铁液中铝脱氧反应动力学的电化学测量及解析

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研究铝脱氧反应及夹杂物生成机理对炼钢工艺优化和夹杂物控制至关重要。目前,本课题组已经采用第一性原理计算得到了铝氧反应中间产物的团簇结构及其热力学性质,并结合热力学基本规律解释和论证了氧化铝夹杂物形核服从二步机理,阐明了形核路径。在夹杂物二步形核机理基础上,本文使用电化学方法对Fe-Al-O熔体中铝脱氧反应的动力学信息进行在线检测,并对动力学曲线进行解析。主要工作如下:(1)利用高温下氧化镁部分稳定的氧化锆(MSZ)固体电解质具有对氧离子的选择透过性,以CO/CO2(pco/pco2=5/1)为参考气体,采用电化学工作站连接参考气体与Fe基熔体,组成固体电解质-铁液反应界面。分别进行了连接电化学工作站之前添加0.1%(质量百分数)铝、连接电化学工作站之后的实验过程中添加0.05%(质量百分数)和0.02%(质量百分数)铝的3次实验,利用参考气体与铁液的氧势差驱使氧离子进行迁移的原理,用电化学工作站测量过程中两端开路电压随时间的变化。基于开路电压曲线,利用能斯特方程计算获得固体电解质-铁液界面处氧浓度的变化曲线。采用扫描电镜对固体电解质-铁液界面处进行观察,证明了氧化铝夹杂物的生成。(2)解析固体电解质-铁液界面氧浓度曲线,获得铝氧反应中氧浓度消耗的瞬时速度;进一步利用隔离法计算获得了铝脱氧反应速率式v=kCAlβCOα中氧的反应级数α,以氧浓度表示的铝氧反应速率式为vO=kO’COα,式中k’o=kCAlβ 加铝0.05%(质量百分数)和0.02%(质量百分数)的氧反应级数α分别约为3和7。(3)利用菲克第二定律解析固体电解质-铁液界面氧浓度曲线,获得了铝脱氧反应中氧元素在铁液中的扩散方程为:(?),式中Do为氧的扩散系数,加铝0.1%(质量百分数)、0.05%(质量百分数)和0.02%(质量百分数)的Do分别为 8.893×10-4 cm2/s,2.034×10-3cm2/s,8.234×10-3cm2/s。(4)根据上面推导的氧在不同控速环节下的速率式,得到以氧浓度表示的铝脱氧反应总速率方程式为:vO=cO,1α+cO,1-cO,2/δ/DO+1/k’O
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