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鋼水與耐火材料之間的作用包括以下幾個方面：
由于鋼水的沖刷、剝落造成耐火材料整塊的落入熔鋼中,形成尺寸較大的外來夾雜,這一過程為物理過程。
耐火材料的組成元素溶解到熔融鋼鐵中，包括耐火材料的構(gòu)成氧化物或氮化物、碳及各種結(jié)合劑與添加劑。這些元素溶入到鋼鐵中會改變鋼的組成，特別對純凈鋼及超純凈鋼的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，這一過程為物理化學(xué)過程。
此外，耐火材料，特別是耐火材料與熔融鋼鐵界面上形成的液相可以吸附鋼中的夾雜,從而提高鋼的質(zhì)量。
高溫下耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)模型可以用圖來表示。反應(yīng)分別分為下列幾個步驟：
耐火材料與鋼水反應(yīng)的機(jī)理
圖1耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)模型
先，在反應(yīng)的初期，耐火材料直接溶入溶融鋼鐵中，即：
MxOy(S) =x[M] +y[O] (1)
對氮氧化物耐火材料有：
MxOyNz=x[M]+y[O] +z[N] (2)
進(jìn)入熔融鋼鐵中的氧，可與鋼中的金屬元素結(jié)合形成單一氧化物或復(fù)合氧化物夾雜，見下式：
[O] + [A] =AO(S) (3)
2[O] +[A] +[M] =(MO-AO)(s) (4)
另一方面，溶融鋼鐵中的成分，如Al、Si、Mn以及Fe等可與O等結(jié)合形成夾雜而被耐火材料吸收,見下式：
x[A] +y[O]=AxOy(S) (5)
其次，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，在熔融鋼鐵與耐火材料之間存在一液相隔離層。這一隔離層一旦形成，對耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)機(jī)制產(chǎn)生很大影響。
當(dāng)隔離層由高純度、高熔點(diǎn)的物質(zhì)構(gòu)成時,在使用條件下仍以固態(tài)存在。在這種情況下，耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)分為兩種類型：
(1) 反應(yīng)產(chǎn)物在耐火材料顆粒表面形成一個固相產(chǎn)物層。耐火材料的構(gòu)成元素需要擴(kuò)散通過這一產(chǎn)物層才能溶入熔融鋼鐵中。固相中的擴(kuò)散速度很慢,因而耐火材料的溶解速度會大大減慢。
(2) 熔融鋼鐵通過耐火材料中的氣孔滲透到耐火材料的內(nèi)部與尚未生成產(chǎn)物層的“新鮮”耐火材料反應(yīng)。由于熔融鋼鐵的滲透受其對耐火材料潤濕能力及氣孔孔徑等諸條因素的影響，也會使耐火材料向熔融鋼鐵溶解速度減小。
如果邊界層是低熔點(diǎn)物質(zhì)，在高溫下它轉(zhuǎn)化為液相。此液相一旦形成就會將耐火材料與熔融鋼鐵隔開，阻止了耐火材料向熔融鋼鐵中的直接溶解。因?yàn)?此液相是由各種氧化物構(gòu)成的熔體，它具有離子結(jié)構(gòu)，即是由金屬陽離子、氧離子及它們的離子團(tuán)構(gòu)成。如前所述，熔融鋼鐵屬金屬結(jié)構(gòu)，根據(jù)冶金物理化學(xué)的基本原理，這兩種熔體是不能互溶的。在這種情況下,這一邊界層就變成了隔離層,它將耐火材料與熔融金屬隔離，使它們的直接反應(yīng)停止。這時耐火材料與熔融鋼鐵中的傳質(zhì)過程包括如下幾個部分：
(1) 在耐火材料與液相隔離層界面上,耐火材料與液相之間發(fā)生的界面反應(yīng)。耐火材料與液相的組成、溫度對此界面反應(yīng)有很大影響。
(2) 反應(yīng)產(chǎn)物由耐火材料與液相隔離層的界面向液相與熔融鋼鐵與隔離層的界面擴(kuò)散。擴(kuò)散速度可以用下式表示：
υ= (D/δ) (C1 -C2) (6)
式中υ——擴(kuò)散速度，g/cm2·s;
D—— 擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s;
δ——擴(kuò)散層厚度,即隔離層的厚度，cm;
C1、C2——分別為耐火材料與液相隔離層界面處以及液相隔離層與熔融鋼鐵界面處某物質(zhì)的質(zhì)量濃度。
⑶溶融鋼鐵與液相隔離層之間的界面反應(yīng)。
⑷界面反應(yīng)產(chǎn)物沿耐火材料中的液相向耐火材料內(nèi)部擴(kuò)散以及向熔融金屬內(nèi)部擴(kuò)散。
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