Анализ фазовых равновесий в системах Ni-C-O, Ni-Ca-O и Ni-AI-0 в условиях существования жидкого металла
Автор: Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г.
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статья в выпуске: 13 (189), 2010 года.
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 /Т +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.