镁钙耐火材料与钢水作用的热力学研究

　　­张红鹰1)­， 陈树江2)­， 王 壮2)­

　　(1. 山东理工大学材料科学与工程学院， 淄博 255092; 2. 鞍山科技大学材料学院， 鞍山 114002)

­摘 要： 通过扫描电镜能谱分析， 研究了镁钙耐火材料与 AR016 钢的作用， 通过热力学数据， 结合试验结果， 进行了热­力学研究， 结果表明： 含游离 CaO 的镁钙耐火材料在1600℃下与 AR016 钢发生作用， 在耐火材料表面形成反应层，­推测有 CaS、 3CaO·Al2O3、 CaO·Al2O3、 CaO·2Al2O3、 CaO·6Al2O3、 3CaO·SiO2、 2CaO·SiO2、 3CaO·2SiO2、 MnO、­FeO 等物质生成。

关键词： 镁钙耐火材料;钢水;热力学­

除了冶炼过程中杂质对钢质量的影响外， 耐火材料影响钢质量问题也越来越受到人们的重视， 这是生产­优质钢、 洁净钢必须考虑到的问题 [1 ~ 6]。通常耐火材料对钢水都或多或少产生污染， 只有含游离氧化钙的镁­钙耐火材料， 对钢水有一定的净化作用， 成为冶炼洁净钢首选的耐火材料。本文主要从热力学角度， 研究镁­钙耐火材料与 AR016 钢的作用、 发生的物理化学变化， 推测生成的产物。­

1 试 验

­1. 1 实验钢样制备­

从现场取来钢块， 将其切割成重为180g 的小块， 用砂纸将表面的铁锈处理干净， 以防给试验带来误差。­试验用 AR016 钢成分见表1。

1.2镁钙试样制备­原料选用镁钙砂和镁砂及结合剂，配制 CaO 含量为40%的混合料，压制成外形为Φ60mm×50mm 圆柱­带有 30mm×25mm 圆柱形凹槽的坩埚，密度为3.6g/cm3­， l600℃保温3h 烧成。试验用主要原料理化指­标见表2。

1.3实验过程­

坩埚放入高温管式炉中，随炉温升高坩埚预热， 1600℃时，将钢放入坩埚中同时通Ar 气保护，反应开始，­反应时间为30min。当反应结束后降温至1300℃，坩埚放入煤油中淬冷，关闭气体。

­2 结果与讨论

­2.1扫描电镜能谱分析­

对试样进行扫描电镜能谱分析，检测试样反应层中生成新相的成分。所得结果如下：镁钙坩埚与AR016­钢水反应30min 的试样，在其反应边界生成的新相处做能谱分析结果见图 1，(a)为形貌图，(b)为(a)中­“ +”位置的点扫描结果。­

(a)图中“ +”位置是耐火材料与钢水接触处的反应层，其成分与原砖成分相比较有较大变化，原砖中没­有 Fe、 Mn、 S、 P 元素，但新相的能谱分析中有这3 种元素的谱峰，说明新相中存在这3 种元素，这些成分只能­来自钢水，说明耐火材料与钢水发生了作用，生成了新相。为进一步说明，作了从反应层往里2mm 长的线扫­描分析，见图2。­

从线扫描图可以看出：在镁钙坩埚的变质层中 Al、 Mn、 Fe、 Si 等元素沿工作面到原砖的方向含量逐渐减­少，说明镁钙坩埚与钢水反应生成的新相大部分集中在反应层中。­

2.2热力学分析

­根据耐火材料反应层中生成新相的成分来推测发生的反应方程式，然后用热力学证明此反应式在实验­条件下是否能够发生，若能发生我则认为镁钙耐火材料与钢水之间进行了该反应。

­2.2.1与钢中[S]、[Al]的反应式

­从图l 耐火材料中新相成分可以看出，耐火材料中多了钢中[S]、[Al]等元素，我们推测有如下反应­发生;

­CaO+[S]=CaS+[O] ①­

3[O]+2 [Al]=Al2O3­ ②

3CaO+3[S]+2 [Al]=3CaS+Al2O3­ ③

我们用热力学来证明反应在实验条件下能否发生，证明如下：

根据文献[7]得各化合物的—△H_⁰f 和—△S_⁰f 值以及—△G_⁰f 的计算结果见表3。­

通过计算得△G₃ < 0， 说明在1600℃下， AR016 钢中的硫、 铝可以和镁钙材料中 CaO 发生②式的反应。

2.2.2与钢中的[Al2O3]、[SiO2]反应­

根据文献[7]得到在1600℃的温度范围内， 下列反应式的 A、B 值。根据公式△G = A + BT， 可以得到反­应式的△G值。结果见表4。­

从上表可以看出： 上表列出的反应在实验条件下都可以发生， 推测镁钙耐火材料与钢中的 [Al2 O3 ] 、­[SiO2] 发生了上述的反应， 生成了 CaS、 3CaO·Al2 O3、 CaO·Al2 O3、 CaO·2Al2 O3、 CaO·6Al2 O3、 3CaO·­SiO2、 2CaO·SiO2、 3CaO·2SiO2 等物质。

3 结 论­

含游离氧化钙的镁钙耐火材料， 在1600℃下与 AR016 钢水间发生了一系列物理化学变化， 在耐火材料­表面形成反应层， 推测有 CaS、 3CaO·Al2 O3、 CaO·Al2 O3、 CaO·2Al2 O3、 CaO·6Al2 O3、 3CaO·SiO2、 2CaO·­SiO2、 3CaO·2SiO2 等物质生成， 生成的趋势逐渐增大。­

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】