碳化硅脱氧的特性及效果分析

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1、甘 肃 冶 金 年 第 期总 第 期碳 化 硅 脱 氧 的 特 性 及 效 果 分 析耽 志 军兰 州 钢 铁 集 团 公 司 , 兰 州前 言长 期 以 来 , 国 内 冶 金 习 惯 于 采 用 硅 铁 粉 、 炭 粉 、 碳 化 钙 等 作 为 电 炉 还 原 期 的 扩 散 脱 氧 材料 。 而 由 于 近 几 年 来 炼 钢 原 材 料 的 不 断 涨 价 , 增 加 了 炼 钢 成 本 。 因 此 , 寻 找 廉 价 的 脱 氧 材 料就 显 得 十 分 必 要 了 。据 介 绍 , 国 外 早 在 年 代 就 己 研 究 并 使 用 碳 化 硅 作 为 电 炉 还 原 期 的 扩

2、 散 脱 氧 材 料 了 , 而国 内 冶 金 企 业 只 是 在 近 几 年 才 开 始 注 意 到 碳 化 硅 脱 氧 剂 的 使 用 价 值 。 虽 有 部 分 厂 家 已 进 行 了批 量 试 验 并 获 得 成 功 , 但 对 这 一 材 料 的 应 用 的 理 论 研 究 资 料 甚 少 。本 文 根 据 有 关 资 料 , 并 结 合 我 公 司 的 实 际 试 验 结 果 , 对 新 型 脱 氧 剂 碳 化 硅 的 脱 氧 机 理 、 脱氧 能 力 等 方 面 予 以 探 讨 。碳 化 硅 脱 氧 的 理 论 分 析碳 化 硅 的 生 成 原 理 与 理 化 性 能碳 化 硅

3、是 一 种 人 工 合 成 的 化 合 物 , 分 子 式 为 , 分 子 量 为 , 密 度 为 , , 重量 百 分 组 成 为 的 硅 和 的 碳 。生 产 碳 化 硅 是 以 硅 石 和 炭 素 材 料 为 主 原 料 , 将 混 好 的 炉 料 置 入 间 歇 式 电 阻 炉 内 , 经 炉 芯体 高 温 一 加 热 , 当 炉 料 温 度 达 到 。 以 上 时 , 发 生 下 列 化 学 反 应。 。 个随 着 时 间 的 推 移 , 炉 料 的 高 温 范 围 不 断 扩 大 , 生 成 碳 化 硅 的 量 逐 渐 增 大 , 生 成 的 碳 化 硅品 位 高 低 与 冶 炼

4、时 间 、 冶 炼 温 度 、 原 材 料 选 择 及 反 应 料 距 炉 芯 体 的 距 离 有 关 。我 公 司 实 际 使 用 的 碳 化 硅 化 学 成 分 见 表 , 物 理 性 能 见 表 。表 碳 化 硅 的 主 要 化 学 成 分型 号 , , 游 离 , 水 分 ,士士士簇簇簇毛簇簇簇簇簇收 稿 日 期 一 一表 碳 化 硅 主 要 物 理 性 能晶 体 结 构 高 温 分 解 点氧 化 点 。 。 导 热 率 千 卡 小 时 。 度粒 度 莫 氏 硬 度六 方 体碳 化 硅 脱 氧 的 热 力 学 分 析碳 化 硅 脱 氧 反 应 的 标 准 自 由 能 。 与 温 度 的

5、 关 系。 。 一 。 个 。 一 。 。 、 一 。 , , 一 、。 。 一 。 , , 、 , 一 。 , 一 ,式 中 , 一 , 一 一 。 、 。 , 一 氏 。 , 一 一所 以 , 反 应 方 程 式 一 一反 应 方 程 式 一硅 铁 粉 脱 氧 反 应 的 标 准 自 由 能 “ 与 温 度 的 关 系, 、 、 一 , 一 一炭 粉 脱 氧 反 应 的 标 准 自 由 能 。 与 温 度 的 关 系 一 个 。 一一 个 , 一 一 , 一 根 据 以 上 各 式 可 得 出 各 脱 氧 剂 脱 氧 反 应 的 标 准 自 由 能 。 与 温 度 的 关 系 图 图 。各

6、 脱 氧 剂 的 脱 氧 能 力 的 分 析 比 较在 时 , 碳 化 硅 和 硅 铁 粉 与 反 应 的 。 很 接 近 , 而 与 反 应 的 “ 的 绝 对值 却 远 低 于 碳 化 硅 、 硅 铁 粉 与 反 应 的 “ 的 绝 对 值 。 随 着 温 度 的 升 高 , 碳 化 硅 和 炭 粉 与反 应 的 “ 的 绝 对 值 上 升 , 而 与 反 应 的 。 的 绝 对 值 下 降 。在 炼 钢 温 度 下 各 脱 氧 剂 直 接 与 反 应 时 , 碳 化 硅 与 反 应 的 。 的 绝对 值 高 于 与 反 应 的 。 的 绝 对 值 , 并 大 大 高 于 与 反 应 的

7、。 的 绝 对 值 。 随 着温 度 的 升 高 , 除 与 反 应 的 “ 的 绝 对 值 升 高 外 , 碳 化 硅 和 与 反 应 的 “ 的 绝对 值 是 下 降 的 。一些 十 力 一一 命 袜 布 读奋 莎 招 又沁 塑 过 逛 丝 匕 丝 荻 不 一 , 沙八八亡口一一一 招 召。叻心一 ”“ 卜 丽 丽 弄 赢一绝 对 零 度 温 度 , 图 。 一 关 系 图同 样 在 。 时 , 碳 化 硅 与 反 应 的 。 的 绝 对 值 高 于 碳 化 硅 与 反 应 的 “ 的绝 对 值 。 随 温 度 的 升 高 , 碳 化 硅 与 反 应 的 “ 的 绝 对 值 升 高 , 而

8、 碳 化 硅 与 反 应 的 。 的 绝 对 值 下 降 , 但 在 炼 钢 温 度 下 , 碳 化 硅 与 【 反 应 的 的 绝 对 值 恒 高 于 碳 化 硅 与反 应 的 。 的 绝 对 值 。综 上 所 述 , 从 热 力 学 条 件 来 看 , 碳 化 硅 的 扩 散 脱 氧 能 力 与 硅 铁 粉 的 扩 散 脱 氧 能 力 相 当 。 而碳 化 硅 与 直 接 反 应 时 , 其 脱 氧 能 力 要 比 硅 铁 粉 与 反 应 的 脱 氧 能 力 强 , 同 样 也 比 碳化 硅 与 反 应 时 的 脱 氧 能 力 强 。碳 化 硅 脱 氧 的 动 力 学 讨 论将 碳 化 硅

9、 从 炉 门 加 入 熔 池 所 产 生 的 脱 氧 反 应 实 际 上 是 在 炉 渣 内 部 进 行 的 , 亦 既 脱 除 的 是炉 渣 中 的 氧 。 众 所 周 知 , 当 温 度 一 定 时 , 对 于 匕 定 的 熔 池 , 氧 在 钢 渣 中 的 分 配 比【 是 常 数 , 降 低 渣 中 量 , 则 钢 中 量 随 之 降 低 , 或 者 说 氧 由 钢 液 内部 向 上 部 炉 渣 扩 散 。 因 此 可 把 碳 化 硅 脱 氧 过 程 分 成 如 下 几 个 步 骤钢 液 内 部 的 氧 向 钢 渣 界 面 扩 散 兰 竺 。氧 在 钢 渣 界 面 处 发 生 电 极

10、反 应 十 一 口 一 氧 离 子 离 开 钢 渣 界 面 向 炉 渣 内 部 扩 散 卜 一 卜氧 离 子 在 炉 渣 内 部 与 碳 化 硅 发 生 反 应 卜 一 , 一由 于 炉 渣 主 要 是 离 子 结 构 , 而 金 属 液 是 电 子 的 储 存 者 , 所 以 , 步 骤 所 示 的 电 极 反 应速 度 极 快 , 不 可 能 成 为 脱 氧 的 限 制 性 环 节 。 一 般 文 献 资 料 都 认 为 , 扩 散 过 程 是 限 制 环 节 , 脱氧 反 应 的 关 键 是 加 快 氧 在 钢 渣 两 侧 边 界 层 的 传 质 速 度 。 用 硅 铁 粉 扩 散 脱

11、氧 和 用 碳 化 硅 扩 散 脱氧 对 于 步 骤 的 影 响 程 度 基 本 上 是 等 同 的 , 但 由 于 用 碳 化 硅 脱 氧 的 产 物 中 除 和 硅 铁 粉 脱 氧时 一 样 产 生 外 , 同 时 还 伴 有 气 体 产 生 , 生 成 的 气 泡 在 上 浮 过 程 中 对 炉 渣 产 生 搅拌 作 用 , 使 渣 层 活 跃 , 促 使 了 反 应 界 面 的 更 替 , 加 快 了 步 骤 的 进 行 , 也 就 是 加 快 了 氧 在渣 中 的 传 质 速 度 , 从 而 有 利 于 使 整 个 脱 氧 过 程 速 度 加 快 , 获 得 比 硅 铁 粉 脱 氧

12、更 好 的 动 力 学 条件 。 对 于 步 骤 , 化 学 反 应 本 身 速 度 很 快 , 也 不 可 能 成 为 脱 氧 过 程 的 限 制 环 节 , 但 由 于 碳化 硅 的 熔 点 很 高 , 在 炼 钢 温 度 下 不 可 能 熔 化 , 因 此 , 碳 化 硅 是 以 固 体 颗 粒 状 形 态 参 加 脱 氧 反应 的 。按 照 未 反 应 核 理 论 , 将 参 加 反 应 的 固 体 碳 化 硅 颗 粒 分 成 反 应 区 和 未 反 应 核 这 样 两 个 部 分 。依 据 是 碳 化 硅 颗 粒 结 构 致 密 , 它 与 熔 渣 中 的 氧 离 子 发 生 反 应

13、 的 起 初 , 只 是 颗 粒 的 外 层 参 加反 应 , 而 颗 粒 的 核 心 部 分 由 于 接 触 不 到 氧 离 子 而 不 可 能 发 生 化 学 反 应 。 随 着 时 间 的 推 移 , 反应 区 逐 渐 扩 大 , 未 反 应 核 逐 渐 缩 小 , 如 图 所 示 。据 此 , 应 尽 可 能 降 低 碳 化 硅 颗 粒 直 径 的 值 , 以 缩小 未 反 应 核 的 直 径 , 以 充 分 发 挥 碳 化 硅 的 利 用 率 。 但 若颗 粒 小 , 则 在 加 入 过 程 中 和 加 入 炉 内 后 , 碳 化 硅 的 散 失 以及 随 炉 气 逸 出 和 烧 损

14、 的 量 势 必 增 加 。 所 以 , 为 了 提 高 碳 化硅 的 有 效 利 用 率 , 减 少 加 入 量 , 降 低 成 本 , 选 择 最 佳 的 碳化 硅 颗 粒 尺 寸 是 必 要 的 。反 应 核未 反 应 核图 碳 化 硅 固 体 颗 粒 与 氧 化 学 反 应 示 图上 述 对 碳 化 硅 脱 氧 的 热 力 学 和 动 力 学 分 析 表 明 , 碳 化 硅 的 扩 散 脱 氧 效 果 略 优 于 硅 铁 粉 的扩 散 脱 氧 效 果 。 所 以 说 , 采 用 碳 化 硅 作 为 电 炉 还 原 期 的 扩 散 脱 氧 剂 , 理 论 上 是 完 全 可 行 的 。碳

15、 化 硅 脱 氧 剂 的 应 用碳 化 硅 加 入 量 的 确 定在 一 般 电 炉 冶 炼 中 , 氧 化 末 期 钢 中 的 氧 含 量 在 一 。 之 间 , 为 了 便 于 计 算 , 设钢 液 中 氧 含 量 为 , 氧 化 渣 中 含 , 氧 化 渣 量 为 , 设 写 的 氧 化 渣 残 留于 炉 内 , 则 平 均 每 吨 钢 水 氧 化 渣 量 为 巧 , 渣 中 氧 化 铁 为 。 一 , 折 合 纯 氧 为钢 。 由 此 得 出 钢 与 渣 中 总 氧 量 为 。 根 据 反 应 式“ 碳 化 硅 需 用 量 为 八但 在 实 际 使 用 过 程 中 , 还 应 考 虑 碳 化 硅 脱 氧 剂 在 炉 内 的 烧 损 、 随 炉 气 的 逸 出 、 加 入 过 程中 的 损 耗 等 , 故 碳 化 硅 的 实 际 加 入 量 大 于 其 理 论 加 入 量 。 我 公 司 电 炉 炼 钢 用 扩 散脱 氧 剂 碳 化 硅 的 实 际 加 入 量 定 为 。碳 化 硅 扩 散 脱 氧 实 际 操 作试 验 是 在 我 公 司 电 炉 炼 钢 厂 电 炉 二 车 间 公 称 容 量 的 电 弧 炉 上 进 行 。 炉 壳 直 径, 变 压 器 容 量 为 两 台 及 一 台 , 平 均 出 钢