Анализ фазовых равновесий в системах Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-AI-0 в условиях существования жидкого металла

Бесплатный доступ

Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для систем Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-AI-O. Разработанные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кислорода, углерода, кальция и алюминия в жидком никеле.

Никелевый расплав, углерод, кальций, алюминий, кислород, термодинамические расчёты

Короткий адрес: https://sciup.org/147156645

IDR: 147156645

Текст научной статьи Анализ фазовых равновесий в системах Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-AI-0 в условиях существования жидкого металла

Жидкий никель и его сплавы, выплавленные на воздухе, относятся к расплавам, для которых необходимо раскисление. В качестве реагентов для раскисления могут быть использованы элементы с большим сродством к кислороду, чем никель. К числу таких элементов относятся, в частности, углерод, кальций и алюминий [1,2].

Настоящая работа посвящена проведению термодинамического анализа систем Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-Al-O в области температур 1500... 1800 °C при содержании никеля в системах более 90 % путём построения поверхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для этих систем.

Термодинамические константы, использованные в ходе работы, сведены в табл. 1 и 2. Большая часть этих значений заимствована из работ [1, 3], другие рассчитаны нами с использованием данных, приводимых в этих работах. Константы, характеризующие взаимодействие в системе Ni-O, получены в процессе обработки данных Neumann, Zhong и Chang о диаграмме состояния этой системы [4]. Зависимости для системы Ni-Ca-O получены с использованием результатов работы [5].

ПРКМ системы Ni-C-O рассчитана для двух вариантов состава газовой фазы. В первом случае суммарное парциальное давление углекислого и угарного газов было принято равным 1 атм. Во втором случае оно равняется 0,1 атм. Результаты рас чета представлены на рис. 1. В области I заданы составы металла, равновесного с твёрдым NiO, в области II - с газовой фазой (СО, СО2). На линии 1-2 определены составы металла, равновесного с жидкими оксидами и газовой фазой. Очевидно, что повышение давления оксидов углерода смещает межфазную границу 1-2 в сторону более высоких концентраций углерода в жидком металле.

На рис. 2 представлена ПРКМ системы Ni-Ca-O, изотермы растворимости кислорода и кальция в жидком никеле.

Поскольку рассматриваемый интервал температур характеризуется наличием в системе оксидного расплава [б], для расчёта ПРКМ потребовалось рассчитать диаграмму состояния двойной оксидной системы NiO-CaO (вставка на рис. 2). В качестве исходных данных в ходе расчёта использованы данные М. Tikkanen, на которые ссылаются составители справочника [6]. Согласно представленным данным в этой системе существуют достаточно обширные области твёрдых растворов NiO в СаО и СаО в NiO. Это необходимо учитывать при расчёте. Для расчёта активностей компонентов твёрдых растворов и расплава в системе NiO-CaO использовалось приближение теории субрегулярных ионных растворов [7]. Определённые по экспериментальным данным значения энергетических параметров теории для оксидного

Таблица 1 Температурные зависимости констант равновесия реакций взаимодействия компонентов никелевого расплава

Процесс

Константа равновесия К; а - активность, мае. %; р - давление, атм

Температурная зависимость 1g К

1

(NiO) = [Ni] + [О]

К = «[О] /a(NiO)

- 10318 /Т+ 5,813

2

|NiO = [Ni] + [О]

X" = а^ / O|NiO|

- 12966 +7,000

3

{СО} = [С] + [О]

К = «[о]а[С] / Рсо

-5093 /Т- 1,878

4

{СО2} = [С] + 2[О]

К = <7[0]<7[С] / Рсо2

- 15433 /7+2,852

5

(СаО) = [Са] + [О]

К = а[О]Я[Са] /ti(CaO)

- 15489/7+3,969

6

СаО = [Са] + [О]

^^[OJ^Cal/^CaOl

- 19430/7+5,350

7

|А12Оз| = 2[А1] +3[О]

rz-__   3     2

А - «[OJ^Al]

-63924 / 7 + 21,027

8

NiAl2O4| = [Ni] + 2[А1] + 4[О]

ь^ _ 4   2

А - ^[0]а[А1]

-74480/7+25,805

Таблица 2

Температурные зависимости параметров взаимодействия в жидком никеле

Температурная зависимость

e'j

Температурная зависимость

е°о

-41,7/7

^Al

337/7

е%а

290/7

395 /7

А1 5 о

- 82,6 / 7

£°А1

- 139,4 / 7

-69 /7

е°са

-172/7

-160/7

е%

-120/7

[О], мае %

-6,8     -6,4      -6      -5,6     -5,2     -4,8     -4,4      -41g[C]

Рис. 1. ПРКМ системы Ni-C-O: а - суммарное давление оксидов углерода 0,1013 МПа; б - суммарное давление оксидов углерода 0,01013 МПа

расплава этой системы: 61112 = 3272 Дж/моль, 61122 = - 30 000 Дж/моль И 61222 = - 41 596 Дж/моль. Для твёрдых растворов аналогичные значения параметров: 61112 = 45 246 Дж/моль, 6н22=65 000 Дж/моль и 61222= 42 057 Дж/моль.

Линия 1-2 показывает составы металла, находящегося в равновесии с твёрдыми растворами NiO в СаО и СаО в NiO. Линия 2-3 демонстрирует составы металла, находящегося в равновесии с твёрдым раствором СаО в №0 и жидким расплавом оксидов никеля и кальция. Линия 2-4 показы вает составы металла, равновесного как с жидким шлаком, так и твёрдым раствором NiO в СаО. В области I определены составы металла, равновесного с твёрдым раствором на основе оксида никеля. В области II - составы металла, находящегося в равновесии с расплавом оксидов кальция и никеля. Область III демонстрирует составы металла, равновесные с твёрдым раствором на основе оксида кальция.

На рис. 3 представлены результаты расчёта ПРКМ системы Ni-Al-O.

Линия 1-2 показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твёрдым №0 и твёрдой шпинелью (NiAl2O4). В области I определены составы металла, находящегося в равновесии с твердым оксидом никеля. В области II - составы металла, находящегося в равновесии со шпинелью NiAl2O4. Линия 3-4 показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии со шпинелью и твёрдым оксидом алюминия, а в области III определены составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твёрдым А12О3.

Полученные диаграммы позволяют объяснить состав неметаллических включений в никеле, позволяют проектировать процессы рафинирования металлического расплава и моделировать технологически необходимые фазовые равновесия.

Выводы

Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для систем Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-Al-O. Разработанные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кислорода, углерода, кальция и алюминия в жидком никеле.

Список литературы Анализ фазовых равновесий в системах Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-AI-0 в условиях существования жидкого металла

  • Куликов, И.С. Раскисление металлов/КС. Куликов. -М.: Металлургия, 1975. -504 с.
  • Производство отливок из сплавов цветных металлов/А.В. Курдюмов, М.В. Ликунов, В.М. Чурсин, Е.Л. Бибиков. -М.: Металлургия, 1986. -416 с.
  • Расчёты металлургических процессов на ЭВМ/Д.И. Рыжонков, С.Н. Падерин, Г.В. Серов, Л.К. Жидкова. -М.: Металлургия, 1987.-231 с.
  • Binary Alloy Phase Diagrams. Second Edition/Ed. T.B. Massalski -Ohio: ASM International, Materials Park, 1990. -Vol. 3. -P. 2831-2833.
  • Fujio, I. Термодинамика расплавов Ni-Ca-O и Ni-Ta-Ca-O в равновесии с твердым СаО/I. Fujio, H. Mitsutaka, I. Hiroyasu//Tetsu to hagane = J. Iron and Steel Inst. Jap. -1996. -T. 82, № 6.-С. 465-470.
  • Диаграммы состояния силикатных систем: справочник. Вып. 1: Двойные системы/Н.А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Лапин, Н.Н. Курцева. -Л.: Наука. Ленингр. отд., 1969. -822 с.
  • Михайлов, Г.Г. Термодинамика раскисления стали/Г.Г. Михайлов, Д.Я. Поволоцкий. -М.: Металлургия, 1993. -144 с.
Статья научная