铁液催化Al2O3-C耐火材料中氧化铝碳热还原的反应及其对钢水质量影响的研究

Al2O3-C refractories are widely used in steel flow control system during continuous casting. The properties of Al2O3-C refractories are very important to the continuity and stability of continuous casting production. Al2O3-C refractories/Fe system is used as the experimental subject in this study. The mechanism and dynamics of carbothermic reduction of Alumina catalyzed by Fe liquid and its influence on steel quality and composition and microstructure of refractories will be investigated in this research work. The controlling method on reaction rate of carbothermic reduction of Alumina will be proposed also. This work will provide theoretical basis for developing refractories with high performance and enhance metallurgical technology on clean steelmaking.

Al2O3-C耐火材料是应用最广泛的钢流控制系统耐火材料，其质量的好坏对于连铸生产的连续性和稳定性具有重要的意义。本项目以Al2O3-C耐火材料/Fe系统为研究对象，研究铁液催化Al2O3-C耐火材料中氧化铝的碳热还原反应机制、动力学及其影响因素，探明铁液存在条件下Al2O3-C耐火材料中氧化铝碳热还原反应对钢液质量和耐火材料组成与结构的影响，并提出控制Al2O3-C耐火材料在连铸过程中的氧化铝碳热还原反应速率的措施，为高性能连铸用关键耐火材料的制备和提升洁净钢冶炼技术提供理论依据。

Al2O3-C耐火材料在连铸工艺中作为钢包和控流耐火材料被广泛采用，已成为钢厂连铸工序应用最广泛的耐火材料，大量用作钢包和中间包滑动水口系列产品和连铸三大件（长水口、浸入式水口和塞棒）等。连铸三大件在炼钢生产中处于十分重要的位置，其质量的好坏对于连铸生产的连续性和稳定性具有重要的意义，它们性能的优劣直接影响着连铸效率和钢坯质量。在钢铁冶炼过程中，提高连铸关键耐火材料使用寿命并降低对钢水质量的影响就显得尤为重要。但是，Al2O3-C耐火材料的损毁及对钢质量的影响除了耐火材料与钢渣和钢水之间的相互作用因素以外，针对Al2O3-C耐火材料主要成分Al2O3和C在炼钢条件下的发生的碳热还原反应及其对钢水质量和铝碳材料性能的影响研究却较少。.本项目以炼钢过程为背景，以Al2O3-C耐火材料/Fe系统为研究对象，研究了与铁液共存时Al2O3-C耐火材料中氧化铝的碳热还原反应机制、动力学控制环节及其影响因素；揭示了Al2O3-C耐火材料中氧化铝碳热还原反应对钢水质量和耐火材料组成与结构的影响；明确了控制Al2O3-C耐火材料在连铸过程中的氧化铝碳热还原反应速率的措施。项目主要针对不同条件下(Al2O3-C)/Fe体系中存在的反应开展了研究，在氧化铝发生碳热还原反应的条件研究方面取得了积极进展，提出了冶炼过程中氧化铝碳热还原反应发生的必然性及其对金属熔体中铝和碳含量的影响。其重要研究结果包括：从热力学和动力学两个方面解释了氧化铝碳热还原反应的发生机理和影响因素，并得到实验结果的证明。关键数据包括：CO分压对(Al2O3-C)/Fe体系反应的影响，CO和CO2气体的存在将抑制氧化铝在铁液中的溶解，从而导致铁液中氧含量的减少和碳含量的增加；碳素材料对(Al2O3-C)/Fe体系反应动力学参数的影响以及对(Al2O3-C)/Fe体系反应产物的影响，如活化能和反应速率常数；铁液中铝含量增加的原因主要是由于铝碳耐火材料中的氧化铝和碳在铁液存在的条件下发生的碳热还原反应。其科学意义在于揭示了氧化铝碳热还原反应与钢水质量的相关性，提出了控制(Al2O3-C) /Fe系统中氧化铝碳热还原反应速率的机制, 项目的研究为高性能连铸用关键耐火材料的制备和提升洁净钢冶炼技术提供了理论依据。