CC BY
24
УДК 541.123.3: 546.72 821-31
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ Ре-И-О В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 1173-1573 К
А.В. Голлай, А.А. Лыкасов
В работе методом ЭДС были изучены фазовые равновесия с участием шпи-нельного раствора и корундовой фазы в интервале температур 800^1000 °С. Рассчитаны равновесные парциальные давления кислорода над исследуемыми образцами. Определены границы области сосуществования шпи-
нельного и ильменитового растворов на диаграмме состояния ^ р0- состав-температура системы Ре-И-О в интервале температур 1073-1273 К. Построены изокислородные сечения диаграммы состояния в интервале температур 1173-1573 К.
В системе Бе-Т1-О в интервале температур 1100-1600 К кроме двойных соединений систем Бе-О, Т-О и Бе-Т существуют следующие тройные соединения: Бе2ТЮ4 (ульвошпинель), БеТЮ3 (ильменит) и Бе2ТЮ5 (ферропсевдобрукит), представляющие исключительный интерес для производства титана, ферротитана и пигментов. Химические соединения этой системы образуют ряд твердых растворов. В интервале температур 1100-1600 К магнетит и ульвошпинель, гематит и ильменит неограниченно растворяются друг в друге. Раствор Бе3О4 и Бе2ТЮ4 имеет структуру шпинели (шпинельный раствор, Б), а раствор Бе2О3 - БеТЮ3-структуру типа корунда (корундовая фаза, I). Ограниченные растворы образуются на основе вюстита (БеОу) (вюститная фаза, ^ и ферропсевдобрукита (псевдобрукитная фаза, Р). Термодинамические свойства этих веществ изучены недостаточно. Анализ литературных данных показал, что наиболее подробная информация о диаграмме состояния системы получена для температур 1223, 1473 и 1573 К. Построенные нами при этих температурах изотермические сечения диаграммы представлены в работе [1].
В настоящем исследовании методом ЭДС изучены фазовые равновесия с участием шпинель-ного раствора и ильменитовой фазы. Образцы для исследования готовили методом твердофазной реакции из порошков карбонильного железа, оксида железа Бе2О3 классификации «о.с.ч.» и оксида титана ТЮ2 классификации «о.с.ч.». Спекание проводили при температуре 1000 °С в течении 40 часов в вакууме. Состав образцов уточнялся химическим и рентгенофазовым анализами.
Измерялась ЭДС элемента:
Р1| Бе, БеО | 2гО2+У2О3 | Бе—Т1еОу| Р1, где Бе, БеО - электрод сравнения (равновесная смесь железа и вюстита, ее термодинамические свойства заимствованы из работы [2]), 2гО2+У2О3 - твердый электролит, Бе1-еТ1еОу - исследованный образец, (1-е) - катионная доля железа; с - катионная доля титана; у - степень окисленности.
Использовалась гальваническая ячейка с разделённым газовым пространствам. Конструкция полуэлемента с исследуемым образцом приведена на рис. 1. Основа полуэлемента - тигель 2 из диоксида циркония 2гО2, стабилизированного У2О3. Его наполовину заполняли порошком исследуемого образца 5, в который погружали платиновый токоотвод 1, касающийся слоя дисперсной платины 6, нанесенной на дно тигля. Свободное пространство над исследуемым образцом заполняли сначала таблеткой из твердого электролита 4 (для исключения взаимодействия цемента с исследуемым веществом), а затем несколькими слоями огнеупорного цемента 3. После нанесения каждого слоя производили сушку сначала на воздухе в течение суток, а затем в вакууме при постепенном нагревании до 400 °С. Платиновый токоотвод перегибали между слоями цемента. Цемент готовили из тонкодисперсного порошка (размер частицы 2-3 мкм) смеси диоксида циркония 2гО2, стабилизированного 10 мас.% У2О3, и жидкого стекла плотностью р = 1,36 г/см3.
Измерения ЭДС проводились в интервале 800^1000 °С как при повышении, так и при понижении температуры. Значение воспроизводилось с точностью ±5 мВ.
Рис. 1. Схема полуэлемента
На основании полученных экспериментальных данных по уравнению Нернста рассчитаны равновесные парциальные давления кислорода над исследуемыми образцами. Экстраполяция этих зависимостей до значения давления кислорода, соответствующего условию трехфазного равновесия 8+1+Бе [3], определяет положение конод в этой двухфазной области. Данные по равновесию Ре304 + Ре203 заимствованы из работы [4]. Зависимость ^ р02 от состава раствора представлена на рис. 2.
Зависимость ^ р02 от состава шпинельной фазы имеет сложный характер, до содержания титана, соответствующего с~0,45 р02 изменяется в пределах двух порядков, а в дальнейшем резко уменьшается до значений р02, соответствующего равновесию железо-шпинель-ильменит. lg р02 вдоль границы шпинельной фазы носит, более монотонный характер.
Рис. 2. Зависимость равновесного давления кислорода от состава шпинельного и ильменитового растворов. 1 - 1273, 2 - 1223, 3-1173,4-1123,5-1073 К
Голлай А.В., Лыкасов А.А.
Изотермические сечения диаграммы состояния системы Ре-Т—О в интервале температур 1173-1573 К
Рис. 3. Изотермические сечения диаграммы состояния системы Ре-И-О при температуре 1173 и 1223 К W - твердый раствор титана в вюстите, Б - твердый раствор магнетита и ульвошпинели, I - твердый раствор гематита
и ильменита, Р- ферропсевдобрукит, К - рутил
Рис. 4. Изотермические сечения диаграммы состояния системы Ре-И-О при температуре 1273 и 1373 К W - твердый раствор титана в вюстите, Б - твердый раствор магнетита и ульвошпинели, I - твердый раствор гематита
и ильменита, Р - ферропсевдобрукит, К - рутил
Голлай А.В., Лыкасов А.А.
Изотермические сечения диаграммы состояния системы Ре-Т-О в интервале температур 1173-1573 К
Рис. 5. Изотермические сечения диаграммы состояния системы Ре-И-О при температуре 1473 и 1573 К W - твердый раствор титана в вюстите, Б - твердый раствор магнетита и ульвошпинели, I - твердый раствор гематита и ильменита, Р - ферропсевдобрукит, К - рутил, Ф.М. - фазы Магнели
Используя полученные экспериментальные данные. Нами было уточнено, опубликованное в работе [1] изотермическое сечение диаграммы состояния системы при температурах 1223 К. А также дополнительно построены сечения при температурах 1173, 1273 и 1373 К. Изотермические сечения диаграммы состояния системы Fe-Ti-O в интервале температур 1173 - 1573 К представлены на рис. 4-6.
Литература
1. Диаграмм состояния системы Fe-Ti-O при температуре 1223, 1473 и 1573 К/ А.А. Лыка-сов, А.В. Голлай, В.М. Лопатко, М.В. Судариков// Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». - 2003. - Вып. 3. - № 6 (22). - С. 141-143.
2. Физико-химические свойства вюстита и его растворов/ А.А. Лыкасов, К. Карел, А.Н. Мень и др. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1987. - 230 с.
3. Лыкасов А.А., Судариков М.В., Лопатко В.М. Условия равновесия фаз системы Fe-Ti-O в интервале температуры 1100...1600 К // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2002. -Вып. 2. - № 2(11). - С. 20-21.
4. Теоретические основы процессов производства углеродистого феррохрома из Уральских руд/ В.П. Чернобровин, И.Ю. Пашкеев, Г.Г. Михайлов и др. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 347 с.
Поступила в редакцию 25 октября 2005 г.
