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Fe-Al-O熔体中氧元素迁移的电化学研究

董立山  
【摘要】:现代炼钢过程广泛采用铝脱氧。研究铝脱氧反应机理,对提高铝镇静钢的洁净度以及优化控制夹杂物数量、尺寸、尺寸分布和形貌有重要作用。为了揭示铝脱氧反应过程机理,本文采用电化学方法研究了Fe-Al-O熔体中氧化铝生成和分解过程中氧元素的迁移行为。首先,研究MSZ(氧化镁部分稳定氧化锆)固体电解质的制备方法,并且利用交流阻抗的方法测定了MSZ的高温电学性质。结果表明:利用注射成型法制备的含3.5%Mg O部分稳定的Zr O2固体电解质在1100℃-1600℃时,电导率随着温度的升高而升高,当温度达到1300℃时,电导率趋于稳定,在1600℃时电导率为0.185S/cm。第二,利用MSZ固体电解质在高温状态下可以传导氧离子这一特性,组建高温熔体电化学测试装置。利用参考气CO/CO2的混合气对Fe-O-Al体系进行充氧,通过对于电化学装置进行开路电压检测直到达到平衡。结果表明:在Al2O3的合成过程中,界面氧浓度随着时间的变化而增加先后经过过渡区、形核区,Fe-[70ppm Al]体系中当时间达到2000s时,界面处的氧浓度达到稳定值,通过SEM图像观察发现界面处有Al2O3夹杂物生成。存在在界面处形成的Al2O3夹杂物需要的过饱和能量包括界面能量和结晶能量,在Al2O3合成过程中Fe-[70ppm Al]以及Fe-[30ppm Al]体系对应的能量分别为87KJ/mol,98KJ/mol。第三,利用组建的高温熔体电化学测试装置,对于Fe-O以及Fe-O-Al体系施加外部电压利用塔菲尔定理、能斯特方程计算界面氧浓度的变化研究脱氧过程。并且详细的讨论了氧在Fe-Al-O—MSZ体系的限制性环节以及在此过程中Al2O3脱氧过程中的动力学以及热力学条件。结果表明:在电化学装置中施加外部电压分解氧化物夹杂物涉及到了三种动力学机制,分别是激活过电压、欧姆过电压以及浓度过电压,这些机制限制性环节,分别是电化学反应,氧离子在Zr O2电解质中的扩散,铁溶液到界面的氧原子扩散;外部电压作用下的夹杂物的分解机制,当外部电压为0.1-0.3V时熔解性的氧进行迁移,0.3-0.5V时夹杂物Al2O3可能发生部分分解,0.5-0.7V时夹杂物Al2O3可能完全分解。通过SEM观察Fe-[70ppm Al]在外部电压为0.7V作用下,已经生成的Al2O3夹杂物全部分解。Al2O3分解所需要的能量包括破坏Al-O键能和把Al、O熔解进去钢液的驱动力能量,Fe-[70ppm Al]分解过程中的能量为169KJ/mol。


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