Review of the phase diagram of the (Ca, Mg, Al, Si) (O, C, N) system and experimental phase diagram study on (Ca, Al) // (O, N) system

Abstract

The phase diagram data of the (Ca, Mg, Al, Si) // (O, C, N) system is important for refractory materials, steel refining slag, and engineering ceramics. In refractory systems, metallic species containing Al and Si are often introduced to MgO-C and AlN-C refractories to inhibit the oxidation of carbon by air. AlN-MgO is used for ceramic heater materials and other engineering ceramics. The solubilities of nitrogen and carbon in refining slag and casting flux in the steelmaking process are important for controlling the impurities of N and C in liquid steel. In the present study, the accuracy of the available thermodynamic database of the (Ca, Mg, Al, Si) // (O, C, N) system was evaluated by comparing it with all the available experimental phase diagram data. Then, a phase diagram study for the (Ca, Al, Si) // (O, N) system was performed to confirm the accuracy of the thermodynamic database. The phase equilibria of the system at 1600 oC involving solid and liquid phases were investigated by classical equilibration and quenching methods, followed by Electron Probe Micro-Analysis (EPMA) and X-Ray Diffraction (XRD) for phase analysis. Isothermal phase diagrams of the CaO-Al2O3-AlN system ((Ca, Al) // (O, N) reciprocal system) at 1600 oC were determined accurately for the first time. The present experimental phase diagram study also proved that the existing phase diagram information in the literature is incorrect, and the prediction of the thermodynamic database (FactSage FTOXCN database) is accurate for the (Ca, Al) // (O, N) reciprocal system. Unfortunately, all the experimental trials of the (Ca, Si) // (O, N) reciprocal system did not succeed due to experimental difficulties.

Keywords : (Ca, Al) // (O, N) system, (Ca, Si) // (O, N) system, Phase equilibria, Thermodynamic database Student Number : 2022-26865

(Ca, Mg, Al, Si) // (O, C, N) 상태도 데이터는 내화물 소재, 철강 정련 슬래그, 그리고 세라믹에 중요하다. 내화물 계에서는 종종 Al과 Si를 포 함하는 금속 성분이 MgO-C 및 AlN-C 내화물에 도입되어 공기에 의한 탄소 산화를 억제한다. AlN-MgO는 세라믹 히터 소재 및 기타 세라믹에 사용된다. 철강 제조 과정에서 정련 슬래그와 주조 플럭스에서 질소와 탄소의 용해도는 액체 강철의 N 및 C 불순물을 통제하는 데 중요하다. 본 연구에서는 (Ca, Mg, Al, Si) // (O, C, N) 시스템 열역학 데이터베이스를 문헌 상의 상태도 실험 데이터와 비교하여 평가하였으며, 그런 다음 (Ca, Al, Si) // (O, N) 시스템에 대한 상태도 연구가 수행되어 열역학 데이터베이스의 정확성을 확인했다. 1600°C에서의 (Ca, Al, Si) // (O, N) 시스템 상 평형 실험은 고전적인 평형 및 빠른 냉각 방법을 통해 수행 되었으며, 상 분석은 전자 프로브 마이크로 분석 (EPMA) 및 X-선 회절(XRD)을 이용하였다. 본 연구에서는 1600°C에서 CaO-Al2O3-AlN 시스템의 등온 상 도표 규명이 처음으로 수행되었다. 본 연구에서 진행한 실험적 상태도 연구는 문헌에 있는 기존의 상태도 데이터가 부정확하며, FactSage FTOXCN 데이터베이스를 이용한 (Ca, Al) // (O, N) 시스템의 계산된 상태도에 대해 정확하다는 것을 입증했다. 유감스럽게도, (Ca, Si) // (O, N) 시스템의 모든 실험 시도는 실험적 어려움으로 인해 성공하지 못했다.