鎂鋁尖晶石對鋼液脫碳的影響

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 材料與冶金學院， 沈陽 110819)

一般來說，當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生一系列反應[1～3].例如，當耐火材料含有碳素組分時，耐火材料將使鋼液增碳；當耐火材料含有氧化鈣組分時，將使鋼液發生脫硫和脫磷反應；當使用氧化物系耐火材料時，耐火材料將向鋼液中傳氧.由于這些反應對于冶煉過程以及鋼材質量具有重要影響，因此，近年來諸多學者對此進行了研究，以掌握耐火材料與鋼液間的反應過程和機理，明確控制耐火材料與鋼液間反應的方法和措施.

當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成分(質量分數)

表2 實驗用鋼化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition (mass fraction) of the steel %

表3 實驗用純鐵成分(質量分數)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.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.

保溫結束后，坩堝隨爐冷卻至室溫，鉆取坩堝內的鋼樣，測定鋼樣中的[C]含量.

2 結果與分析

表4示出了將初始碳含量(質量分數)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示出了根據表4所示的實驗結果獲得的鋼水脫碳量與加熱溫度的變化關系.

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，使鋼水發生脫碳反應的即為鎂鋁尖晶石.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.從熱力學上來說，由MgO-MgAl2O4與鋼中[C]所構成的反應體系中，固相與[C]的反應順序為MgO→MgAl2O4→Al2O3，可能發生的反應如下：

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)

假設反應體系內的氣相組分主要源于反應(1)、反應(2)和反應(3)，且各反應的氣相產物分壓與反應生成的氣體的化學計量數相關，即：對于反應(1)和反應(2)有pMg=pCO，對于反應(3)有pCO=2pAl2O，那么根據上述各熱力學關系式及相關熱力學數據[6]則可分別計算出各反應在不同溫度和不同[C]含量條件下達到平衡時的pMg和pAl2O.

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

圖2 MgO與鋼中[C]反應達平衡時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]反應達到平衡時的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，當鋼中[C]的質量分數在0.03%～0.15%的范圍內，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，當溫度大于1 900 K時，尤其當加熱溫度達到 2 000 K 時，鋼中[C]含量對pMg的影響明顯增加；當[C]含量一定時，在1 800～1 900 K 溫度范圍內，pMg隨加熱溫度的升高逐漸增加，特別是當加熱溫度超過 1 900 K 時，加熱溫度的影響趨于顯著.

由反應式(1)可見，pMg升高，意味著MgO與鋼中[C]之間的反應進度明顯加大，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系同時示于圖1中，可見，鋼水脫碳量與溫度的變化關系和pMg平衡分壓與溫度的變化關系具有相同的趨勢.這說明鋼水的脫碳主要是由于反應式(1)，也就是由鎂鋁尖晶石中的MgO組分與鋼中[C]間的反應所導致的.

當鎂鋁尖晶石(MgO-MgAl2O4)中的MgO組分消耗殆盡后，鋼中的[C]將通過反應式(2)繼續與尖晶石組分(MgAl2O4)反應.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]所產生的pMg平衡分壓較低，表明在高溫下由MgAl2O4組分所產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一步討論.

3 結 論

以鎂鋁尖晶石磚和鋼液間的脫碳反應為考察體系，通過實驗和熱力學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反應.其中，以[C]與MgO組分的反應為主要反應，[C]與MgAl2O4的反應為次要反應，而與Al2O3組分的反應很少.

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(Li Nan. The reaction of the refractory material and steel and its influence on the quality of steel[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press, 2005, 73-74.)

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