氧化物熔渣电解相关基础研究
发布时间：2020-06-28 12:14
【摘要】：氧是钢在凝固过程中偏析倾向最严重的元素之一,钢中氧的增加会影响到钢的性能,如降低钢材的延展性、冲击韧性和抗疲劳破坏性能,降低钢材的耐腐蚀性能等。目前最普遍使用的脱氧方法是沉淀脱氧,也就是在钢液中加入与氧结合能力比铁大的元素,使之与钢液中的溶解氧结合形成不溶于钢液的氧化物而析出。沉淀脱氧反应速度快,但会在钢液内部形成大量的氧化物夹杂物,如果这些夹杂物在钢液凝固前仍未去除的话,将会极大地影响钢材的使用性能,如疲劳寿命等。当钢液进行预脱氧后,需要对钢液进行合金化操作,合金元素的加入可以显著改变钢材的性能。目前主要是通过矿热炉冶炼硅铁合金,然后在炼钢过程中将铁合金加入到钢液中完成合金化操作。铁合金生产过程能耗高,环境污染严重。由于冶金反应具有电化学本质,理论上可以通过熔渣电解完成钢液的脱氧和合金化操作,因此关于氧化物熔渣电解相关基础研究是十分必要的。本文研究了各种因素如电化学参数、熔渣成分、温度等对熔渣脱氧和利用熔渣电解对钢液Si的合金化的影响。利用四电极法测量了CaO-SiO2-Al2O3和FexO-CaO-SiO2-Al2O3渣系在不同温度、不同氧分压下的电导率。此外,本文建立了一种关于MgO-CaO-Al2O3-SiO2-'FexO'熔渣中Fe3+/Fe2+比与氧分压、温度和熔渣成分的简单模型。得到如下结论：1)对于CaO-SiO2-Al2O3体系,其电导率随着CaO/Al2O3比增加先降低后增加,且在CaO/Al2O3比为1附近呈现出极小值,这是Ca2+对A13+电荷补偿作用所引起的。当固定A1203成分的含量且CaO的含量多于A1203时,随着SiO2被CaO替代,CaO-SiO2-Al2O3体系的电导率逐渐增加,因为此时已经有足够的Ca2+参与电荷补偿,新增加的Ca2+主要起到电荷传导的作用。2)对于FexO-CaO-SiO2-AI2O3体系,在1823K下,气氛为CO/CO2=0.2,固定FeO和SiO2成分时,随着CaO/Al2O3比增加,总电导率和离子电导率开始减小随后增加,而电子电导率开始保持不变随后在CaO/Al2O3=1开始增加。总电导率和离子电导率的最小值出现在CaO/Al2O3=1处,这是Ca2+对A13+电荷补偿作用所导致的。母渣分别为CaO-SiO2-Al2O3=40:40:20和CaO-SiO2-Al2O3=60:10:30(摩尔比)的FexO-CaO-SiO2-Al2O3体系不同铁氧化含量的电导率测量结果显示：在1823K下,当FexO百分比和熔渣碱度一定时,随着CO/CO2比的增加,总电导率和电子电导率单调递减,而离子电导率单调递增。随着CO/CO2比的增加,越来越多的铁离子转化为亚铁离子,导致离子电导率增加。在本实验中,亚铁离子与全铁之比y都是高于0.5,随着CO/CO2比的增加,y值增大,进而使得y×(1-y)值降低,由于电子电导率正比于y×(1-y),所以电子电导率单调减小。当FexO含量一定时,熔渣的碱度越高,熔渣的总电导率、离子电导率和电子电导率都是增加的。当熔渣的碱度越高时,将会有更多的Ca2+参与到电荷传导,从而使得熔渣的离子电导率越大。自由氧的增加会降低二价铁的含量而增加三价铁的含量,这将会使得二价铁与三价铁浓度之积增加,因此在一定成分范围内碱度更高的熔渣的电子电导率越高。3)用恒电流电解法研究了含铁氧化物的熔渣脱氧情况,研究发现：实验所选FexO-CaO-SiO2-Al2O3渣系脱氧效果明显,在钼棒阴极得到电解产物(Fe),而阳极端的产物只有CO。选用高碱度熔渣,实验温度适当提高,加大所施加电流都有利于提高电流效率。当其他条件相同时,熔渣中铁氧化物无论是以FeO还是以Fe2O3形式加入对电流效率影响不大。在实验条件下,熔渣碱度高、施加恒电流值大、实验温度高都将有利于提高电解速率。4)利用熔渣电解对钢液进行了Si合金化实验。对电解过程中的一些因素(渣系、电流等)对钢液Si合金化的影响进行了研究,结论如下：在使用熔渣CaO-SiO2-Al2O3并施加2.5A-4.5A电流的情况下电解两个小时,可将钢液中Si含量提高到2%以上。随着电极两端施加电流的增加,钢液中的Si含量和Si的合金化速率都在增加,这是由于大电流的情况下,会提供更多的电子,得电子的Si离子会越多,Si离子得电子的速率也会越快。相比于熔渣CaO:SiO2:Al2O3=57.33:15:27.67,使用熔渣CaO:SiO2:Al2O3=40:40:20时钢液中的Si含量略高一些,因为此时的熔渣中SiO2的含量更高,使得熔渣中含有的Si离子更多,从而导致了钢液中合金化的Si含量更高。在对钢液Si合金化过程中,钢液中Al和Ca含量略微增加,但增加量较小,约为5-30ppm。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF703
【图文】：
ｔｇ邋＝邋ｉｔ—ＫｘＪＵ－＊ｏ逦（５－９）逡逑典型的测试图像如图５－６所示？在１８２３Ｋ时，ＣＯ／ＣＯ２比对电子迁移数逡逑的影响如图５－７所示，可看出，在当前实验条件下，电子迁移数在２４％与逡逑４６％之间变化。对于实验所用渣系来说，电子迁移数随着氛分压的降低而减逡逑小。逡逑－５８邋－逡逑
中可Ｗ看出，电子电导率随着Ｃ０／Ｃ０２比的X椉佣跣 ８荩咨鲜笛榻峁义侠胱拥绲悸仕孀牛茫埃希脖鹊腦椉佣鳻椉樱佣贾伦艿绲悸仕孀牛茫埃埃插义媳鹊腦椉佣浠淮螅缤迹担此尽ｅ义希校
本文编号：2733000
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF703
【图文】：
ｔｇ邋＝邋ｉｔ—ＫｘＪＵ－＊ｏ逦（５－９）逡逑典型的测试图像如图５－６所示？在１８２３Ｋ时，ＣＯ／ＣＯ２比对电子迁移数逡逑的影响如图５－７所示，可看出，在当前实验条件下，电子迁移数在２４％与逡逑４６％之间变化。对于实验所用渣系来说，电子迁移数随着氛分压的降低而减逡逑小。逡逑－５８邋－逡逑
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本文编号：2733000
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