基本介紹
- 中文名：鈰矽石
- 外文名：cerite
- 分類：鋼鐵
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簡介
高爐渣中鈰鈣矽石相等溫析出長大動力學
套用‘’淬火法‘’研究了等溫過程含稀土高爐渣中鈰鈣矽石相的結晶行為，並討論了該相析出和長大的動力學規律。鈰鈣矽石相的形核以均相形核為主，影響鈰鈣矽石相長大的因素有兩個，一個是析出過程中自身長大，另一個是大顆粒吞併小顆粒而產生的粗化，析出動力學過程可近似用 JMAK經驗方程描述。準平衡態過程中粗化引起的鈰鈣矽石相晶粒半徑的立方與時間呈直線關係。
鈰鈣矽石相的結晶行為
在恆溫開始時(5分鐘)，有大量彌散的較為均勻的小粒度鈰鈣矽石相析出，說明了鈰鈣矽石相的形核數目較大。鈰鈣矽石相的初晶溫度為 1583K左右,在實驗條件下，熔渣經過了1673K至1553K、1523K、1493K的急冷並保溫，鈰鈣矽石相的過飽和度較大，均相形核占優勢。保溫溫度越低，飽和比越大，形核率相應地增大。隨著恆溫時間的增大，鈰鈣矽石的晶粒數在減少，粒度增大，析晶量增加。這是由過飽和濃度引起的鈰鈣矽石相自身晶粒長大和由Ostw ald粗化，造成的晶粒粗化長大。在析晶過程中，每一時刻都存在著不同粒度的鈰鈣矽石相，粒度小的鈰鈣矽石比粒度大的鈰鈣矽石具有更高的比表面能，瞬時平衡的相應溶質濃度也要高，這樣就造成了在熔渣中存在粒度小與粒度大鈰鈣矽石表面相應溶質濃度差值，結果溶質由粒度小的表面向粒度大的表面遷移，導致小的晶粒溶解，大的晶粒長大，即Ostw ald粗化。
鈰鈣矽石相析出動力學
鈰鈣矽石相的生長過程由以下一系列步驟所組成：
(1) 溶質在熔渣中的傳質；
(2) 吸附在析出固體相 - 熔渣界面上；
(3) 在界面上發生鈰鈣矽石相析出反應： Ca+2RE+2[ SiO4 ]=CaRE2 [SiO4 ]2；
(4) 反應物進入晶體晶格中。
步驟 (1) 為擴散控制，步驟 (3) 為化學反應控制。一般認為，高溫狀態下，化學反應不構成速度控制步驟，在實驗的條件下，擴散是主要的控制步驟。
鈰鈣矽石相在零時刻的析出體積分數不為零，說明在降溫過程中，鈰鈣矽石相就已形核並開始長大。隨著恆溫時間的增加，鈰鈣矽石相體積分數在迅速的增大，60分鐘後達到最大值並不隨時間的增大而變化。說明了過飽和濃度引起的鈰鈣矽石相的自身析出，在恆溫開始的一段時間內就已完成。另外，恆溫溫度高，體積分數低，因為溫度高，鈰鈣矽石相的溶解度大，析出的晶體少。在使晶粒體積不變的條件下，採用簡單球形代替複雜形狀鈰鈣矽石相，定義鈰鈣矽石相的轉變分數 X為某時刻鈰鈣矽石相的體積分數與平衡時的體積分數之比，X<1,可以看成是析出動力學區，X=1可以看成是析出準平衡區。
鈰鈣矽石相長大動力學
隨著時間的加大，鈰鈣矽石相的粒度也在增加，開始階段增大迅速，後期較緩慢。開始階段，過飽和濃度引起的鈰鈣矽石相自身長大的同時，粗化也明顯地進行著，析出和粗化同時控制著晶粒長大的過程。後期，在轉變分數 χ接近1的情況下，鈰鈣矽石相的粒度仍在增長，說明體系處於準平衡狀態，鈰鈣矽石相粒度的差異，導致了晶粒粗化過程受粗化能控制。另外，等溫溫度高，形核率小，熔渣的粘度較小，有利於鈰鈣矽石溶質的擴散，也就有利於鈰鈣矽石相的粗化長大。這與實驗結果一致。針對析出相的長大粗化，文獻的作者在研究鈣鈦礦相等溫析出晶粒長大過程中，得出了較普遍的規律。指出體系處於粗化控制時，球形晶粒半徑的立方與時間呈線性關係，這也符合文獻的粗化動力學方程。
含稀土高爐渣中鈰鈣矽石相的析出動力學
為了綜合利用含稀土高爐渣，用‘’淬火法‘’研究了非等溫過程含稀土高爐渣中鈰鈣矽石相的結晶行為，並討論了其析出和長大的動力學規律。實驗結果表明：鈰鈣矽石相的形核、生長與冷卻速度有關。冷卻速度小，形核少，粗化明顯，有利於鈰鈣矽石相的長大。鈰鈣矽石相的開始析出溫度為1310℃。當冷卻速度為0.5℃/min時，其體積分數可達19%, 平均半徑為180μm。鈰鈣矽石相的析出動力學過程可近似用 JMAK經驗方程描述。
溫度和冷卻速度對鈰鈣矽石相析出量的影響
在冷卻速度一定時，隨著溫度的降低，鈰鈣矽石相的體積分數增大，但降溫初始階段的析晶速度明顯高於後半段。鈰鈣矽石相析出量(體積分數)趨於零時對應的溫度表示在該冷卻速度下鈰鈣矽石相的初晶溫度。可以看出 ：鈰鈣矽石相的初晶溫度為1310℃左右。溫度低於1150℃時，便取不出淬火樣品，表明熔渣已結晶完畢。當冷卻速度α→0時，鈰鈣矽石相的體積分數趨於一有限值，表明體系達到化學平衡狀態，此時鈰鈣矽石相的析出量為最大值；當α=0.5℃/min時，析出量約為19%;當α→∞時，析出量趨於零，說明快速冷卻可抑制鈰鈣矽石相的析出。
溫度和冷卻速度對鈰鈣矽石相晶粒度的影響
可見，在一定的冷卻速度下，隨著溫度的降低，鈰鈣矽石相的晶粒度增大，且溫度高時鈰鈣矽石相的半徑增長較快。同時，冷卻速度對鈰鈣矽石的晶粒度影響顯著，冷卻速度越小，晶粒度越大。當α=0.5℃/min時，鈰鈣矽石相的r可達180μm。實際上，鈰鈣矽石相的長大由兩個機制驅動：一方面，過飽和濃度導致晶粒的自身生長；另一方面，在冷卻析晶過程中，始終存在鈰鈣矽石晶粒的差異，小的鈰鈣矽石晶粒比大的鈰鈣矽石晶粒具有更高的比表面能，瞬時平衡時的相應離子濃度也更高，由此導致不同晶粒度的鈰鈣矽石表面相應離子濃度的差異。這一差異使離子由小晶粒的表面向大晶粒的表面遷移，導致小晶粒溶解，大晶粒長大(這一過程被稱作晶粒粗化)。另外，冷卻速度小時形核率低，晶粒的數量少，有利於離子的遷移，也就有利於鈰鈣矽石相的粗化長大，這與實驗結果一致。
