VoL23 No.5 刘克明等：高炉渣合成Caa-Sialon-SiC粉的热力学分析及工艺优化 ·405 O-N和Ca-O-N3个体系的凝聚相平衡分压， pop°=l0-常压合成Ca-a-Sialon,pw-0.lMPa 由此绘制了这3个体系叠加的热力学参数状态 由图1可以看出当p,O.1MPa时，氧分压需要 图（见图2） 处于10103范围内，本实验利用B-B反应 图2中阴影部分满足合成Ca-a-Sialon所 控制氧分压使其落在所需的范围内， 需的气氛条件.本工作使用高纯氮气（氧分压 1.3碳热还原氨化合成Ca-a-Sialon过程中杂 -14 质的走向 SiO,+AlO,+CaO -16 CaO+SiN:O+AlO, 由于高炉渣等合成原料中除含有Ca,Si,Al -18 Si+Al,O,+CaO CaO+Si.N:O+AIN 和O等合成Ca-a-Sialon的元素外，还含有Na, K,Fe和Mg等杂质元素的氧化物，在烧结过程 -20 /CaO+Si.N.O+Al.O,N 中杂质的去向是人们普遍关注的一个问题，因 6 -22 i+Al+Cad CaO+Si+ALON 为这些元素的存在将对最终材料的力学性能及 -246 Si+AIN+CaO 其高温性质有一定的影响.本文利用有关热力 -26 CaN,+Si+AIN 学数据计算分析了这几种杂质元素的走向. -28Ca+Al+Si Ca+Si+AIN Ca,Nz+SiN,+AIN 计算了Mg-O-N体系1873K下的凝聚相 -30L 0 平衡分压（见表1），并由此绘制了该体系的热力 -8 -6 -4 -2 Ig (p/p) 学参数状态图（见图3）. 图21873K下Si-0-N-A-0-N和Ca-0-N体系叠 由于氮气分压为0.1MPa,从图3可看出在 加热力学参数状态图 该实验条件下，Mg元素以MgO或MgN,的形 Fig.2 Overlapped phase stability diagram as a function of 式存在，在合成反应过程中，Mg元素固溶进入 partial pressure of nitrogen and orygen at 1873K 表11873K下Mg-0-N体系凝聚相及其平衡分压 Table 1 Condensed phases and their equilibrinm partial pressures for Mg-O-N system at 1 873 K 反应式 平衡分压 3Mg(g)+N:(g)-Mg.N:(s) gpp=-1.74 Mg(g)+O:(g)-MgO(s) g(pop>-21.86 jMgN.(s)+jO.(g)-N.(g)+MgO(s) Ig(po/p)=-23.02+lg (pw/p) △，G=-459400+87.4T(Jmo) (4) -20 Mgo 6Fe0)+O(g)=2Fe,O,(s) -21 △，G=-978200+459T(0mol) (5) 5 -22 通过计算得出，1873K下两反应的平衡氧 -23 -24 Mg MgNa 分压g(pop)分别为-825和-3.30，所以此时 在该体系中液相FeO的形式是稳定的.烧结过 -25 -26l 程中Fe0与原料中未反应的SiO2或AlO,结合 -6-5-4-3-2 -1012 进人到玻璃相中 Ig (palp") 杂质元素Na和K在碳热还原过程的前期 图31873K下Mg-0-N体系热力学参数状态图 中，主要存在以下的反应： Fig.3 Phase stability diagram of Mg-O-N system at 1 873K 2Na(g)+O:(g)=Na:O(I) Ca-a-Sialon的晶格，形成Ca(Mg)-a-Sialon. △.G=-518800+23407T(Jmol) (6) 在合成过程末期，碳粉被反应完全损耗，体 2K(g+0(g)=K,0(s) 系的氧分压约为10（高纯氮气中的氧分压约为 △，G=-487700+252.95T(Jmol) ( 1×l0-),体系中的Fe元素主要存在以下两个反 由于本实验条件下，Na,K的平衡分压未知， 应： 但肯定小于1个标准压力，令gpp0QM代 2Fe(1)+O:(g)=2FeO(1) 表Na或K的单质气体)，通过计算得出，1873K习乞 刘克明等 高炉渣合成 加加企 记 粉的热力学分析及 工 艺优化 一 和 一 一 个体系的凝聚相平衡分压 ， 由此绘制 了这 个体系叠加 的热力学参数状态 图 见 图 图 中阴影部分满足合成 一 一 所 需 的气氛条件 本工作使用高纯氮气 氧分压 一 一 斗 引 十 成 日十 ， 十 十人 矛， 十 周 ， 咖一 一 勺常压合成 一 一 必冈 由图 可 以看 出当介冈 时 ， 氧分压需要 处于 一 ’ 一 ， 范围内 ， 本实验利用 一 反应 控制氧分压使其落在所需 的范 围内 碳热还原氮化合成 一 一 过程中杂 质的走向 由于 高炉渣等合成原料 中除含有 ， ， 和 等合成 一 一 的元素外 ， 还 含有 ， 和 等杂质元素的氧化物 ， 在烧结过程 中杂质的去 向是人们普遍关注 的一个问题 ， 因 为这些元素的存在将对最终材料 的力学性能及 其高温性质有一定 的影 响 本文利用有关热力 学数据计算分析 了这几 种杂质元素的走 向 计算 了 一 一 体系 下 的凝聚相 平衡分压 见表 ， 并 由此绘制 了该体系的热力 学参数状 态 图 见 图 由于氮气分压 为 ， 从 图 可 看 出在 该实验条件下 ， 元素以 或 的形 式存在 ， 在合成反应过 程 中 ， 元素固溶进人 户夸感 一 一的 一 一 一 一 俩 圈 下 一 一 一 一 一 和 一 一 体 系 加热 力学今数状态圈 啥 伽 山 卜 川 恤 ” 。 加 心 传 亩切吧 叮 衰 下 一 一 体 系凝 班相及 其平衡分压 亚 ” 曰 叫 二 肠 角 · ， 反应式 平衡分压 卜 式 一 ， 式 扭知切一 枷 峙 动一如妙 堪俩解 一 乍 一 印 。 卜 一 俩 今 从 一 一 一 一 一 嗯帆加， 圈 下 一 一 体 系热力学今数状态圈 电 几睐 址 二 。 州咭 一 ， ， 一 一 的 晶格 ， 形成 似 卜 一 在合成过程末期 ， 碳粉被反应完全损耗 ， 体 系的氧分压约 为 一 气高纯氮气 中的氧分压约 为 一今 ， 体系中的 元素 主要存在 以下 两个反 应 均 氏宁 一 小 ‘ 一 ， ， △ 宁 一 · 一 ， 通 过计算得 出 ， 下 两反应 的平衡氧 分压 印 分别为 一 和 一 ， 所 以此时 在该体系 中液相 的形式是稳定 的 烧结过 程 中 与原料 中未反 应 的 或 从 结合 进人到玻璃相 中 杂质元素 和 在碳热还 原过程 的前期 中 ， 主要存在 以下 的反应 灸 △ 宁 一 · 一 ， 卜 凡 八口 一 · 一 ， 由于本实验条件下 ， ， 的平衡分压未知 ， 但肯定小 于 个标准压力 ， 令 印办 闭 汉 代 表 或 的单质气体 ， 通过计算得 出 ， ︶一圳川司川 户号斗