镁铝尖晶石对钢液脱碳的影响

周 翔， 杨 鑫，张晋浩

(1.中信重工机械股份有限公司， 河南 洛阳 471039；2. 东北大学 材料与冶金学院， 沈阳 110819)

一般来说，当耐火材料与钢液直接接触时，在高温下耐火材料与钢液间将发生一系列反应[1～3].例如，当耐火材料含有碳素组分时，耐火材料将使钢液增碳；当耐火材料含有氧化钙组分时，将使钢液发生脱硫和脱磷反应；当使用氧化物系耐火材料时，耐火材料将向钢液中传氧.由于这些反应对于冶炼过程以及钢材质量具有重要影响，因此，近年来诸多学者对此进行了研究，以掌握耐火材料与钢液间的反应过程和机理，明确控制耐火材料与钢液间反应的方法和措施.

当氧化物系耐火材料与钢液直接接触时，在一些特殊的冶炼条件下，例如，作为直流电弧炉电极套砖，RH浸汁管以及VD精炼钢包等使用时，在高温和真空的共同作用下，这些耐火材料对钢液脱碳的影响将不可忽视[4～6].因此，研究耐火材料对钢液脱碳的影响对于控制冶炼过程具有重要意义.本文以镁铝尖晶石和钢液间的脱碳反应为考察体系，研究镁铝尖晶石对钢液脱碳的影响及其机理.

1 实验方法及过程

1.1 实验用原料

实验用原料为镁铝尖晶石砖、钢样和纯铁，其化学成分别如表1、表2和表3所示.其中，纯铁用于配制不同碳含量的钢水.

表1 实验用镁铝尖晶石砖的化学成分(质量分数)

表2 实验用钢化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition (mass fraction) of the steel %

表3 实验用纯铁成分(质量分数)Table 3 Chemical composition (mass fraction) of the pure iron %

1.2 实验过程

利用表1所示镁铝尖晶石砖切割制备内孔径为Φ45 mm×40 mm的实验坩埚.利用表2和表3所示钢样和纯铁配制w[C]=0.03%～0.15%的钢样约300 g.将钢样放入坩埚，然后置于真空碳管炉内.将碳管炉抽真空后用氩气置换，氩气纯度为99.99%.加热温度为1 580～1 750 ℃，保温时间为40 min.

保温结束后，坩埚随炉冷却至室温，钻取坩埚内的钢样，测定钢样中的[C]含量.

2 结果与分析

表4示出了将初始碳含量(质量分数)为0.15%的钢样在不同温度下保温40 min后钢中的w[C]以及脱碳量Δw[C].

表4 加热温度对钢水脱碳量的影响

图1示出了根据表4所示的实验结果获得的钢水脱碳量与加热温度的变化关系.

图1 加热温度对钢水脱碳量的影响Fig.1 Effect of heating temperature on the decarbonization of the molten steel

由图可见，随着加热温度的升高，钢水脱碳量随之增加，特别是当加热温度高于 1 730 ℃ 时，钢水脱碳量随温度增加的变化幅度更趋明显.

由于加热过程中炉内气氛为氩气，且钢水只与镁铝尖晶石坩埚接触，因此，使钢水发生脱碳反应的即为镁铝尖晶石.由表1可知，由于实验用镁铝尖晶石为富镁尖晶石，即为MgO-MgAl2O4体系.从热力学上来说，由MgO-MgAl2O4与钢中[C]所构成的反应体系中，固相与[C]的反应顺序为MgO→MgAl2O4→Al2O3，可能发生的反应如下：

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)

假设反应体系内的气相组分主要源于反应(1)、反应(2)和反应(3)，且各反应的气相产物分压与反应生成的气体的化学计量数相关，即：对于反应(1)和反应(2)有pMg=pCO，对于反应(3)有pCO=2pAl2O，那么根据上述各热力学关系式及相关热力学数据[6]则可分别计算出各反应在不同温度和不同[C]含量条件下达到平衡时的pMg和pAl2O.

图2和图3分别示出了反应(1)和反应(2)达到平衡时pMg与钢中w[C]和温度间的关系.

图2 MgO与钢中[C]反应达平衡时Mg(g)平衡分压随温度和钢中[C]含量的变化Fig.2 Effects of temperature and carbon content in molten steel on magnesium equilibrium partial pressurewhen reaction between MgO and[C]reaches equilibrium

图3 MgAl2O4与钢中[C]反应达到平衡时的Mg(g)平衡分压随温度和钢中[C]含量的变化Fig.3 Effects of temperature and carbon content in the molten steel on magnesium equilibrium partial pressure when reaction between MgAl2O4and [C] reaches equibibrium

由图可见，当钢中[C]的质量分数在0.03%～0.15%的范围内，且加热温度一定时，随着钢中[C]含量的增加，pMg逐渐增加.但是，在温度较低时，特别是在1 800～1 900 K 时，钢中[C]含量对pMg的影响相对较小，当温度大于1 900 K时，尤其当加热温度达到 2 000 K 时，钢中[C]含量对pMg的影响明显增加；当[C]含量一定时，在1 800～1 900 K 温度范围内，pMg随加热温度的升高逐渐增加，特别是当加热温度超过 1 900 K 时，加热温度的影响趋于显著.

由反应式(1)可见，pMg升高，意味着MgO与钢中[C]之间的反应进度明显加大，钢中[C]消耗量亦增加.将钢中w[C]=0.15%时的pMg平衡分压与加热温度的关系同时示于图1中，可见，钢水脱碳量与温度的变化关系和pMg平衡分压与温度的变化关系具有相同的趋势.这说明钢水的脱碳主要是由于反应式(1)，也就是由镁铝尖晶石中的MgO组分与钢中[C]间的反应所导致的.

当镁铝尖晶石(MgO-MgAl2O4)中的MgO组分消耗殆尽后，钢中的[C]将通过反应式(2)继续与尖晶石组分(MgAl2O4)反应.加热温度及钢中[C]对pMg平衡分压的影响如图3所示.可见，与MgO组分相比，由MgAl2O4与钢中[C]所产生的pMg平衡分压较低，表明在高温下由MgAl2O4组分所产生的钢水脱碳量很少.由于通过式(3)所计算的pAl2O平衡分压更低，故由Al2O3组分所引起的钢水脱碳在此不做进一步讨论.

3 结 论

以镁铝尖晶石砖和钢液间的脱碳反应为考察体系，通过实验和热力学分析研究了镁铝尖晶石对钢液脱碳的影响及其机理，得到如下结果：

(1)在高温下，镁铝尖晶石对钢液具有明显的脱碳作用.加热温度、钢中w[C]以及镁铝尖晶石成分是影响钢液脱碳的主要因素.

(2)随着加热温度的升高和钢中w[C]的增加，钢水脱碳量随之增加；当加热温度高于 1 730 ℃ 时，钢水脱碳量随温度增加的幅度更趋明显.

(3)镁铝尖晶石对钢液的脱碳，主要源于钢中[C]与镁铝尖晶石中的氧化物组分间的化学反应.其中，以[C]与MgO组分的反应为主要反应，[C]与MgAl2O4的反应为次要反应，而与Al2O3组分的反应很少.

[1] 李楠. 耐火材料与钢铁的反应及对钢质量的影响[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2005, 73-74.

(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.)

[2] 刘家占, 于景坤. 耐火材料对钢中氧含量影响的实验研究[J]. 东北大学学报, 2014, 35(1): 64-66.

(Liu Jiazhan,Yu Jingkun. Experimental research of the influence of refractory materials on oxygen content in steel[J]. Journal of Northeastern University, 2014,35(1): 64-66.)

[3] 陈肇友, 田守信. 耐火材料与洁净钢的关系[J]. 耐火材料, 2004 , 38(4): 219-225.

(Chen Zhaoyou, Tian Shouxin. The relationship of refractory material and clean steel[J]. Refractory Material,2004,38(4): 219-225.)

[4] 郎克振, 陆治超, 闫世宽. RH耐火材料浸蚀分析[J]. 耐火材料, 2011, 370(4): 55-58.

(Lang Kezhen, Lu Zhichao, Yan Shikuan. Erosion analysis of RH refractory material[J]. Refractory Material,2011,370(4): 55-58.)

[5] Hong Gl-GON, Chon Uong, Kim Hyo-Joon. Wear of magnesiachrome brick for RH-OB vessel[C]//UNITECR’97 Congress Proceeding, New Orleans, US, 1997: 231-239.

[6] 梁英教, 车荫昌. 无机热力学数据手册[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 1994: 449-479, 505-506.

(Liang Yingjiao Che Yinchang. Handbook of norganic hermodynamic data[M]. Shenyang: Northeastern University Press, 1994: 449-479,505-506.)