周 翔， 楊 鑫，張晉浩

(1.中信重工機械股份有限公司， 河南 洛陽 471039；2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 沈陽 110819)

一般來說，當(dāng)耐火材料與鋼液直接接觸時，在高溫下耐火材料與鋼液間將發(fā)生一系列反應(yīng)[1～3].例如，當(dāng)耐火材料含有碳素組分時，耐火材料將使鋼液增碳；當(dāng)耐火材料含有氧化鈣組分時，將使鋼液發(fā)生脫硫和脫磷反應(yīng)；當(dāng)使用氧化物系耐火材料時，耐火材料將向鋼液中傳氧.由于這些反應(yīng)對于冶煉過程以及鋼材質(zhì)量具有重要影響，因此，近年來諸多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，以掌握耐火材料與鋼液間的反應(yīng)過程和機理，明確控制耐火材料與鋼液間反應(yīng)的方法和措施.

當(dāng)氧化物系耐火材料與鋼液直接接觸時，在一些特殊的冶煉條件下，例如，作為直流電弧爐電極套磚，RH浸汁管以及VD精煉鋼包等使用時，在高溫和真空的共同作用下，這些耐火材料對鋼液脫碳的影響將不可忽視[4～6].因此，研究耐火材料對鋼液脫碳的影響對于控制冶煉過程具有重要意義.本文以鎂鋁尖晶石和鋼液間的脫碳反應(yīng)為考察體系，研究鎂鋁尖晶石對鋼液脫碳的影響及其機理.

1 實驗方法及過程

1.1 實驗用原料

實驗用原料為鎂鋁尖晶石磚、鋼樣和純鐵，其化學(xué)成分別如表1、表2和表3所示.其中，純鐵用于配制不同碳含量的鋼水.

表1 實驗用鎂鋁尖晶石磚的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 實驗用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition (mass fraction) of the steel %

表3 實驗用純鐵成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical composition (mass fraction) of the pure iron %

1.2 實驗過程

利用表1所示鎂鋁尖晶石磚切割制備內(nèi)孔徑為Φ45 mm×40 mm的實驗坩堝.利用表2和表3所示鋼樣和純鐵配制w[C]=0.03%～0.15%的鋼樣約300 g.將鋼樣放入坩堝，然后置于真空碳管爐內(nèi).將碳管爐抽真空后用氬氣置換，氬氣純度為99.99%.加熱溫度為1 580～1 750 ℃，保溫時間為40 min.

保溫結(jié)束后，坩堝隨爐冷卻至室溫，鉆取坩堝內(nèi)的鋼樣，測定鋼樣中的[C]含量.

2 結(jié)果與分析

表4示出了將初始碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.15%的鋼樣在不同溫度下保溫40 min后鋼中的w[C]以及脫碳量Δw[C].

表4 加熱溫度對鋼水脫碳量的影響

圖1示出了根據(jù)表4所示的實驗結(jié)果獲得的鋼水脫碳量與加熱溫度的變化關(guān)系.

圖1 加熱溫度對鋼水脫碳量的影響Fig.1 Effect of heating temperature on the decarbonization of the molten steel

由圖可見，隨著加熱溫度的升高，鋼水脫碳量隨之增加，特別是當(dāng)加熱溫度高于 1 730 ℃ 時，鋼水脫碳量隨溫度增加的變化幅度更趨明顯.

由于加熱過程中爐內(nèi)氣氛為氬氣，且鋼水只與鎂鋁尖晶石坩堝接觸，因此，使鋼水發(fā)生脫碳反應(yīng)的即為鎂鋁尖晶石.由表1可知，由于實驗用鎂鋁尖晶石為富鎂尖晶石，即為MgO-MgAl2O4體系.從熱力學(xué)上來說，由MgO-MgAl2O4與鋼中[C]所構(gòu)成的反應(yīng)體系中，固相與[C]的反應(yīng)順序為MgO→MgAl2O4→Al2O3，可能發(fā)生的反應(yīng)如下：

MgO(s)+[C]=Mg(g)+CO(g)

(1)

(1-1)

(1-2)

MgO·Al2O3(s)+[C]=Mg(g)+

Al2O3(s)+CO(g)

(2)

(2-1)

(2-2)

Al2O3(s)+2[C]=Al2O(g)+2CO(g)

(3)

(3-1)

(3-2)

假設(shè)反應(yīng)體系內(nèi)的氣相組分主要源于反應(yīng)(1)、反應(yīng)(2)和反應(yīng)(3)，且各反應(yīng)的氣相產(chǎn)物分壓與反應(yīng)生成的氣體的化學(xué)計量數(shù)相關(guān)，即：對于反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)有pMg=pCO，對于反應(yīng)(3)有pCO=2pAl2O，那么根據(jù)上述各熱力學(xué)關(guān)系式及相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)[6]則可分別計算出各反應(yīng)在不同溫度和不同[C]含量條件下達(dá)到平衡時的pMg和pAl2O.

圖2和圖3分別示出了反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)達(dá)到平衡時pMg與鋼中w[C]和溫度間的關(guān)系.

圖2 MgO與鋼中[C]反應(yīng)達(dá)平衡時Mg(g)平衡分壓隨溫度和鋼中[C]含量的變化Fig.2 Effects of temperature and carbon content in molten steel on magnesium equilibrium partial pressurewhen reaction between MgO and[C]reaches equilibrium

圖3 MgAl2O4與鋼中[C]反應(yīng)達(dá)到平衡時的Mg(g)平衡分壓隨溫度和鋼中[C]含量的變化Fig.3 Effects of temperature and carbon content in the molten steel on magnesium equilibrium partial pressure when reaction between MgAl2O4and [C] reaches equibibrium

由圖可見，當(dāng)鋼中[C]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%～0.15%的范圍內(nèi)，且加熱溫度一定時，隨著鋼中[C]含量的增加，pMg逐漸增加.但是，在溫度較低時，特別是在1 800～1 900 K 時，鋼中[C]含量對pMg的影響相對較小，當(dāng)溫度大于1 900 K時，尤其當(dāng)加熱溫度達(dá)到 2 000 K 時，鋼中[C]含量對pMg的影響明顯增加；當(dāng)[C]含量一定時，在1 800～1 900 K 溫度范圍內(nèi)，pMg隨加熱溫度的升高逐漸增加，特別是當(dāng)加熱溫度超過 1 900 K 時，加熱溫度的影響趨于顯著.

由反應(yīng)式(1)可見，pMg升高，意味著MgO與鋼中[C]之間的反應(yīng)進(jìn)度明顯加大，鋼中[C]消耗量亦增加.將鋼中w[C]=0.15%時的pMg平衡分壓與加熱溫度的關(guān)系同時示于圖1中，可見，鋼水脫碳量與溫度的變化關(guān)系和pMg平衡分壓與溫度的變化關(guān)系具有相同的趨勢.這說明鋼水的脫碳主要是由于反應(yīng)式(1)，也就是由鎂鋁尖晶石中的MgO組分與鋼中[C]間的反應(yīng)所導(dǎo)致的.

當(dāng)鎂鋁尖晶石(MgO-MgAl2O4)中的MgO組分消耗殆盡后，鋼中的[C]將通過反應(yīng)式(2)繼續(xù)與尖晶石組分(MgAl2O4)反應(yīng).加熱溫度及鋼中[C]對pMg平衡分壓的影響如圖3所示.可見，與MgO組分相比，由MgAl2O4與鋼中[C]所產(chǎn)生的pMg平衡分壓較低，表明在高溫下由MgAl2O4組分所產(chǎn)生的鋼水脫碳量很少.由于通過式(3)所計算的pAl2O平衡分壓更低，故由Al2O3組分所引起的鋼水脫碳在此不做進(jìn)一步討論.

3 結(jié) 論

以鎂鋁尖晶石磚和鋼液間的脫碳反應(yīng)為考察體系，通過實驗和熱力學(xué)分析研究了鎂鋁尖晶石對鋼液脫碳的影響及其機理，得到如下結(jié)果：

(1)在高溫下，鎂鋁尖晶石對鋼液具有明顯的脫碳作用.加熱溫度、鋼中w[C]以及鎂鋁尖晶石成分是影響鋼液脫碳的主要因素.

(2)隨著加熱溫度的升高和鋼中w[C]的增加，鋼水脫碳量隨之增加；當(dāng)加熱溫度高于 1 730 ℃ 時，鋼水脫碳量隨溫度增加的幅度更趨明顯.

(3)鎂鋁尖晶石對鋼液的脫碳，主要源于鋼中[C]與鎂鋁尖晶石中的氧化物組分間的化學(xué)反應(yīng).其中，以[C]與MgO組分的反應(yīng)為主要反應(yīng)，[C]與MgAl2O4的反應(yīng)為次要反應(yīng)，而與Al2O3組分的反應(yīng)很少.

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