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耐火材料与钢水反应的机理

发布时间:2018/5/4 17:39:37 点击率:

  钢水与耐火材料之间的作用包括以下几个方面:

  由于钢水的冲刷、剥落造成耐火材料整块的落入熔钢中,形成尺寸较大的外来夹杂,这一过程为物理过程。

  耐火材料的组成元素溶解到熔融钢铁中,包括耐火材料的构成氧化物或氮化物、碳及各种结合剂与添加剂。这些元素溶入到钢铁中会改变钢的组成,特别对纯净钢及超纯净钢的质量产生较大影响,这一过程为物理化学过程。

  此外,耐火材料,特别是耐火材料与熔融钢铁界面上形成的液相可以吸附钢中的夹杂,从而提高钢的质量。

  高温下耐火材料与熔融钢铁之间的反应模型可以用图来表示。反应分别分为下列几个步骤:

  耐火材料与钢水反应的机理

  图1耐火材料与熔融钢铁之间的反应模型

  首先,在反应的初期,耐火材料直接溶入溶融钢铁中,即:

  MxOy(S) =x[M] +y[O] (1)

  对氮氧化物耐火材料有:

  MxOyNz=x[M]+y[O] +z[N] (2)

  进入熔融钢铁中的氧,可与钢中的金属元素结合形成单一氧化物或复合氧化物夹杂,见下式:

  [O] + [A] =AO(S) (3)

  2[O] +[A] +[M] =(MO-AO)(s) (4)

  另一方面,溶融钢铁中的成分,如Al、Si、Mn以及Fe等可与O等结合形成夹杂而被耐火材料吸收,见下式:

  x[A] +y[O]=AxOy(S) (5)

  其次,当反应进行到一定程度后,在熔融钢铁与耐火材料之间存在一液相隔离层。这一隔离层一旦形成,对耐火材料与熔融钢铁之间的反应机制产生很大影响。

  当隔离层由高纯度、高熔点的物质构成时,在使用条件下仍以固态存在。在这种情况下,耐火材料与熔融钢铁之间的反应分为两种类型:

  (1) 反应产物在耐火材料颗粒表面形成一个固相产物层。耐火材料的构成元素需要扩散通过这一产物层才能溶入熔融钢铁中。固相中的扩散速度很慢,因而耐火材料的溶解速度会大大减慢。

  (2) 熔融钢铁通过耐火材料中的气孔渗透到耐火材料的内部与尚未生成产物层的“新鲜”耐火材料反应。由于熔融钢铁的渗透受其对耐火材料润湿能力及气孔孔径等诸条因素的影响,也会使耐火材料向熔融钢铁溶解速度减小。

  如果边界层是低熔点物质,在高温下它转化为液相。此液相一旦形成就会将耐火材料与熔融钢铁隔开,阻止了耐火材料向熔融钢铁中的直接溶解。因为,此液相是由各种氧化物构成的熔体,它具有离子结构,即是由金属阳离子、氧离子及它们的离子团构成。如前所述,熔融钢铁属金属结构,根据冶金物理化学的基本原理,这两种熔体是不能互溶的。在这种情况下,这一边界层就变成了隔离层,它将耐火材料与熔融金属隔离,使它们的直接反应停止。这时耐火材料与熔融钢铁中的传质过程包括如下几个部分:

  (1) 在耐火材料与液相隔离层界面上,耐火材料与液相之间发生的界面反应。耐火材料与液相的组成、温度对此界面反应有很大影响。

  (2) 反应产物由耐火材料与液相隔离层的界面向液相与熔融钢铁与隔离层的界面扩散。扩散速度可以用下式表示:

  υ= (D/δ) (C1 -C2) (6)

  式中υ——扩散速度,g/cm2·s;

  D—— 扩散系数,cm2/s;

  δ——扩散层厚度,即隔离层的厚度,cm;

  C1、C2——分别为耐火材料与液相隔离层界面处以及液相隔离层与熔融钢铁界面处某物质的质量浓度。

  ⑶溶融钢铁与液相隔离层之间的界面反应。

  ⑷界面反应产物沿耐火材料中的液相向耐火材料内部扩散以及向熔融金属内部扩散。


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