Термодинамический анализ системы [Fe-C-Mn-Cr]т - Cr2 o3т - MNnOm - Cr7 c3т - (со-со2 )г при 1273-1373к Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

МЕТАЛЛУРГИЯ И СВАРКА

УДК 669.017

В.А. Фролов, С.В. Шишкина

Курганский государственный университет

MnO

К3 - x P

AMnA О

1/2 2

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ [FE-C-MN-CR^ - CR2 03Т ■ MNnOm - CR7 СзТ - (СО-СО2 )г ПРИ 1273-1373К

■ МПз°4 -

Мп2О3

1. Система РеО - МпО -

В системе Рв-Мп-О могут существовать оксиды РеО, МпО, Мп3О4 Мп2О3 [1]. Оксиды Ре3О4, Ре2О3 и МпО2 разлагаются при более низких температурах. Для определения областей устойчивости различных оксидов в равновесии с металлическим расплавом рассмотрим реакции их образования. Твердый раствор [Ре-Мп]т при 1273-1373 К близок к совершенному, и активности компонентов раствора можно принимать равными концентрациям. Следует учитывать также, что МпО образует с РеО непрерывный ряд твердых растворов (МпО- РеО)т. В системе [Ре-Мп]т - [РеО]т -МппОт- О2г могут протекать следующие реакции:

[Ре]т + 1/2О2г = (РеО)т (1)

Здесь и далее в скобках указаны твердые растворы, без скобок - чистые компоненты, индекс т-«твердый», г -«газ».

a

FeO

К1 =

xP

Fe O

1/2

[Мп]т + 1/2О2г - (МпО)т

(2)

(3)

3[Мп]т + 2О2г - МПзО4т ; 1

К5 = Х M

а л л"

P2 1 4

Аннотация

Представлен термодинамический расчет взаимодействия оксида хрома с марганцем серого чугуна. Показана возможность окисления основы серого чугуна и на этой основе создание технологии диффузионного хромирования серого чугуна.

Ключевые слова: твердый раствор, энергия Гиббса, реакция, окисление, температура, активность, концентрация.

V.A. Frolov, C.V. Shishkina Kurgan State University

THE THERMODYNAMIC ASSAYING OF THE SYSTEM [FE-C-MN-CR^ - CR^ -MNnOm - CR^ - (C0-C02)r AT 1273-1373 К

Annotation

It is presented the thermodynamic calculation of interaction of a chrome oxide with manganese of gray iron. It is shown an opportunity of oxidizing of a gray iron ground and on thus the creation of technology of diffusive chromium coating of gray iron.

Keywords: a firm solute, Gibbs energy, reaction, oxidizing, temperature, activity, concentration.

2[Мп]т + 3/2О2г - Мп2О3т ; 1

К7 =

Х 2 р 3/2 Mn O2

(5)

(6)

(7)

(8)

Уравнения для расчета констант равновесия реакций следующие [2]:

1дК1= 13740Т-1-3,353 (9)

1дК3= 20109,3Т-1-3,849 (10)

1дК5= 723283Т-1-18,304 (11)

1дК7= 50070 Т-1-13,550 (12)

Для определения активностей компонентов твердого раствора (МпО-РеО)т воспользуемся экспериментальными данными [3], в которых представлены значения активностей вюстита (РеО) в твердом растворе (МпО-РеО)т при 1273—1373 К (рис.1).

аРво

0 0,4 0,8 ХРв0

Рис.1. Зависимость коэффициента активности вюстита от концентрации вюстита в растворе при Т = 1273 К.

Считая, что раствор (МпО-РеО)т регулярный, для компонентов получили следующие уравнения для аМпО и а.

[3]:

lgaFeO-lgXFeO+

б,

(FeO -MnO ) —--(1-X )2 ;

2,303RT ( Feo) ;

(13)

Q,

(FeO-MnO )

lgaMnO-lgXMnO+ 2 303RT ^"XMnO) .

(14)

Здесь Q(FeO-MnO) - 11297 Дж.

Решая совместно уравнения (9), (10), (11), (12) с учетом, что

| ХFe + = 1

[XFeO + XMnO = 1

получаем

K3 XMn

aMnO aFeO K 1 — X

Л1 J XMn

(15)

(16)

серия «технические науки», выпуск 5

97

Задаваясь составом твердого раствора и используя уравнения (5) и (6), учитывая, что аРе0= хРе0 и аМп0 = хМп0, определили состав равновесного оксидного раствора. Результаты расчета приведены в табл.1.

Таблица 1

Параметры равновесия [Ре-Мп]т -(РеО-МпО)т-О2г

Таблица 2

Параметры равновесия системы

[Fe - C -Mn - Cr]Т - Cr2O3T - Cr7C3T -MnOT -

Т, К хмп XFe ампо aFeO XMnO XFeO

1273 0,0100 0,9900 0,9990 0,0029 0,9990 0,0010

0,1000 0,9000 0,9999 0,0003 0,9999 0,0001

1373 0,0100 0,9900 0,9970 0,0080 0,9970 0,0030

0,1000 0,9000 0,9998 0,0005 0,9998 0,0002

(СО-СО)

Т, К |дК43 К Хмп Х3Мп асг Хсг

1273 2,796 6,25102 10-2 10-6 0,065 0,4010-3

10-3 10-9 0,007 0,4410-4

1323 2,760 5,75102 10-2 10-6 0,062 0,6010-3

10-3 10-9 0,006 0,6210-4

1373 2,727 5,33102 10-2 10-6 0,060 0,7210-3

10-3 10-9 0,006 0,7010-4

Из табл. 1 следует, что состав оксидного раствора практически не зависит от состава сплава. При содержании Мп менее 1% оксидная фаза содержит более 99% МпО. В рассматриваемых условиях содержание РеО менее 0,001 %. Таким образом, при анализе системы [Ре-Мп]т -(РеО)т -(Мпп0т)т-О2г оксиды Мп3О4т, Мп2О3т и РеО можно не учитывать.

2. Система [Fe-C-Mn-Cr]т - Cr2О3т-MnОт-Cr7C3т- (СО-СО2 )г

В исследуемой системе при температуре 1273-1323 К и давлении может реализоваться равновесие твердый раствор -(СО-СО2)г [2].

В моновариантной системе

^е - С - Мп - Сг ]Т - Сг2йЗТ - Сг7С3т -МпОт

(С=5-5+1=1) протекают химические реакции:

Сг2О3т+ 3[Мп]т =2[Сг]т+3 МпОт ; (17)

Как следует из приведенных данных, марганец чугуна практически полностью окисляется оксидом хрома. Марганец, как и кремний, предохраняет углерод от окисления.

Список литературы

1.Kubaschewski, O., Heymer G. The thenmodynamio of the chromium system // Acta Metal.-1960.-V.8.-.№7.-P. 416-423.

2.Гуревич Ю.Г. [и др.]. Легирование железа через газовую хлоридную фазу. - Свердловск: Академия наук СССР. Уральское отделение, 1992.-190 с.

3.Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика железоуглеродистых сплавов.- 2-е изд.-М.Металлургия, 1964.247 с.

4. Сталеплавильное производство. Справочник /под общ. ред.

А.М.Самарина.-М.: Металлургия,1964. - Т. 1.- 527 с.

5. Германюк, Н.В. [и др.]. Термодинамический анализ процесса

хлорирования окислов железа и хрома // Теория и технология процессов порошковой металлургии. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1978.- С.37-41.

К - QCr

3[С ]т + 7 [Cr ]т = Cr7C3T;

K = J—

19 з 7 ; aCaCr

[С]т + СО2г=2СОг ;

К21 =

P

CO

a P

"C1 CO,

(18)

(19)

(20) (21)

(22)

В соответствии с [4]

^ ^ = 9105T 1 + 1,353 . (23)

Зависимость логарифмов констант от температуры находили по закону Гесса комбинированием известных термодинамических данных [5]:

3[Мп]т+3/2О2г=3 МпОт; (24)

31д К24=3(20109,3Т-1-3,849) ; (25)

2[Сг]т+3/2О2г ^^ (26)

1дК26=59128Т-1-13,4 ; (27)

вычитая (26) из (24), получаем К17

1дК17=1199,9Т-1+1,853. Результаты расчета приведены в табл.2.

(28)

УДК 669.017

Ю.Г. Гуревич, В.В. Марфицын, В.А.Фролов, С.В. Шишкина

Курганский государственный университет

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКСИДА ХРОМА С УГЛЕРОДОМ СЕРОГО ЧУГУНА

Аннотация

Сделан термодинамический анализ системы [Ре-Сг-С]Т - Сг пС m при температуре 1273-1373 К и показана термодинамическая вероятность образования карбида хрома при взаимодействии оксида хрома с углеродом чугуна.

Ключевые слова: температура, время, термодинамика, система, активность, концентрация.

Y.G. Gurevich, V.V. Marfitsyn, V.A. Frolov, C.V. Shishkina Kurgan State University

THE THERMODYNAMIC ANALYSIS OF CHROME OXIDE WITH GRAY IRON CARBON INTERACTION

Annotation

It is done the thermodynamic assaying of system [Fe-Cr-C]T - CrnCm at temperature 1273-1373 K and shown the thermodynamic probability of formation of a chrome carbide at interaction of a chrome oxide with carbon of pig- iron.

2

98

вестник кгу, 2010. №1