耐火与燃烧概论5教材分析.ppt

耐火材料与燃料燃烧讲义 第5章 碳复合耐火材料 碳复合耐火材料的定义： 碳复合耐火材料是指以耐火原料和碳素材料为主要成分原料，并添加适量结合剂及其他添加剂而制成的材料 。 体积分数 温度 / oC CO2 图5-10 C-O体系中气相组成 5.4 碳复合耐火氧化物内部及其与钢液和炉渣之间的反应 　　　许多重要的碳复合耐火材料是由碳(石墨和结合碳)与耐火氧化物(MgO，CaO，Al2O3，SiO2等)或者硅酸盐构成。在高温下，这些物质与碳发生反应的可能性以及其对制品结构及性能所产生的影响是人们所关心的问题。此外碳复合耐火材料在使用过程中还要与炉渣接触，碳、耐火氧化物与炉渣及钢液之间的反应对耐火材料的使用寿命和钢液的质量都有极其重要的影响。 5.4.1 与碳共存时氧化物的稳定性 （5-31） 式中 ΔGo——反应标准自由能的变化，KJ/mol； R——气体常数，8.3143J/（K·mol）； T——热力学温度，K； K——平衡常数。 在平衡条件下，ΔG=0，ΔGo=-RTlnK。若ΔG0，反应正向进行；若ΔG0，反应逆向进行； 图5-22 氧化物标准生成自由能与温度的关系 温度(℃) 　　　2C+O2(g)=2CO(g) ΔGo=-497.9kJ/mol (5-32) 4/3 Cr(s) +O2(g)=2/3 Cr2O3(s) ΔGo=-481.2kJ/mol (5-33) 两式相减，得 　3C+Cr2O3(s)=3CO(g)+2Cr(s) ΔGo=-25.1kJ/mol (5-34) ΔGo0，表明反应可自左向右进行，即Cr2O3在1300oC下可以被还原。 5.4.2 MgO-C，MgO-CaO-C及MgO-CaO-SiO2反应热力学 　由于镁碳耐火材料的重要性，MgO-C反应是研究得最多的反应。MgO-C体系中可能存在的三个主要反应为 (kcal/mol) (a) 2Mg(g)+O2(g)=2MgO(s) (b) 2C(s)+O2(g)=2CO(g) (kcal/mol) (c) MgO(s)+C(s)=Mg(g)+CO(g) 　 达到平衡时，有ΔG=0。可根据各式计算出各温度下上列几个反应的ΔGo和PMg及PCO值。所得结果由图5-23示出。根据此图可查出某一温度下的平衡镁蒸汽压及一氧化碳蒸汽压。如在炼钢温度(1600oC)下，PCO≈1atm时，PMg=0.2atm。 温度/ ℃ 图5-23 MgO-C体系中反应的ΔGo与温度、PMg及PCO的关系 MgO-C反应体系是一个三元素(C,Mg,O)五组分(C,CO,O2,Mg,MgO)体系，体系的独立反应仅有(5?3)=2个。若取2MgO(s)=2Mg(g)+O2(g)及MgO(s)+C(s)=Mg(g)+CO(g)为独立反应，当t=1600oC时，有 上述方程组中含有三个未知数，必须还有一个方程才能解出。在封闭体系中，由于碳过剩，氧压不可能大，与PCO及PMg相比，可忽略不计，且反应体系中的Mg和CO都是通过反应MgO(s)+C(s)=Mg(g)+CO(g)产生的，即 P2MgPo2=2.45×10-20 PMg?PCO=6.76×10-3 PMg=PCO (5-37) (5-38) (5-39) 解(5-37)-(5-39)方程组，可得PMg=PCO=0.16×10-2atm， PO2=3.67×10-18atm。 对于一个敞开体系，取2Mg(g)+O2(g)=2MgO(s)及2C(s)+O2(g)=2CO(g)为基本反应，则可得如下三个方程： =1.78×10-5 (5-41) =2.45×10-20 (5-42) PCO = 1atm (5-40) P2MgPo2 解上述方程组可得在1600oC的温度下，含碳层内各气体分压为：PCO=1atm，PMg=6.6×10-3atm，=5.6×10-16atm。所得PMg与图所得结果相比，有数量级上的差异。 MgO-CaO-C系是另一个重要的碳复合耐火材料体系。由于CaO对钢水的净化作用，因此其已愈来愈引起人们的重视。在本体系中应考虑的反应为 (d) CaO(s)+C(s)=Ca(g)+CO(g)