②电阻系数和电阻温度系数；③表面负荷及允许表面负荷。
分类：①金属电热体；②非金属电热体。 ← 注意使用温度和气氛
最高使用温度：最高使用温度（电热元件本身最高的承受温度）= 炉温 +（50~150℃）。炉膛的最高温度主要取决于电热元件的使用温度。
电阻系数：电阻系数又叫电阻率，是指电热体当温度在20℃，1m 长度的电热体1mm 2端面所具有的电阻值，其单位：Ω•mm2/m。
电阻温度系数：电热体的电阻随着温度变化而变化，衡量这个变化程度的叫电阻温度系数。可按下式计算：
ρt =ρ20(1+αt )
ρ20为电热元件在20℃的电阻率，；
α为电阻温度系数，℃-1；
t 为电热元件的工作温度，℃。
表面负荷及允许表面负荷：指电热元件单位工作面积上分担的功率。在一定电热炉功率条件下，电热元件表面负荷选得越大，则电热元件用量就越少。但电热元件表面负荷越大，其寿命越短。实际上，只有选择得当，才能得到最佳效果。 式中：
9 电热体的分类与特点
9.1. 金属电热体
①铬镍合金和铁铬铝合金
铬镍合金：铬镍合金的产品塑性好，具有抗氮能力，电阻系数、电阻温度系数、密度均较大。
铁铬铝合金：电阻系数比铬镍合金高，电阻温度系数则较低，密度也低，耐热性能好，可以在氧化气氛下使用。 要求：温度范围，可以在氧化性气氛中使用。二者可以在1000~1300℃范围内，空气中使用最多。它们抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小。
注意：它们抗氧化因为在高温下由于空气的氧化能生成Cr 2O 3或NiCrO 4阻止进一步氧化。
②钨、钼、钽（Mo 、W 、Ta ）纯金属电热体：可以在真空或适当气氛下获得更高的温度。其共同特点是电阻系数大，熔点高，抗氧化差（一般不能用在空气状态中）。
钼：钼的常用温度为1600～1700℃。由于钼在氧化气氛下生成氧化钼升华，在空气中不能使用，在渗碳气氛下易渗碳变脆电阻系数也较高。因此仅能应用在高纯氢和氨分解气、无水酒精蒸汽和真空中。
钨：熔点最高的金属，其熔点达到3400℃，最高使用温度为2500℃，常用温度为2200～2400℃。使用气氛为真空或经脱氧的氢气或惰性气体 ;
钽：熔点达到2900℃，一般用在真空和惰性保护气氛中（氮气中不能用）钽的最高使用温度：2200℃，常用温度：2000～2100℃。
③铂和铂铑合金（Pt, Pt-Rh）
铂：多用于微型电热炉中，如卧式显微镜的微型加热炉，测定冶金熔体熔点的小型电炉及标定热电偶的小型电路中，使用温度为1300~1400℃，铂铑合金丝则可用到1600℃。
铂电热体的优点：能经受氧化气氛，电阻系数小，升温导热快，电热性能稳定；
缺点：不能经受还原性气氛及硅铁硫碳元素的侵蚀，价格十分昂贵。
9.2. 非金属电热体
①碳化硅电热体
形状：常为棒状或管状，也有U 型及W 型。耐温度骤变性好，化学性能稳定，不与酸性材料反应；耐高温，在空气中常用温度为1450℃。SiC 电热体不能在真空和氢气气氛中使用。
如何延长其使用寿命：在使用过程中电阻率缓慢增大—老化，可以在1300 ℃将它浸于B 2O 3中并升温至1500℃，则其表面形成硼化膜，增加其使用寿命。）
②二硅化钼电热体
为何MoSi 2电热体可以在高温下，氧化性气氛中使用：因为在高温下，发热体表面生成MoO 3挥发出去，从而在发热体表面形成致密的SiO 2保护膜，阻止其进一步受到氧化。
“MoSi2疫”：在低温下（500～700℃）、空气中使用时，会产生二硅化钼疫，即Mo 被大量氧化而又不能形成SiO 2保护膜。因而要避免该情况下使用。
MoSi 2适用于空气，可用于氮气、惰性气体中，但不能用于还原性气氛和真空中可使用到1200～1650℃。没有“老化”现象，可以在空气中长时间使用而电阻率不变，这是其特有的优点。
③碳质电热体
以碳系发热体做热源的高温炉最高使用温度可达3600℃，常用温度为1800～2200℃。为防止高温氧化而烧毁，应在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）和真空中使用。
④铬酸镧（LaCrO 3）发热元件
铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分，在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件；其耗能少，可以精确控制温度。铬酸镧发热元件的优点是能够在大气气氛下使用到1900℃（表面温度），可获得1850℃的炉温；能在氧化气氛下长期使用。适合于高精度温度的自动化控制，其炉温稳定度可在1℃之内。
10 电热体重要参数
（1）元件最高使用温度：电热元件最高使用温度是指电热体在干燥的空气中表面的最高温度，并非指炉膛温度。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。
（2）电热体的表面负荷：电热体的表面负荷是指电热体在单位表面积上所承担炉子的功率数。在一定炉子功率条件下，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，实际上只有选择适当，才能得到最佳效果。对不同电热体，在一定条件下（散热条件、适用温度等）都规定有允许的表面负荷值。 11 电热丝的缠绕
为了维持较长而均匀的高温区，在炉子热损失大的地方要把电热丝缠的密一些。
卧式管式炉：两边密，中间疏。
竖式管状炉：底下密，上头疏。
12 管式电阻炉的设计制作
电热丝匝数的确定：
n =L 25m =≈132' πD 3.14⨯0.60m
其中：n —匝数；L —电热丝总长；D —炉膛外径。
该匝间距离是对于均匀缠绕而言的：
H h =≈3mm n
式中H 为加热带长度。对于炉子的不同使用方式（卧式或竖式）或对温度场的特殊要求，可以调整匝间距离。另外，边缘要留出引线余份。
炉管外涂层：炉丝绕好后，为了避免匝间短路，一般用Al 2O 3（不含SiO 2) 粉调水（稍加些淀粉）称糊状，涂在炉管外面，但不宜过厚，以免干裂脱落。涂层涂好后，先在空气中阴干，然后在烘箱烘干后便可装炉。
炉壳：可用薄铁板制做，为使保温均匀，形状以圆筒形为好。对于1000℃以下的炉子，炉壳内可直接填充保温材料。对于1200℃以上的电阻丝炉，在靠近电热体部分，应该有一层耐火材料，其外层为保温材料。对于1200℃左右的电阻丝炉，耐火层厚度约为50~70mm，保温层厚度为100~130mm。如果加入的耐火、保温材料均为粉料，则在二者应该使用耐火陶瓷管隔开，以免二者掺混后在高温下发生造渣反应。
关于恒温带的标定：在冶金实验研究中往往要进行恒温实验。但由于试样的大小，故要求炉膛内具有一定恒温精度的恒温带。所谓恒温带，是指具有一定恒温精度的加热带长度而言。因此，测出其长度的同时，应该指出其工作温度和恒温精度。
恒温带标定方法：将一支热电偶固定，其热端尽可能放在高温恒温带，另一支热电偶移动。以固定的热电偶为基准，将炉温升至常温温度水平上，恒定；而后移动可移动热电偶的位置上，测不同位置上的温度值，作曲线，并找出曲线中温度恒定段，从而标定出等温带。
13. 常见热电偶
13.1. 铂铑10—铂热电偶（S 型热电偶）
该种热电偶的正极为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。
特点：热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性、惰性气氛中连续长期使用。长期使用温度为1400℃。在所有的热电偶中，它准确度最高。其分度号为S 。
13.2. 铂铑13—铂热电偶（R 型热电偶）
该种热电偶的正极为含铑13%的铂铑合金，负极为纯铂。同S 型相比，它的电动势高15%左右，其他性能几乎完全相同。它的分度号为R 。
13.3. 铂铑30—铂铑6热电偶（B 型热电偶）
正极为含铑30%的铂铑合金，负极为为含铑6%的铂铑合金。因两极都为铂铑合金，又称双铂铑热电偶。 特点:在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略参考端变化的影响。适宜在氧化性或中性气氛下使用，也可以在真空下短期使用。长期使用温度1600℃，短期1800 ℃，不能直接用金属套管。
13.4. 镍铬—镍硅（镍铝）热电偶（K 型热电偶）
正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅0.3%的镍硅合金。
特点：适用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜。它目前用量最大的热电偶。它适于在氧化性及惰性气氛中使用。长期使用1000 ℃，短期使用1200 ℃，它的分度号为K 。
计算题
1. 某冶金反应的温度为600 ºC ~800ºC ，现用0.618法求其最佳反应温度，请确定前5个试验点（假定1#指标优于2#、3#指标优于1#、3#指标优于4#）。
2. 采用3因子3水平正交试验设计研究某反应的转化率，下表为试验结果，请进行极差分析及方差分析，确定各因子对转化率影响的显著程度并找出最优试验条件。
3. 已知炉管尺寸Ф50×60×600mm，要求炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为400mm 。求电热丝的直径与长度。
4. 设计一台小型电阻丝炉，炉管尺寸要求Ф60×70×800mm，炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为500mm 。
（1）选择电热体并画出炉子示意图； （2）求电热丝的直径与长度； （3）简述电阻炉制作过程；
（4）发热体如何绕在炉管上，以保证足够长和均匀的等温带； （5）选择合适的耐火材料和绝热材料。
5. (Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3,Cr(Pt) 在1883K 电池的电动势为E=20mV。已知：
设氧的溶解度服从亨利定律，求钢液中的氧含量。
6. 用固体电解质电池(Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3, Cr |(Pt) 测量钢液中的含氧量。1700ºC 时测得电池的电动势为17mV 。已知反应O 2 = 2[O]Fe的ΔG10＝-354300-5.77T J·mol -1，反应2Cr 2O 3 = 4Cr + 3O2的ΔG20＝2273870-513.37T J·mol -1。写出电池反应，并求出钢液中的氧的活度。
7. 欲用氢氧化钠水溶液电解法在标准状态下制取100升氢气。如果用1A 电流电解，需要多长时间？
8. 电解硫酸铜水溶液，以25mA 电流通电1小时，阴极上获得了27.5mg 铜。铜析出的电流效率是多少？
9. 纯铜插入0.01mol/L的硫酸铜水溶液中，铜离子的活度系数为0.4，计算此时铜的电极电位。
10. 在银离子活度为0.2，pH ＝2的硝酸银水溶液中，插入纯银。此时银电极的电位是多少？将该银电极与氢电极（P H2=100kPa）组成电池，计算氢电极的电位及该电池系统的电动势。
第六章
1.
2. 验漏：
将组装好的真空系统抽至一定压强后，关闭阀门，使其与真空泵断开。然后测量系统压强的变化，将所测压强对时间作曲线，可能出现四种情况，如图所示。
曲线A 说明该系统既不漏气，也不放气（系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。
曲线B 在开始时上升较快，而后呈饱和状，表明系统本身不漏气，但内部有放气源。 曲线C 呈直线上升，说明系统漏气。
曲线D 表明系统压强开始上升很快，而后变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况都存在。
第六章：
1. 简述固体电解质自由电子导电和电子空穴导电的原因，如何预防？
2. 三类传感器:
Ⅰ型传感器——电解质的传导离子就是待测物质的离子，定氧电池；
Ⅱ型传感器——传导离子物质不是待测物质，但它们的反应产物是固体电解质中活度恒定的组元； 电池可表示为：
(+) Au | Pt, SO2, SO3, O2 | Li2SO4(x=0.77)-Ag2SO4 | (Ag2SO4)(固溶体中), Ag | Au(-)。 负极反应(-) Li2SO4 + 2Ag = 2Li+ + (Ag2SO4)+2e 正极反应(+) SO3 + 1/2O2 + 2Li+ +2e = Li2SO4 电池反应：SO3 + 1/2O2 +2Ag = (Ag2SO4)。
Ⅲ型传感器——辅助电极型传感器。利用外加辅助电极使待测物质，与传导离子物质在电解质界面建立一个局部热力学平衡
(+)Mo | Mo + MoO2 | ZrO2(MgO) | ZrO2 +ZrSiO4 | [Si]Fe | Mo(-)
其中 (ZrO2 + ZrSiO4) 是点涂在固体电解质管外的辅助电极材料。
负极：2O2- + [Si] = (SiO2)SiSO4 + 4e，正极：MoO2 + 4e = Mo(s) + 2O2-。 电池反应为：。MoO2 + [Si] = (SiO2)SiSO4 + Mo(s)。
3.
第七章：
1. 硅胶的水饱和
硅胶的硅胶是以SiO 2为主的玻璃状物质，对水具有很强的吸附能力，硅胶为乳白色，为显示硅胶吸水程度，常用氯化钴溶液浸泡硅胶，干燥后成为蓝色的硅胶，随着吸水程度增加，含水氯化钴COCl 2·mH 2O 的颜色随着结晶水m 值的增加而变化：
m 0 1 1.5 2 4 6
当颜色变为粉红时，硅胶达饱和，应作更换或再生处理。 2. 选择干燥剂原则：
选择干燥剂时，首先要考虑它和待处理的气体之间有无反应。例如，KOH 、NaOH 、CaO 等不能用于酸性气体（如H2S 、SO2、CO2）的脱水。同样，P2O5、浓硫酸不能用于碱性气体（如NH3）的脱水。KOH 、NaOH 也不能用于氯气的脱水。其次，要注意将气体先经过干燥能力较弱的干燥剂，除去较多的水后，再经过干燥能力较强的干燥剂。 3.p2o5干燥剂
五氧化二磷是最强的干燥剂，吸水后会形成一系列化合物，如：：P2O5.H2O ，3P2O5.5H2O ，P2O5.2H2O ，P2O5.3H2O 等。这些化合物成粘稠状，附在P2O5的表面，妨碍它继续吸收水气，严重时会将干燥管堵塞。所以P2O5在气体干燥技术中不宜作为前级的干燥剂。只有当气体已经过脱水处理后仍含有微量水分需要进一步干燥时，才用P2O5作干燥剂。 4. 气体净化系统
第八章：
旋转柱体法装置是由两个半径不等的同心体（或圆筒）组成，如图8-3所示。外柱为空心圆筒（坩埚）。在内外柱体之间充以待测黏度的液体，当外力使二柱体之一匀速转动而另一柱体静止不动时，则在两柱体之间的径向距离上的液体内部出现了速度梯度，于是在液体内部便产生了内摩擦。由于内摩擦力作用，在旋转柱体上加一个切应力，利用测量此应力可计算液体的黏度值。
用旋转柱体法测量黏度要求： （1）体液应处于层流状态 （2）样品必须均匀
（3）液体与内外柱体间无滑动摩擦 （4）无化学反应
适于测定5～108Pa ·s 范围内高黏度的液体黏度，精度可达±5.2％。
所谓外旋转柱体，就是指盛熔体的坩埚旋转，故这种方法也称为坩埚旋转法。当外柱体以外力加一转矩使其以一定角速度w 转动时，则由于液体的内摩擦力而施加于内柱体以扭转力矩，使吊丝发生扭转。当内柱体所受的扭转力矩与吊丝的平衡扭矩相等时，则吊丝的扭转角度不变，可计算出液体黏度
扭摆振动法
对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。8-6是阻尼振动示意图。，用一根弹性吊丝，上端固定不动，下端挂一重物，成一悬吊系统。当绕轴线外加一力矩使吊丝扭转某一角度，去掉力矩后，则重物在吊丝弹性力作用下，绕轴线往复振动。若介质摩擦与吊丝自身内摩擦力不计，则系统做等幅的简谐振动，即每次振动的最大扭转角不变。若将重物深入液体中，上述振动状态受到液体内摩擦力的阻尼作用，迫使振幅逐渐衰减，直至振幅为零而振动停止。通过振幅测量计算对数衰减率是扭摆振动法测量液体黏度的基础。
包括柱体扭摆振动法、圆盘扭摆振动法、球体扭摆振动法、坩埚扭摆振动法
对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。
8-8是柱体扭摆振动法装置示意图。用一弹性吊丝，上端固定不动，下端悬挂惯性体、连杆和柱体，连杆上固定一反射镜。柱体插入盛在圆筒形坩埚的液体试料中，坩埚置于高温炉内加热到实验温度。用外力给悬吊系统以外力矩，使吊丝发生扭转，达一定角度后，去掉外力矩，柱体便在吊丝扭力、系统转动惯量和试料对柱体的黏制阻力作用下，作阻尼衰减振动。
可测的黏度的范围约为 0.005～180Pa ·s 。
圆盘扭摆振动法：此法适用于大部分液态金属和熔盐。测量时要特别注意连杆与液面接触处不应有氧化层与浮渣。
坩埚扭摆振动法：图8-9是坩埚扭摆振动法的装置示意图。在测定黏度时，用外力矩使悬吊坩埚扭摆启动，当振动达一定振幅后去掉外力矩，开始扭摆振动，由于熔体的内摩擦力作用，系统作阻尼振动，其对数衰减率与熔体黏度保持一定的关系，于是便可通过系统对数衰减率的测定，计算出熔体的黏度值。
黏度测量范围为0.lmPa ·s ～50mPa ·s 。
2. 四分法取样：
将0.5克左右的颗粒物质放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约0.01克为止。样品供透射显微镜观测，一般采用玻璃片制样。
PPT 中出现的全部课后题目
1. 某企业采用Hall –Héroult 工艺生产金属铝，若其电解槽的系列电流为400kA ，该系列共100台电解槽，设计电
流效率为92%，请计算该系列解槽的产能（年产铝量）
2. 在硫酸铜溶液中，用铂电极以0.1A 的电流通电10min ，在阴极上沉积的铜的质量是多少毫克？（铜的原子质量
为63.54）
A ．60；B. 46.7; C.39.8; D.19.8
3. 某冶金反应的温度为600 ºC ~800ºC ，现用0.618法求其最佳反应温度，请确定前5个试验点（假定1#指标优于
2#、3#指标优于1#、3#指标优于4#、）。
4. 采用3因子3水平正交试验设计研究某反应的转化率，表1为试验结果，请进行极差分析及方差分析，确定各
因子对转化率影响的显著程度并找出最优试验条件。
表1 转化率试验方案及结果
5. 用固体电解质电池(Pt) | [O]Fe | ZrO2-CaO | Cr2O 3, Cr |(Pt) 测量钢液中的含氧量。1700ºC时测得电池的电动势为17mV 。已知反应O 2=2[O]Fe的ΔG10＝-354300-5.77T J·mol -1，反应2Cr 2O 3=4Cr+3O2的ΔG20＝2273870-513.37T J·mol -1。写出电池反应，并求出钢液中的氧的活度。
6. 测定某矿中Fe 2O 3的重量百分含量列于表2，其中最后一个数值较其它值相差较大，问是否可以舍弃? （第三章课件）
9. 如有一炉管，内径3cm ，加热部分长40cm ，欲加热到800℃，求在中等保温情况下炉子所需功率。
10. 已知条件：炉管尺寸Φ50⨯60⨯600mm 。要求炉膛工作温度为1000℃，电源电压220V ，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为400mm 。求电热丝的直径与长度。
11. 气体干燥剂选择的基本原则是什么？
12. 如何判断硅胶吸水已达饱和？
13. 试给出氩气、氮气、氢气的净化系统。
14. 简述固体电解质自由电子导电和电子空穴导电的原因，如何预防？
15. 图解说明特征氧分压的概念
16.CaF 2单晶电解质是氟离子导电，也可以测定氧或硫的分压，原因是什么。举例说明。
17. 欲用氢氧化钠水溶液电解法在标准状态下制取100升氢气。如果用1A 电流电解，需要多长时间？
18. 电解硫酸铜水溶液，以25mA 电流通电1小时，阴极上获得了27.5mg 铜。铜析出的电流效率是多少？
19. 纯铜插入0.01mol/L的硫酸铜水溶液中，铜离子的活度系数为0.4，计算此时铜的电极电位。
20. 在银离子活度为0.2，pH ＝2的硝酸银水溶液中，插入纯银。此时银电极的电位是多少？将该银电极与氢电极（P H2=100kPa）组成电池，计算氢电极的电位及该电池系统的电动势。