本发明属于冶金技术领域，具体为一种探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的装置及方法。
背景技术
钢中存在的非金属夹杂物，会破坏金属的连续性和均匀性。在交变应力的作用下，易产生应力集中，形成疲劳裂纹源，降低钢的疲劳寿命。大量研究指出脆硬性的夹杂物，如三氧化二铝，不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，易造成应力集中，有时变形时还会划伤钢的基体，严重影响产品的疲劳寿命，这类夹杂在钢中的危害极大。合适的精炼渣系对夹杂物的去除起着至关重要的作用，但是在目前的研究中，人们大多关注实验过程中精炼渣系对洁净钢的作用，忽视了在实验过程中坩埚耐火材料与冶金渣系的反应对实验过程产生的影响，特别是含氟较高的渣系。因此，有必要探究冶金渣系与实验坩埚材料反应的速率，产物等机理，为合适的精炼渣系设计、评估提供可靠的理论依据。
目前，实验室渣金平衡常见的坩埚材料主要为氧化铝坩埚和氧化镁坩埚，在实验过程中发现，经过30～60min的平衡之后，坩埚的侵蚀比较严重。同时，由于渣金平衡过程采用的渣量不大，被侵蚀下来的坩埚材料对渣系成分的影响较大，变化后的渣系与钢液接触，通过渣金平衡将改变钢中原有的夹杂物。因此，有必要在进行渣金平衡实验之前比较冶金渣系与实验坩埚材料反应情况，以便于对坩埚材料进行合理的选择或采取适当的措施减少熔渣与坩埚的直接接触。
现有的实验设备在研究渣系对氧化物棒的侵蚀过程中，需要每过一段时间后取出，然后在稀盐酸中浸泡12～24h，之后称量实验前后质量的变化情况，通常完成一组实验需要几天时间，实验周期较长，程序比较复杂，需要一种简便的工艺来代替。
技术实现要素：
针对现有实验技术存在的不足，本发明提供一种探究冶金与实渣系验坩埚材料反应机理的装置及方法，能够直接在线记录实验坩埚材料制成的氧化物棒被冶金渣系侵蚀的速率，工序较少，简单易行；还能够将实验后剩余的氧化物棒采用扫描电镜观察反应界面，分析精炼渣系与氧化物棒的反应机理。
具体技术方案为：
一种探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的装置，包括：底吹保护气管、热电偶、底部炉盖、冷却水入口、炉体、炉盖、发热体、顶部炉盖、带底钩的分析天平、水平托盘、石墨套筒、钼丝、实验坩埚耐火材料制成的氧化物棒、石墨坩埚、液压升降装置、冷却水出口、刚玉炉管、耐火砖；
其中，实验坩埚耐火材料制成的氧化物棒(13)用钼丝(12)挂在放于水平托盘(10)上的带底钩的分析天平(9)的底钩上，氧化物棒置于加装了石墨套筒(11)的石墨坩埚(14)上方，刚玉炉管(17)两端分别用顶部炉盖(8)、底部炉盖(3)密封，刚玉炉管内底部炉盖上设置耐火砖a；底吹保护气管和热电偶通过底部炉盖和耐火砖a插入刚玉炉管中，发热体镶嵌于耐火砖b中分布在刚玉炉管周围，炉体(5)的上方用炉盖(6)密封，冷却水出口和冷却水入口分别设置于炉体的上下两侧；液压升降装置(15)控制炉体升降，各部件之间的连接采用法兰，缝隙采用耐火棉填充。
采用上述装置探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的方法，包括以下步骤：
(1)称量实验渣系，将实验渣系混匀后加入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚及石墨套筒放入刚玉炉管中保护炉管；
(2)通冷却水，通入保护气，然后开始升温，当温度上升至1000～1200℃时，降下实验坩埚材料制成的氧化物棒让其底部与固体渣刚好接触；
(3)继续升温到1500～1600℃，保温10～15min使渣液成分均匀；
(4)下降氧化物棒直至其底部浸入渣液深度2～3cm，稳定1～2分钟后记录天平示数m0；
(5)以后每隔相同时间间隔记录一次天平示数，分别记为m1、m2……，直至天平示数不在发生变化，记录次数不少于两次，实验过程持续30～60min，停止实验开始降温；
(6)实验结束之后取出氧化物棒及实验后的渣系，关闭冷却水，关闭保护气，关闭实验电源。
进一步地，上述实验结束后，根据记录的天平示数，绘制实验坩埚材料制成的氧化物棒质量随时间变化的关系图，即m-t图，采用线性拟合的方法拟合出氧化物棒的侵蚀速率。
进一步地，上述实验结束后，运用扫描电镜观察实验后剩余的氧化物棒与渣系接触的界面形貌，并对反应区域采用能谱分析仪作元素分布图，分析界面产物及反应机理。
进一步地，上述用金刚石锉截取反应界面附近1～2cm高度，表面采用水磨砂纸按照400#、600#、800#、1200#、1500#、2000#的顺序磨光之后进行喷金处理，在扫描电镜下观察界面形貌，运用能谱分析作元素分布图，分析界面产物及反应机理。
与现有技术相比，本发明的特点和显著效果是：
本发明能够直接在实验过程中读取氧化棒被冶金熔渣侵蚀后的质量，在研究夹杂物溶解速率时不需要每隔一段时间就将被侵蚀后的氧化物棒从冶金熔渣中取出，然后采用0.25～1.0mol/l的稀盐酸浸泡12～24h左右，能够快速、准确地了解氧化物棒被熔渣侵蚀的质量变化情况，从而拟合出冶金熔渣对氧化物棒的侵蚀速率。
本发明采用液压升降系统能够及时有效地调节氧化物棒的高度，使冶金熔渣与氧化物棒较好接触。
采用本发明探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的装置进行实验后，完整地保留了侵蚀了氧化物棒的渣系及被侵蚀的氧化物棒。可以截取1～2cm的被侵蚀后的氧化物棒与渣系的接触界面，将接触界面表面磨光之后进行喷金处理，在扫描电镜之下可以观察接触界面的形貌，利用能谱分析仪可以获得界面处的成分变化情况，分析出反应产物，阐述冶金渣系与实验坩埚材料的反应机理。
附图说明
图1是本发明的探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的装置结构示意图。
图2氧化物棒与渣系界面反应的未反应核模型。
图3氧化铝棒在“三七渣”中被侵蚀的质量变化情况及线性拟合曲线。
图4反应后氧化物棒与液态熔渣的接触界面形貌。
图5反应区域主要元素分布情况。
图6各渣系中对氧化镁棒的侵蚀
图中：1底吹氩气管；2铂铑热电偶；3底部炉盖；4冷却水入口；5炉体；6炉盖；7硅钼棒发热体；8顶部炉盖；9带底钩的分析天平；10水平托盘；11石墨套筒；12钼丝；13坩埚耐火材料制成的氧化物棒；14石墨坩埚；15液压升降装置；16冷却水出口；17刚玉炉管；18耐火砖a；19耐火砖b。
具体实施方式
本实施例中的探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理的装置结构示意图如图1所示，包括：底吹氩气管、铂铑热电偶、底部炉盖、冷却水入口、炉体、炉盖、硅钼棒发热体、顶部炉盖、带底钩的分析天平、水平托盘、石墨套筒、钼丝、坩埚耐火材料制成的氧化物棒、石墨坩埚、液压升降装置、冷却水出口、刚玉炉管、耐火砖a、耐火砖b。
其中，实验坩埚耐火材料制成的氧化物棒用钼丝挂在放于水平托盘上的带底钩的分析天平上，并且置于加装了石墨套筒的石墨坩埚上方，刚玉炉管两端分别用顶部炉盖、耐火砖a和底部炉盖密封，底吹氩气管和铂铑热电偶通过封底耐火砖和底部炉盖插入刚玉炉管中，硅钼棒发热体放于耐火砖b内分布在刚玉炉管周围，炉体的上方用炉盖密封，液压升降装置15控制炉体升降，各部件之间的连接采用法兰，缝隙采用耐火棉进行填充。
本发明实施例中氧化铝和氧化镁棒的直径为8mm，长度70mm，通过钼丝悬挂在带有底钩的分析天平上。
本发明实施例中分析天平的量程为200g。
本发明实施例中采用的保护气氛为高纯氩气。
实施例1
本实施例采用图1中的装置探究冶金渣系与实验坩埚材料反应机理，按照以下步骤进行：
(1)按比例称量“三七渣”(70％caf2，30％al2o3)120g，将称量好的冶金渣系放入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚与石墨套管分别放入刚玉炉管中；
(2)用金刚石锉截取直径为8mm的氧化铝棒70mm，用钼丝绑好后挂在放在水平托盘上的分析天平的底钩上；
(3)开始升温之前，通入冷却水，打开高纯氩气，排除装置中的空气，氩气流量控制在2l/min，通氩30min之后开始升温，之后一直维持氩气流量为1～2l/min；
(4)当温度上升至1000℃时，调节氧化铝棒的高度，使其下端刚好与还未开始熔化的冶金熔渣接触；
(5)继续升温至1550℃后，开始保温，保温10min，待熔渣完全熔化均匀后，降下氧化铝棒，使其与液态熔渣的接触高度为30mm；
(6)稳定1min之后记录分析天平示数m0，以后每隔5min记录一次天平示数，分别记为m1，m2……直至天平示数不在发生变化，根据天平示数绘制质量时间(m-t)图；
(7)实验结束后开始降温，当温度降至室温后，取出剩余的氧化铝棒及侵蚀氧化铝棒后的冶金熔渣，关闭氩气，关闭冷却水，关闭实验电源；
(8)根据实验过程中记录的质量时间(m-t)图拟合出氧化物棒的侵蚀速率；
(9)截取剩余的氧化铝棒与熔渣接触的界面20mm，界面用砂纸打磨光亮后进行喷金处理，运用扫描电镜观察反应界面的形貌，用能谱分析仪检测界面处的成分变化，用未反应核模型揭示反应机理，如图2所示。
其中，ca为未反应核中a物质的浓度，cb为渣系中b物质的浓度，d为与未反应核中心的距离。界面反应开始时，氧化物棒与液态渣系直接接触，发生界面反应生成中间产物c，随着反应的进行，中间产物层加厚，阻碍氧化物棒与液态渣系的直接接触；但是，由于在中间产物层c的两侧a物质与c物质存在着较大的浓度差，这两种物质相互扩散使反应继续进行，最终有可能随着反应的进行达到平衡，也有可能直至未反应核反应完全也不能达到平衡，这就体现出了不同渣系对实验用坩埚耐火材料的侵蚀能力。同时，可得出冶金熔渣与实验坩埚耐火材料发生的如式⑴所示的反应：
a+b＝c⑴
图3为氧化铝棒在“三七渣”中被侵蚀的过程中的质量变化情况及线性拟合出的侵蚀速率。采用线性拟合后，从图3中可以直观地读出氧化铝在“三七渣”中的侵蚀速率为0.017g/min。
运用扫描电镜观察反应界面的形貌，如图4所示。
从氧化物棒与液态渣层的接触界面形貌图中可以清晰地看到反应后的分层现象，中间为未反应核，两侧依次为为反应后的中间产物层，凝固后的渣层。
用能谱分析仪检测界面处的成分变化，对左侧反应区域进行线扫描，作元素分布图，如图5所示，用未反应核模型揭示反应机理如式⑵和式⑶。
从图中可以明确看出渣系中的钙与氟的浓度较高，未反应核中铝与氧的浓度较高，由于存在较大的浓度差，将自发进行扩散，中间的反应产物主要为钙铝酸盐，反应按式⑵和⑶在界面出发生，形成中间产物层。
3caf2+al2o3＝3cao+2alf3↑⑵
xcao+yal2o3＝xcao·yal2o3⑶
实施例2
本实施例采用的装置同实施例1，不同点在于：比较含氟量不同的渣系对实验氧化镁坩埚材料的影响，只需要记录与氧化镁坩埚材料相同的氧化镁棒的质量变化，即可得出氧化镁坩埚材料在不同渣系中的溶解效果，故实验方法只需要进行实施例1的步骤(1)～(8)。本实施例采用的渣系为：“三七渣”(70％caf2，30％al2o3)、6/2/2渣(60％caf2，20％al2o3，20％cao)、4/3/3渣(40caf2，30％al2o3、30％cao)，采用的氧化镁棒的直径为8mm，长度为70mm，实验时间为30min，实验结果如图6所示。
从图6中即可直接读出各渣系侵蚀氧化镁棒的反应速率，“三七渣”、“622渣”、“433渣”对氧化镁棒的反应速率分别为：0.0436g/min、0.0396g/min、0.0366g/min。由此可知：随着渣中氟化钙含量的增加，氧化镁坩埚在实验中受到的侵蚀加剧，研究高氟含量的渣系的渣金平衡实验时需要选用抗侵蚀能力更强的坩埚或者在坩埚与渣系接触的界面处添加耐侵蚀的材料阻止冶金渣系与坩埚材料直接接触。同时，这也说明直接采用氧化镁坩埚研究高氟渣系与钢液的渣金平衡实验时应适当考虑坩埚材料的侵蚀对渣金平衡实验效果的影响。