Научная статья на тему 'Термодинамика процессов взаимодействия кислорода с металлическими расплавами систем fe-v-cr (Mn)-si-0-c'

Термодинамика процессов взаимодействия кислорода с металлическими расплавами систем fe-v-cr (Mn)-si-0-c Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
103
39
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Термодинамика процессов взаимодействия кислорода с металлическими расплавами систем fe-v-cr (Mn)-si-0-c»

УДК 669.046.558+541.1

ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ КИСЛОРОДА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАСПЛАВАМИ СИСТЕМ Ре-У-Сг (Мп)-5н-0-С*

Л.А. Чернова, Г.Г. Михайлов

В настоящее время в научной литературе содержится значительный экспериментальный материал по процессам взаимодействия кислорода, растворенного в жидком металле, с компонентами металлических расплавов. Представляется возможным на основе накопленного материала решить задачу систематизации экспериментальных данных по проблеме взаимодействия между компонентами жидких сплавов, приводящего к образованию неметаллических фаз. В качестве основного метода решения задачи выбран разработанный метод построения особых диаграмм состояния. Применение метода позволяет установить связь между составом жидкого металла и возможностью существования различных типов равновесных с ним неметаллических фаз, а также соответствующее изменение фазовых равновесий при изменении внешних условий, либо состава металлического расплава. Причем изменение состава жидкого металла на тысячные доли процента может привести к радикальным изменениям природы равновесия. Состав равновесного жидкого металла определяется на некоторой сложной концентрационной поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ), а состав сопряженных равновесных неметаллических фаз на другой поверхности, которая соответствует диаграммам состояния оксидных и прочих неметаллических фаз, устойчивых при исследуемых температурах. Границы областей составов металла, равновесного с различными неметаллическими фазами постоянного и переменного состава, устанавливают, решая совместно уравнения их констант равновесия реакций, протекание которых возможно в данной системе.

На основании изучения бинарных и тройных диаграмм состояния выполнен термодинамический анализ процессов взаимодействия кислорода, хрома, ванадия, кремния и углерода жидком железе. Установлено, что в равновесии с жидким металлом могут находиться следующие оксидные фазы: оксидные расплавы 1 (высокожелезистый) и 2 (высококремнеземистый), содержащие БеО, Сг203, У203, БЮ2, СгО, УО, твердый раствор оксидов |Сг203, У203|, твердые БЮг, УО и Сг304. В присутствии углерода возможно образование газовой фазы, состоящей из СО, С02. Химические реакции образования этих фаз и соответствующие константы равновесия имеют следующий вид.

(БеО) = [Те] + [О],

(8Ю2) = [81] + 2[0],

(СЮ) = [Сг] + [О],

(УО) = [V] + [О],

|У203| =2[У] + 3[0],

|8Ю2| =[БЦ + 2[0], |УО| =[У] + [0],

(Сг203) = 2[Сг] + 3 [О], К2 =

(У203)=2[У] + 3[0], К3

К4

а{¥еО)

а[Ст]а[Р]

°(Сг2Оз)

2 3

Ш;

а(Ъ03)

Я(ЗЮ2

К5 =

аЩа[о] ■

а(сю)

д[у]а[о] _ Я(УО)

к*=-

|Сг2031 = 2[Сг] + 3[0], К7

„2

_ ^Сг^О] _ °|Сг20з|

кя =

Д[У]а[о] .

а|УгОз1

Ко = а,

|Сг304| 3[Сг] + 4[0], Кп - ;

{СО} = [С] + [О],

к аМа[о] .

42

{С02} = [С] + 2[0], Ки =

Р{ со}

1с]а[о]

р{со2}

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(И)

(12)

(13)

Температурные зависимости констант равновесия приведены в табл. 1.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № р2004урчел04-0396068).

Таблица 1

Зависимость констант равновесия от температуры

Реакция 1 %К = -А/Т+В

А В

(РеО) = ГРе! + ГО] 6320 4,734

(8Ю2) = ГБЛ + 2ГОГ 30225 11,56

(Сг203) = 2ГСг1 + ЗГ01 33460 14,85

(У203) = 2ГУ1 + ЗГ01 39303 15,90

(МпО) = ГМп! + Г01 12175 5,45

(СгО) = [Сг] + [01 8203 4,51

(УО) = ГУ1 + [01 11760 5,06

| РеО | = [Ре] + [01 8069 5,80

I МпО = ГМп! + ГО! 15017 6,77

РеУ2041 = [Реї + 2[АЦ + 4[01 58522 26,48

МпУ2041 = [Мп1 + 2ГА11 + 4[ОТ 660878 27,76

| РеСг2041 = ГРе! +2ГСг1 + 4[0] 51870 24,48

| МпСг2041 = ГМпІ +2ГСг1 +4Г01 55600 24,19

БЮгІ = ГБіІ + 2ГО] 31100 12,00

І Сг2031 =2[СгТ+3[01 40014 17,37

|у?.о3 = 2ГУ1 + ЗГ01 45430 18,617

I Сг3041 =3[Сг1 + 4[01 53352 23,51

О О ІЛ. £ + о 1168 -2,07

{С02} = ГС1 + 2[01 9616 2,51

Активности компонентов твердого раствора оксидов |Сг203, У203| рассчитывали по теории регулярных растворов (2)2 = 16 740 Дж/моль). Активности компонентов оксидного расплава (РеО, Сг203, У203, БЮ2) рассчитывали по теории суб-регулярных ионных растворов. Общая формула для расчета активности компонента 5 в оксидном расплаве имеет вид [1]:

.й7Тт, = [ДПп Хх +

5-1

"*"2] ^ Ошз *** ^ (21553 ) ~*~

,=]

т .

7=5+1

т~ 1 т

”3^ ^ \Х* Х$Щ + Х> Х] й'/)У + Х1*]0лШ )

7=1 7=1+1.

5-2 5-1

Х$Ир @]р *^'х1х]хя0$& )

/=1 _/=/+!

5-1 Ж

^кОизк ^ ^1^к0-1зкк ]

7=1 £=5+1 т-1 т

^ X (^^5^'У^Й55/А ^]ХкО,щ]к ~Ь~Х]Хквз]кк) ~~ 7=5+1 £=5+2 т-2 т-1 т

-3Е X Е (^*У^0?*+^**о®1+^*у^^и)+

/=1 7-/+и=/+2

5-3 5-2 5-1

+71 2] 1^ ■^^у^'кбцкз +

7=1 у=/+1£=7+1

5-2 5-1 /и 5-1 т-1 т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

+ Е Е Е +Е Е Е хлх&ы +

/=1 У*/ • 1 /Г';5*1 /=1 £=5+1 /=&+1

т-2 т-1 " /и

+ Е Е Е х]хкх&.ум -

7=5-4 А”7*г1 /=£+1 771-3 /и-2 т-1 т

+Е Е Е Е х>х]хкЩк1 ■

/=1 7^/-1 £=у+1 /=£+1 Здесь х, - ионные доли катионов компонентов

оксидного расплава; Qijkl - энергетические пара-

метры теории. При расчетах используется часть общей формулы, где количество компонентов в индексе параметра 0^и не превышает трех.

Подобранные энергетические параметры теории субрегулярных ионных растворов для оксидного расплава БеО- У203 - Сг203 - 8Ю2 приведены в табл. 2.

В связи с отсутствием надежных литературных данных по диаграммам состояния с СЮ и УО их активности приравнивали ионным долям (по теории совершенных ионных растворов).

Активности компонентов металлического расплава рассчитывали по теории Вагнера с использованием параметров взаимодействия, численные значения которых приведены в табл. 3.

Таблица 2

Энергетические параметры теории субрегулярных ионных растворов для оксидного расплава РеО-УгОз-СггОз-ЭЮг-МпО

Система Ят, Дж/моль

РеО-У2Оэ 14 650 25 100 23 000

РеО- Сг2Оэ 4 360 26 700 5 400

РеО-8Ю2 960 -34 100 50 500

РеО-МпО 0 0 0

У203-Сг203 17 150 34 300 17 150

У203-8Ю2 71 150 142 300 71 150

У203-Мп0 0 0 0

Сг203-8Ю2 49 950 83 500 64 200

Сг203 - МпО 0 0 0

РеО- У203 - Сг203 62 800 79 500 77 600

Ре0-У203-8Ю2 230 200 418 500 376 650

РеО- У203 -МпО 0 0 0

РеО- Сг203 - 8Ю2 50 200 113 000 146 500

РеО- Сг203 - МпО 0 0 0

РеО- 8Ю2 -МпО 83 700 125 550 104 650

У203 - Сг203 - ЭЮ2 0 0 376 650

У203 - Сг203-МпО 0 0 0

У203 - Бі02 -МпО 209 250 -418 500 334 800

Сг2Оэ - БЮ2 -МпО 0 0 0

Параметры взаимодействия компонентов е/ в жидком металле при Т = 1873 К

Элемент / Элемент/

81 Мп V Сг О С

0,14 0,03 0,025 -0,0003 -0,176 0,187

Мп 0,06 0 0,0057 0,0039 -0,072 -0,055

V 0,0425 0,0053 0,015 0 -0,534 -0,327

Сг -0,0006 0,0037 0 -0,0003 -0,133 -0,104

О -0,1 -0,021 -0,168 -0,041 -0,2 -0,45

С 0,08 -0,012 -0,077 -0,024 -0,34 0,14

Построены поверхности растворимости компонентов в жидком металле (ПРКМ) системы Бе-У-Сг-81-0. Изучено влияние температуры, содержания углерода и хрома или ванадия на строение ПРКМ. На рис. 1-3 приведены изотермические изосоставные сечения ПРКМ системы Бе-У-Сг-81-0-С при Т = 1600 °С. В области I заданы составы жидкого металла, равновесного с кремнеземом, в области II - с твердыми растворами ванадия и хрома трехвалентных, в области Ш - с высокожелезистым оксидным расплавом, в области IV-с высококремнеземистым оксидным расплавом, в области V - с газовой фазой, состоящей из СО и С02. Тонкими линиями нанесены изокислородные сечения ПРКМ.

Рис. 1. Сечение ПРКМ системы Ре-У-Сг-ЭЬО-С при Т = 1600 °С и [Сг] = 0,25 мас.%

Ванадий вводят в сталь обычно на десятые доли процента, а хрома во многих конструкционных марках стали содержится около 1,5 мае. %. При этих концентрациях наиболее вероятно образование в равновесии с жидким металлом твердого раствора оксидов ванадия и хрома трехвалентных и практически чистого жидкого 8Ю2. Твердый 8Ю2 может образовываться только при концентрации ванадия не более 0,3 мае. %, если содержание хрома в металле 1,5 мае. %. При содержании хрома в жидком металле выше 10 мае. % возможно

Таблица 3 образование Сг304, а при содержании ванадия в металле выше 8 мае. % - УО.

Также было изучено влияние температуры и состава жидкого металла на образование неметаллических включений в системе Ре-У-Мп-Бь-О. На рис. 4, 5 приведены изотермические изосоставные сечения ПРКМ системы Ре-У-Мп-81-0 для различных содержаний марганца. Исходные данные для расчетов ПРКМ представлены в табл. 1-3. Активности компонентов твердых растворов оксидов |РеО, МпО| и

шпинелей |РеУ204, МпУ204| приравнивали их

мольным долям (по теории совершенных ионных растворов).

Рис. 2. Сечение ПРКМ системы Ре-У-Сг-ЭЬ-О-С при Г = 1600 °С и [Сг] = 1,5 мас.%

Рис. 3. Сечение ПРКМ системы Ре—У-Сг-^-О-С при Г = 1600 “С, [Сг] = 1,5 мас.%, [С] = 0,2 мас.%, Робщ = 1 атм

Рис. 4. Сечение ПРКМ системы Ре-У-Мп-Бі-О-С при Г = 1600 °С и [Мп] = 0,4 мас.%.

Тв. р. шп - |РеУ204, Мп У204|

Марганец в ванадийсодержащий металл вводят на 0,4-1 мас.%, а кремний - на десятые доли процента. При таких концентрациях наиболее вероятно образование жидких неметаллических включений и оксида ванадия трехвалентного (при пониженном содержании марганца). Та же картина наблюдается и в присутствии углерода, если его концентрация не более 0,2 мас.%.

Полученные диаграммы позволяют объяснить многообразный фазовый состав неметаллических

Рис. 5. Сечение ПРКМ системы РЄ-Л/-Мп-Эі-0-С при Т = 1600 °С и [Мп] = 1 мас.%

включений в сталях, легированных хромом, ванадием и раскисленных кремнием и марганцем.

Литература

1. Вильгельм Е.М., Михайлов Г.Г. К термодинамике ионных растворов// Физико-химические исследования металлургических процессов: Сб. науч. тр. (УПИ). - Свердловск: Изд-во УПИ, 1978. С. 63-69.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.