鋼液鋁脫氧熱力學的第一性原理研究.pdf

1、金屬鋁脫氧形成的大尺寸氧化鋁夾雜物嚴重影響鋼材質量,同時在澆注過程中造成水口堵塞,如何減輕氧化鋁夾雜對煉鋼生產(chǎn)和鋼材質量的危害成為冶金工作者長期以來密切關注的問題之一。強化去除、鈣處理改性以及細化尺寸是可能減輕氧化鋁夾雜危害的幾種主要技術。課題從細化氧化鋁尺寸角度出發(fā),考慮脫氧初期處于納米尺度的亞穩(wěn)脫氧產(chǎn)物的特殊熱力學性質,采用第一性原理方法研究了脫氧反應形核問題,期望為脫氧過程中氧化鋁夾雜的細化控制提供理論基礎。
　　首先,采用

2、第一性原理方法計算了鋁脫氧反應可能形成的氧化鋁團簇、納米Al2O3顆粒等亞穩(wěn)相的熱力學性質。用DMol3計算了團簇(Al2O3)n,n=1~10,15,30的結構及熱力學性質,并由此得到煉鋼溫度下生成(Al2O3)n的Gibbs能變化(θr mΔG)。結果表明:
　　(1)(Al2O3)n的CP、H和S隨T升高而增大;GV隨T升高而減小,在400-500K范圍內兩兩相交,說明團簇的穩(wěn)定性再此范圍內發(fā)生轉變;
　　(2)[Al

3、]、[O]反應生成團簇、團簇形成宏觀α-Al2O3的θr mΔG呈逐級降低趨勢;
　　(3)(Al2O3)2的穩(wěn)定性高于(Al2O3)1,而(Al2O3)n, n=3~10,15,30的穩(wěn)定性相近,并均高于(Al2O3)2,團簇穩(wěn)定性隨n的變化規(guī)律不是簡單的線性關系,說明一定條件下(Al2O3)n, n=3~10,15,30可能相互轉化。
　　利用CASTEP計算了納米Al2O3顆粒的熱力學性質,并以此得到[Al]、[O]反

4、應生成納米Al2O3的θr mΔG。結果表明:
　　(1)CV、H、θr mΔG隨顆粒尺寸增大而減小,FV、S隨尺寸增大而增大;
　　(2)當顆粒尺寸在2-15nm時,CV、H、FV、S以及θr mΔG的尺寸效應明顯;
　　(3)當顆粒尺寸在50-100nm時,CV、H、FV、S及θr mΔG和宏觀α-Al2O3接近,此時尺寸效應對熱力學的影響很小。
　　第二,利用上述熱力學規(guī)律探討了鋁脫氧的形核機制。鋼液脫氧過

5、程中,[Al]、[O]反應首先形成(Al2O3)n,而在團簇中可能經(jīng)歷(Al2O3)1轉化為(Al2O3)2、(Al2O3)2轉化為(Al2O3)n, n=3~10,15,30的潛在過程,然后,(Al2O3)n經(jīng)進一步聚集轉化為α-Al2O3晶核。利用團簇及納米Al2O3的θr mΔG得到log[mass％Al]~log[mass%O]關系,分析了Al脫氧后的過剩氧現(xiàn)象表明,熔體中存在的亞穩(wěn)相可能是造成過剩氧的主要原因。
　　以鐵