MgO的Al热还原反应的机理

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1、万方数据2006年10月第31卷第5期国外耐火材料·45·MgO的Al热还原反应的机理摘要：已开发出利用M90的Al热还原，进行铁水的脱硫脱氧技术。采用由氧化镁和铝粉组成的压块在不同温度条件下进行了各种AJ热还原反应试验。扫描电子显微镜的观察表明：在高于1473K时，氧化铝颗粒上的铝膜破裂，然后消失，因此大大地加速了MgO的还原。高温光学显微镜对氧化镁的铝热还原现场观察，发现在铝熔融渗入氧化镁相之后发生还原反应。在1273K，熔融铝开始渗入到氧化镁相中。在1473K发生剧烈的这种还原现象。对冷却试样采用扫描电子显徽镜观察和能量色散谱仪分析表明，渗透只通过

2、裂缝发生。铝颗粒熔融过程的现场观察和冷却试样的扫描电子显微镜观察表明：在高温时热应力使铝膜破裂，确实使铝水外流。关键词：MgO；铝热还原；AJ渗透；A1：0，保护膜；铝颗粒；Mg蒸气；高温光学显微镜中图分类号：TQl75．1文献标识码：A文章编号：1000—7563(2006)05—0045—061前言利用MgO的Al热还原反应所生成的Mg蒸气，进行铁水脱硫、脱氧，这是作者提出的新工艺方案。MgO和Al粉混合之后采用常温等静压成型机(CIP)，以150MPa、lh成型制成压块。把装有压块的耐火材料管浸渍到铁水中，生成的Mg蒸气与介质气体一起，直接吹入铁水

3、中，进行了铁水的脱硫、脱氧实验。另外，还使用热天平进行了MgO的Al非等温热还原实验，实验表明MgO的Aj热还原反应发生在两个阶段。也就是说，MgO首先被迅速还原，生成尖晶石和Mg蒸气。然后，尖晶石再被Al还原，生成A1：0，和Mg蒸气。近年来，金属氧化物的Al热还原引人注目。通过非等温实验研究了MnO：和Fe：0，、Cr：0，、Nb：0s的Al热还原反应速度，采用x射线衍射鉴定了还原生成物的组成。而且，还通过等温实验研究了TiO：和ZrO：的Al热还原反应，以及Al向熔融Ti中的溶解，并测定了ZrO的生成自由能变化情况。但是，尚未查明Al颗粒在Al热还

4、原中的微观形态变化，关于还原的机理还需要进一步研究。另一方面，使用共焦点激光显微镜(CSLM)和高温光学显微镜(HTOM)，对钢水表面、金属一固体界面、金属一渣界面和钢水在凝固过程中非金属夹杂物的性状进行了微观观察和研究。使用这种观察方法，测定了MnS向n—Ni合金中的溶解度。8一ferrite(铁素体)／1一austenite(奥氏体)界面的分界自由能，查明了铁的^y_d相的变化机理。但是，迄今为止，几乎尚未进行关于利用CSLM和HTOM的还原反应的研究。本文的目的就是要查明MgO的Al热还原反应的机理。在各种温度条件下进行等温还原实验，研究了温度对于

5、还原反应速度的影响。使用高温光学显微镜，当场观察了还原过程。对于实验后的试样，使用扫描电子显微镜(SEM)，观察了Al颗粒的形态变化，利用能量分散型x射线分光器(EDS)，测定了试样表面的微观的组成变化。2MgO的Al热还原反应在两个阶段发生MgO的Al热还原反应。在第1阶段，如下面公式所示生成Mg蒸气和尖晶石。4MgO(固)+2Al(a)=3Mgt气1+MgO·Ah03(固)(1)AGol-465．6—0．287T(kJ·mol一)(2)在第2阶段，发生由Al引起的尖晶石还原反应。万方数据·46·FOREIGNREFRACTORIESOet．2006V

6、01．3lNo．53(Mgo·A1203)(固)+2Al(液)=3Mgf．t)+4AJ203f固)(3)△G02=607．7—0．279T(kJ·mol一)(4)式中：MgO的还原率(77n)定义为：叼R=(△形／阢)×100(％)(5)但是，砜为压球中的初期Mg重量，△形由于还原造成Mg重量减少。由于Al的价格高于MgO，所以需要提高Al的利用效率。在该研究中，压球是以摩尔比2：1制成MgO和Al粉，过剩地添加了MgO粉。因此，根据反应公式(1)，此时的MgO的最大还原率为75％。3MgO的Al等温热还原反应实验3．1实验装置和方法．图1示出了实验装置

7、的示意图。使用高频感应电炉(15kW，1000kHz)，对内径为40mm，长100mm的石墨坩埚进行加热，在坩埚内保持高温区域。吹入Ar气(流量1．3×10。5m3·8。1)，石墨坩埚内变为惰性气氛。在内径1lmm，外径15ram，长60ram的石墨管的下部开出5个直径为1．0mm的孔，将其作为所生成Mg蒸气和Ar气的流出孔。管和坩埚内的温度使用W5％Re—W26％Re热电偶测定。图1实验装置装人管中的压块是按摩尔比4：2将MgO粉(平均粒径0．4lxm，纯度99．99％以上)和Al粉(粒径75～150txm，纯度99．5％)混合后，使用常温等静压成型机

8、(CIP)以150MPa、1h成型，其尺寸直径约3mm，长5mm。石墨坩埚按照规