ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ Fe-Ti-О ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 1223, 1473 и 1573 К Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

/ДК 541.123.3: 546.72 821

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ Fe-Ti-0 ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 1223, 1473 и 1573 К

A.A. Пыкасов, A.B. Голлай, В,М. Лопатко, М.В. Судариков

На основании имеющихся в литературе данных построены и описаны изотермические сечения диаграммы состояния системы Fe-Ti-O при температурах 1223,1473 и 1573 К.

Вещества системы Fe~Ti-0 представляют исключительный интерес для производства металлического титана и его соединений. Диаграмма состояния этой системы до сих пор не построена из-за недостатка информации по фазовым равновесиям, особенно для областей с высоким содержанием кислорода, а также в условиях существования металла с высоким содержанием титана. Наиболее подробно исследованы моновариантные равновесия с участием железа. Эти данные обобщены нами в работе [1]. В работах [2, 3] приведена подробная информация о термодинамических свойствах твердого раствора титана в вюстите и условиях равновесия вюститного раствора с сопряженными фазами. Обстоятельные исследования равновесий с участием шпинельного раствора, ильменита, орторомбической фазы, рутила выполнены в работах [4-11].

В настоящей работе на основании имеющейся информации построены изотермические сечения диаграммы состояния системы Fe-Ti-0 при температурах 1223, 1473 и 1573 К. Состав системы выражен формулой Fei_cTicOy. Изотермические сечения диаграммы содержат сведения о фазовом составе системы (верхняя часть диаграммы в координатах у-с) и условиях стабильности веществ и равновесий в кислородсодержащей газовой среде (нижняя часть диаграммы в координатах lgpö2 -с). Давление кислорода выражено в атмосферах.

В системе Fe-Ti-0 в интервале температур 1100-1600 К кроме двойных соединений систем Fe-O, Ti-0 и Fe-Ti существуют следующие тройные соединения: Fe2Ti04 (ульвошпинель), FeTi03 (ильменит) и Fe2TiOs (ферропсевдобрукит). При температуре 1387+35 К образуется вещество состава FeT^Os. Но является ли оно химическим соединением или раствором в ферро-псевдобруките до сих пор не установлено.

Химические соединения этой системы при температурах 1000-1600 К образуют ряд твердых растворов. Неограниченно растворяются друг в друге Fe304 (магнетит) и ульвошпинель, а также Fe203 (гематит) и ильменит. Раствор Рез04 и Fe2Ti04 имеет структуру шпинели (шпинель-ный раствор, S), а раствор и РеТЮз - структуру типа корунда (корундовая фаза, I). Ограниченные растворы образуются на основе вюстита (FeOy) (вюститная фаза, W) и ферропсевдобру-кита (псевдобрукитная фаза, Р). Растворимость оксидов железа в оксидах титана невелика. Особенностью данной системы является то, что все перечисленные оксидные фазы в определенных условиях могут находиться в равновесии с практически чистым железом.

Вюститная фаза имеет переменный состав по кислороду. Причем, чем выше содержание титана, тем больше отклонения состава раствора от стехиометрического (FeTiO), т.е. титан стабилизирует вюститный раствор с высокой степенью окисленности. В присутствии титана отклонения от стехиометрии выше, чем у чистого вюстита. Насыщенная кислородом вюститная фаза находится в равновесии со шпинельным раствором. В условиях трехфазного равновесия вюститная фаза имеет максимальное содержание титана. Оно достаточно велико: при температуре 1073 К в вюстите растворяется до 5,5 мол.% Ti, а при 1573 К - 10,6 мол.% Ti. Шпинельная фаза, как и вюститная, имеет переменный состав по кислороду, но величина ее области гомогенности до сих пор точно не установлена. При низких содержаниях кислорода, в условиях равновесия с вюстит-ной или металлической фазами, ее состав может быть выражен формулой Fe3_zTiz04. С высококислородной стороны ее состав точно не установлен: по одним данным с увеличением концентрации титана в растворе область гомогенности шпинельной фазы существенно увеличивается по сравнению с областью гомогенности магнетита, по другим - не превышает области гомогенности магнетита при любых содержаниях титана. С вюститной фазой шпинельный раствор сопряжен до

ТЮ,

ш ф

о

4

X

Я

5 ч

ТО

Я

ю о>

го о о со

О 0.2 0,4 0,6 О,

атм]

-5

-10

8+Ре

-15

^гч

1+Р V Р+К

\ \Р

. Б \

\

-Ц V

Ч1+Ее Р+Бе ^^

Ф.М.+Ие

1 . 1 1 1

0 0,2 0.4 0,6 О, Ре --* С

Изотермические сечения диаграммы состояния системы Яе-П-О при температурах 1223,1473 и 1573 К \ЛГ-твердый раствор титана в вюстите; Б - шпинельный раствор; I - твердый раствор ЯеТЮз и Ре203;

Р - орторомбическая фаза; Я - рутил

Т Ю,ю

ТиО/ГьР,

1.0 п

Лыкасов А.А., Голлай А.В., Лопатко В.М., Судариков М.В.

Диаграмма состояния системы Fe-Ti-O при температурах 1223, 1473 и 1573 К

состава Fe2j256Tio,74404 при 1073 К или Fe2>i52Tio,84804 при 1573 К, который отличается от состава ульвошпинели Fe2Ti04.

Корундовая фаза имеет состав, близкий к (Fe, Ti)03. Фаза, насыщенная кислородом, в интервале температур 1100-1387 К находится в равновесии с псевдобрукитной фазой (Р) или рутилом, а при Т>1387 К - только с Р-фазой. Предельное содержание титана в корундовой фазе при Т>1250 К несколько превышает его содержание в ильмените, т.е. на основе ильменита образуется раствор и с меньшей, и с большей концентрацией титана. Растворимость Ti305 в ферропсевдо-бруките зависит от температуры. При температуре 1073 К она составляет -30 мол.%, а при 1387 К - 50 мол.%, т.е. при 1387 К образуется раствор состава FeTi205. В интервале температур 1100-1387 К раствор предельного состава находится в равновесии с рутилом и корундовой фазой

(I). При температуре 1187 К в равновесии находятся четыре фазы: I+P+R+Fe. При более высоких температурах оно заменяется равновесиями Р+I+Fe и P+R+Fe.

Работа выполнена по гранту Минобразования РФ.

Литература

1. Лыкасов А.А., Судариков М.В., Лопатко В.М. Условия равновесия фаз системы Fe - Ti - О в интервале температуры 1100 - 1600 К // Вестник ЮУрГУ. Металлургия. Вып. 2. - 2002. - № 2

(II).-С 20-21.

2. Лыкасов А.А. Система Fe - Ti - О. Твердый раствор ТЮ2 в вюстите // Известия Челябинского научного центра. - 2002. - Вып. 2 (15). - С. 32-35.

3. Лыкасов А.А. Система Fe - Ti - О. Активности компонентов и свободная энергия образования твердого раствора ТЮ2 в вюстите // Известия Челябинского научного центра. - 2002 г. -№ 2 (15). - С. 36-39.

4. Webster А.Н., Bright N.F.H. The system iron-titanium-oxygen at 1200 °C and oxygen partial pressures between 1 atm and 2-10"14 atm // J. Am. Ceram. Soc. - 1966. - V. 44. - P. 110-116.

5. Taylor L.A., Williams R.J., McCallieber R.H. Stability relations of ilmenite and ulvospinel in the Fe-Ti-O system and application of these date to lunar mineral assemblages // Earth and Planetary Science Letters. - 1972. -V.16. -P. 282-288.

6. Grey IE., Reid A.F., Jones D.G. Reactions sequences in the reduction of ilmenite: 4-interpetation in terms of the Fe-Ti-O and Te-Mn-Ti-0 phase diagrams // Trans. Mining and Met. -1974. - V. C83, - № 6. - P. 105-111.

7. Sticher L, Schmalzned H. Geometirische Darstellung thermodynamischer ZustandsgroBen m ter-naren System -Titan-Sanrstoff in Temperaturbereich zmistchen 1300 and 1600 CC // Arch. Eisenhut-benw. - 1976. - V.47. - № 5. - P. 261-266.

8. Ender A.; Hofmann R., Staper L., Dhupia G.s Woermann E. Die Stabilitat von Pseudobrookit-mischkristallen // Fortschritte des Mineralogie. - 1980. - V.58. - №1. - P. 26-28.

9. Anovitz L.M., Treiman A.H., Essene E.J. u.a. The heat-capacity of ilmenite and phase equilibria on the system Fe-Ti-O. // Geochim. Cosmochim. Acta. - 1985. - V.49. - P. 2027-2040.

10. Eriksson G., Pelton A.D. Measurement and Thermodynamic Evaluation of Phase Equilibria in the Fe-Ti-O System. // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. - 1996. - № 11. - P. 1839-1849.

11. Itoh Saboshi. Phase Equilibria in the Titanium-Iron-Oxygen System in the Temperature Range of 1173 to 1373 K. //ISTJ International. - 1999.- V.39.-№11.-P. 1107-1115.

Поступила в редакцию 25 апреля 2003 г.