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钢中硫化锰溶解及析出机理研究

钢中硫化锰溶解及析出机理研究

作者：张艺根辽宁科技大学

学位级别：硕士

在当今社会,高质量、高性能的含硫钢在我国的发展建设中起到了重要作用,例如易切削钢及非调制钢等,含硫钢中的纺锤体硫化锰可在切削过程中润滑刀具从而提升钢材切削性能;而含硫钢中的长条硫化锰夹杂物则会严重影响钢的各项性能,恶化钢... 详细信息

在当今社会,高质量、高性能的含硫钢在我国的发展建设中起到了重要作用,例如易切削钢及非调制钢等,含硫钢中的纺锤体硫化锰可在切削过程中润滑刀具从而提升钢材切削性能;而含硫钢中的长条硫化锰夹杂物则会严重影响钢的各项性能,恶化钢材质量。因此,探明含硫钢中硫化锰夹杂物的形成机理并采取有效的生产措施和控制方法,不仅可以减少钢中硫化锰的数量,控制硫化锰的形态及分布,还可以有效增强含硫钢的性能并解决生产过程中硫化锰引起的众多问题,对提高含硫钢的钢材质量至关重要。本文以含硫钢中硫化锰夹杂物为研究对象,首先,使用高温管式炉冶炼制备了两组不同锰、硫含量的实验钢,进而通过能量色散光谱仪对硫化锰夹杂物进行分析,确定其元素组成,通过电子扫描显微镜观察钢中硫化锰的形貌、尺寸及分布,得出锰、硫含量与硫化锰生成形貌及尺寸分布的关系;采用高温共聚焦显微镜（CLSM）观察实验钢熔化和凝固过程中硫化锰的溶解析出行为,分析该过程中硫化锰的溶解形成规律;通过热力学模型和动力学模型计算分析影响硫化锰溶解析出过程中的控制因素;使用Materials Studio模拟软件构建并优化了硫化锰团簇（Mn S）_n（n=1～10）的结构,计算出这些团簇的结合能和吉布斯自由能并结合二步形核理论推导硫化锰从原子到团簇,团簇再到稳定晶体的形核长大过程。本文研究结果如下:（1）冶炼实验结果显示,随着硫含量升高,钢中硫化锰的形貌逐渐趋近于球形,硫化锰的纺锤率增大,尺寸增大且数量增多。钢中大尺寸硫化锰分布弥散,小尺寸硫化锰分布更为密集,都有链状分布趋势。（2）CLSM原位观察实验结果显示,在2#钢中,直径50μm的硫化锰在1517.6℃时开始熔化,当温度上升到1524.3℃时,钢中硫化锰完全溶解消失;在凝固过程中,硫化锰在1307.1℃时开始沿奥氏体晶界析出并随温度下降数量增多,当温度降至202.5℃时,硫化锰基本全部析出;实验钢的中心区域大多数硫化锰的形貌为球形,中心边缘位置有部分条形硫化锰,利用能谱仪对两种类型的硫化锰夹杂物进行打点和面扫分析,发现条形硫化锰中的锰含量比球形硫化锰更低。（3）热力学计算结果显示,硫化锰溶解平衡浓度随温度升高而增大,表明升温有利于硫化锰溶解。随着钢中硫含量增大,硫化锰的析出温度升高,表明提高硫含量有助于硫化锰析出时机提前;动力学计算结果显示,大尺寸硫化锰溶解所需时间更长,溶解速率随时间逐渐减小,析出过程硫化锰的尺寸温度下降而增大,冷却速率越大,硫化锰最终尺寸越小。偏析模型的计算结果显示,锰硫溶质元素的偏析随元素浓度升高而增大,碳硅含量增大可增大硫元素活度使硫化锰析出提前,两组实验钢中硫化锰析出温度的理论值分别为1508.10℃和1521.32℃。（4）利用Materials Studio软件构建并优化了硫化锰的十种团簇结构,计算出了团簇的结合能以及吉布斯自由能。结果显示除硫化锰团簇（Mn S）为直线结构,（Mn S）和（Mn S）为片状结构,其余团簇均为笼状结构;随着团簇中锰、硫原子增多团簇尺寸增大,团簇结构中的键长越发趋近硫化锰晶体的键长,团簇结合能减小,团簇和晶体之间的能量差异值亦减小,表明硫化锰团簇在结构上有向晶体结构转变的趋势;团簇的形成吉布斯自由能和相变吉布斯自由能计算结果显示,硫化锰团簇可以在低温下稳定存在并相变成为稳定晶体结构,温度越低,其转变驱动力越强,证明硫化锰从原子到团簇再到晶体的演变过程符合热力学规律。

关键词：硫化锰原位观察热力学计算团簇二步形核

硫化锰夹杂物面积与激光诱导击穿光谱信号强度关系的统计分析

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分析化学 2018年第2期46卷 265-272页

作者：杨春贾云海王辉李冬玲屈华阳沈学静陈吉文钢铁研究总院清华大学材料学院

在风电主轴上制取金相试样(材料牌号34CrNiMo6),用激光诱导击穿光谱仪(LIBS)扫描分析了抛光表面上S、Mn、Fe、Cr、Mo、Si和Al等元素的二维分布。使用金相显微镜对比扫描分析前后的金相照片,提取了各烧蚀点覆盖区域的MnS夹杂物形貌,获得... 详细信息

在风电主轴上制取金相试样(材料牌号34CrNiMo6),用激光诱导击穿光谱仪(LIBS)扫描分析了抛光表面上S、Mn、Fe、Cr、Mo、Si和Al等元素的二维分布。使用金相显微镜对比扫描分析前后的金相照片,提取了各烧蚀点覆盖区域的MnS夹杂物形貌,获得了S和Mn两元素异常信号分布特征及对应激发区域内的MnS夹杂物面积数据,分析了夹杂物面积与信号强度之间的关系。结果表明,S和Mn两元素基本都在相同位置出现异常信号,且两元素的异常信号强度具有明显的线性相关性,材料中的MnS夹杂物是引发S和Mn出现异常信号的最主要来源,并且MnS夹杂物面积与S和Mn两元素的异常信号强度之间存在较强的线性相关性,可以通过对异常信号的分析来识别MnS夹杂物并确定其尺寸及分布状态。通过建立简化物理模型,计算了MnS夹杂物面积与S和Mn两元素含量之间的关系,在低含量段,得到了夹杂物面积与S和Mn两元素含量之间近似呈线性关系的结果,进而验证了S和Mn两元素异常信号强度与MnS夹杂物面积之间线性相关的实验结果。分析认为,元素的宏微观偏析、夹杂物面积测量的偏差、预剥蚀导致的夹杂物剥落等因素都会对夹杂物面积与信号强度之间的线性统计关系产生影响。

关键词：激光诱导击穿光谱金相显微镜硫化锰夹杂物面积信号强度

硫化锰/碳复合材料的制备及储锂性能研究——推荐一个综合化学实验

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创新教育研究 2023年第3期11卷 588-599页

作者：席艳杰湛志华孙劲毅马琳岭南师范学院化学化工学院广东湛江

以二维锰基配位化合物为模板,通过热处理和硫化方法合成了硫化锰纳米粒子锚定在氮、硫共掺杂碳片的复合材料(MnS-NSC)。利用X射线粉末衍射仪、光电子能谱仪等进行结构表征,利用电化学工作站、充放电仪等进行锂离子电池性能测试。该MnS-... 详细信息

以二维锰基配位化合物为模板,通过热处理和硫化方法合成了硫化锰纳米粒子锚定在氮、硫共掺杂碳片的复合材料(MnS-NSC)。利用X射线粉末衍射仪、光电子能谱仪等进行结构表征,利用电化学工作站、充放电仪等进行锂离子电池性能测试。该MnS-NSC复合材料具有结构稳定、活性位点多、导电性能好、离子扩散速度快的优点。作为锂离子电池负极材料,展现出优异的储锂性能,包括稳定的循环性能和高的倍率性能。该综合化学实验内容丰富、数据充分,涵盖纳米材料制备、大型仪器表征、电化学性能测试等多个环节,覆盖范围广,可有效拓宽学生的理论和实践技能,提高相关知识储备,培养科研创新能力,提升综合素养。

关键词：硫化锰配位化合物锂离子电池综合化学实验

磷酸改性生物炭负载硫化锰去除废水中重金属镉

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中国环境科学 2020年第5期40卷 2095-2102页

作者：魏啸楠张倩李孟范子皙仇玥郝慧茹武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070

采用磷酸作为活化剂对黍糠生物炭进行改性,得到富含活性官能团的功能性生物炭(fCBC),并将其作为硫化锰(MnS)的载体,最终成功制备出硫化锰负载的磷酸改性生物炭(MnS-fCBC),可用于水体中镉(Cd)的高效去除.系统评价了初始浓度、初始pH值以... 详细信息

采用磷酸作为活化剂对黍糠生物炭进行改性,得到富含活性官能团的功能性生物炭(fCBC),并将其作为硫化锰(MnS)的载体,最终成功制备出硫化锰负载的磷酸改性生物炭(MnS-fCBC),可用于水体中镉(Cd)的高效去除.系统评价了初始浓度、初始pH值以及Mn S-f CBC投加量对于吸附反应的影响.MnS-f CBC表现出优越的吸附Cd的能力,在初始Cd浓度为200mg/L、p H=6和投加量1g/L的条件下,MnS-f CBC对于Cd的吸附容量最大,达145.15mg/g.吸附反应受pH值影响显著,在偏酸性条件下能取得较好的去除效果.通过X射线衍射仪(XRD)和拉曼光谱仪(Raman)对Mn S-f CBC进行结构表征分析,结合批次试验探讨了Cd的去除机理.结果表明,表面络合和化学沉淀是Cd去除的主要机理.材料的回用性能试验显示,在5次循环使用后,材料依然有较高的Cd去除能力,表明其具有较高的可重用性.因此,MnS-f CBC可作为一种高效的Cd吸附剂,应用于含Cd废水处理.

关键词：磷酸改性生物炭硫化锰镉吸附机理

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硫化锰混合夹杂物对管线钢氢致开裂的影响

理化检验（物理分册） 2022年第8期58卷 9-12页

作者：张敬蕊胡庆利高建锋刘兰霄李晓赵鑫北京首钢股份有限公司迁安064400

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪等分析了氢致开裂管线钢试样的夹杂物形貌和成分,结合试验对管线钢的开裂原因进行了综合分析,并提出了工艺优化措施,结果可为抗酸腐蚀管线钢的生产和研发提供借鉴。

关键词：管线钢硫化锰硫化氢混合夹杂物氢致开裂阶梯状裂纹

硫化锰/碳材料的原位合成及赝电容性能探究——以综合化学实验为例

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云南化工 2023年第12期50卷 138-142页

作者：席艳杰马琳孙劲毅湛志华岭南师范学院化学化工学院广东湛江524048

以锰-六亚甲基四胺配位骨架为前驱体,采用简单的原位硫化法,制备了硫化锰/氮硫共掺杂碳纳米复合材料(MnS-NSC)。利用X射线衍射仪、扫描电镜等大型仪器进行材料的结构及形貌表征,利用电化学工作站进行电容器的电化学性能测试。该综合化... 详细信息

以锰-六亚甲基四胺配位骨架为前驱体,采用简单的原位硫化法,制备了硫化锰/氮硫共掺杂碳纳米复合材料(MnS-NSC)。利用X射线衍射仪、扫描电镜等大型仪器进行材料的结构及形貌表征,利用电化学工作站进行电容器的电化学性能测试。该综合化学实验涵盖材料制备、表征及性能测试,体系完整,实用性强,涉及多种仪器使用,有助于从整体上培养学生的综合实验能力,提升科学研究素养和创新思维。

关键词：硫化锰碳纳米复合材料赝电容综合化学实验

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硫化锰对钢中Sb析出行为的影响

北京科技大学学报 2013年第2期35卷 177-183页

作者：杨鹏鹏宋波毛璟红苏步新章平北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室北京100083 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

研究了钢中不同夹杂物对Sb的析出和高温氧化过程中富集行为的影响.Fe-1.5%Sb合金1100℃水冷试样中Sb在钢中主要析出位置是晶界.与单一的氧化物夹杂相比,硫化锰是更为有效的Sb异质形核核心,且Sb析出相成分组成接近于FeSb相.实验结果与二... 详细信息

研究了钢中不同夹杂物对Sb的析出和高温氧化过程中富集行为的影响.Fe-1.5%Sb合金1100℃水冷试样中Sb在钢中主要析出位置是晶界.与单一的氧化物夹杂相比,硫化锰是更为有效的Sb异质形核核心,且Sb析出相成分组成接近于FeSb相.实验结果与二维错配度理论计算结果相一致.通过降低氧含量,钢中加入Ti变质硫化锰夹杂等方式,增加了MnS数量,使得更多的Sb在夹杂物上析出,从而减少钢中Sb的偏析和固溶量,改变Sb在钢中的析出位置.

关键词：炼钢夹杂物硫化锰锑析出

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HP295钢铸坯偏析及硫化锰控制研究

金属材料与冶金工程 2023年第2期51卷 30-35,41页

作者：田伟李哲闫若璞杨泽宇王敏河钢集团唐钢公司河北唐山063000 北京科技大学金属冶炼重大事故防控技术支撑基地北京100083

针对HP295夹杂物超标的问题进行了分析,确认了夹杂物类型为硫化锰夹杂物,通过对比观察连铸坯质量发现,铸坯中心偏析严重。对连铸坯取样,进行原位分析后发现硫含量偏析严重,由此基本确定MnS夹杂物是由连铸坯的宏观偏析导致的。MnS夹杂物... 详细信息

针对HP295夹杂物超标的问题进行了分析,确认了夹杂物类型为硫化锰夹杂物,通过对比观察连铸坯质量发现,铸坯中心偏析严重。对连铸坯取样,进行原位分析后发现硫含量偏析严重,由此基本确定MnS夹杂物是由连铸坯的宏观偏析导致的。MnS夹杂物能够改善钢的切削性能,但也易在轧制方向上延伸形成较大的长条状夹杂物,从而降低了钢的横向力学性能,且易形成裂缝,因而理想的是将MnS夹杂控制为具有小粒径分散分布的球状或纺锤状。本文通过优化浇铸工艺参数与轻压下参数,基本消除了长条状硫化锰夹杂物,满足了使用要求;同时对当前MnS控制方面的一些研究结果进行了总结,阐述了连铸工艺对MnS夹杂物的影响。

关键词：硫化锰连铸中心偏析轻压下 HP295钢

热变形工艺对低硫易切削钢中硫化锰形态演变的影响

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金属热处理 2019年第2期44卷 125-130页

作者：陈俊东关晓光汪云辉唐山科技职业技术学院河北唐山063001 河钢唐钢股份有限公司技术中心河北唐山063016

利用Gleeble-3500热模拟试验机、扫描电镜研究了热变形工艺对低硫易切削钢中硫化物形态的影响。用图像处理软件对不同工艺下硫化物的形貌、长宽比进行了观察和统计。结果显示:当变形温度较低时,硫化物的相对塑性随着形变量的增加而提高... 详细信息

利用Gleeble-3500热模拟试验机、扫描电镜研究了热变形工艺对低硫易切削钢中硫化物形态的影响。用图像处理软件对不同工艺下硫化物的形貌、长宽比进行了观察和统计。结果显示:当变形温度较低时,硫化物的相对塑性随着形变量的增加而提高;高温大形变量有利于降低硫化物相对塑性,获得长宽比较小的硫化物。当变形温度大于1000℃时,钢中硫化物呈短棒状或椭圆形。

关键词：易切削钢硫化锰热变形长宽比相对塑性