Al2O3对由Soret效应驱动的铸模渣膜中元素迁移和结晶分异的影响

《Journal of the American Ceramic Society》：Influence of Al2O3 on Element Migration and Crystallization Fractionation in Mold Slag Film by Soret Effect Driven

钢连铸过程中Soret效应下添加3wt% Al?O?对熔渣薄膜结晶行为的影响研究。通过DHTT模拟700-1400℃热环境，结合SEM-EDS、EPMA、拉曼及MAS-NMR分析发现：Al?O?促使结晶方向改变，形成先尼藓后钙长石-方沸石序列，并通过调控元素迁移（CaO向高温区迁移，SiO?、Na?O、MgO向低温区迁移）及熔渣结构（[AlO?]??网络形成Na?O·Al?O?·2SiO?和Na?O·CaO·Al?O?·4SiO?，残余SiO?和Al?O?与Ca2?结合生成3CaO·2SiO?·CaF?及CaO·SiO?）揭示Soret效应驱动的结晶分凝机制，为钢模渣优化提供理论依据。

　　

摘要

索雷特效应（Soret effect）会驱动元素迁移，并导致矿物中的结晶分馏。在连续铸造钢铁的过程中，模具壁与凝固壳层之间存在约700°C的温差，这种温差伴随着索雷特效应的发生，但其对熔渣膜结晶的影响尚不清楚。本研究采用双热电偶技术（Double Hot Thermocouple Technique, DHTT）模拟了700–1400°C范围内的热环境，观察了含有0%和3% Al₂O₃的熔渣膜在索雷特效应作用下的结晶行为。通过能量色散X射线光谱（SEM-EDS）和电子探针X射线微分析仪（EPMA）对结晶相和元素分布进行了表征，同时利用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和魔角旋转核磁共振（MAS-NMR）分析了熔渣结构。研究结果表明，添加3%的Al₂O₃改变了熔渣膜的结晶方向和分馏过程。在没有Al₂O₃的情况下，晶体在固液界面处析出，并向低温区和高温区生长，分别在低温区形成针铁矿（cuspidine），在高温区形成 wollastonite。而添加3% Al₂O₃后，首先在低温区析出霞石（nepheline），随后随着温度升高依次形成melilite、针铁矿和wollastonite。这种差异是由于Al₂O₃改变了索雷特效应下的元素迁移和熔渣结构：CaO向高温区迁移，而SiO₂、Na₂O和MgO则向低温区移动。从机理上讲，Al₂O₃以[AlO₄]^5?的形式存在，与Na⁺结合形成Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂和Na₂O·CaO·Al₂O_{32；剩余的Al2O3与Ca²⁺反应生成3CaO·2SiO2·CaF2和CaO·SiO2。这些发现阐明了由Al2O3调控的索雷特效应驱动的元素迁移和结晶分馏机制，为优化铸造用保护剂提供了新的见解。}

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

本研究的支持数据可向通讯作者提出合理请求后获取。