Термодинамика роста металлической фазы при твердофазном восстановлении металлов в комплексных оксидах

Термодинамика роста металлической фазы при твердофазном восстановлении металлов в комплексных оксидах

Автор: Дудоров Максим Владимирович, Дрозин Александр Дмитриевич, Рощин Василий Ефимович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry

Рубрика: Физическая химия

Статья в выпуске: 3 т.13, 2021 года.

Бесплатный доступ

Для совершенствования технологий твердофазного восстановления металлов в рудах необходимо детальное исследование закономерностей роста зародышей металлической фазы с учетом существующих в восстановительных агрегатах условий. На первом этапе исследования в целом изучены закономерности процесса роста новой фазы в многокомпонентной оксидной системе. Методами неравновесной термодинамики получено комплексное физико-химическое описание твердофазного восстановления металлов в многокомпонентной оксидной фазе, учитывающее протекающие при этом тепловые и диффузионные процессы. Дополнительно на основе методов химии несовершенных кристаллов сформулированы закономерности влияния перемещения анионных вакансий на термодинамическое состояние системы. Для рассматриваемой системы записаны физико-химические уравнения баланса вакансий и энтропии. Разработанная новая теория позволяет комплексно учитывать тепловые, диффузионные процессы и процессы перемещения вакансий в многокомпонентной оксидной системе. С целью практического исследования восстановления металлов в рудах рассмотрен случай роста частицы металла из исходной фазы руды с учетом дополнительного влияния восстановителя на протекание процесса. На основе комплексного подхода получено общее выражение производства энтропии в системе: растущий зародыш металла, исходная рудная фаза и фаза включений восстановителя. Проведенные исследования позволили построить математическую модель роста металлического кристалла в объеме оксидной фазы в зависимости от режима нагрева и состава комплексных оксидов. В частности, разработанный математический аппарат позволяет производить расчет скорости роста металлического зародыша в исходной многокомпонентной оксидной фазе. Полученная методика также дает возможность оценить степень влияния процессов перемещения анионных вакансий на закономерности процесса восстановления.

Еще

Твердофазное восстановление, дунит, рост кристаллов, диффузия, анионные вакансии, неравновесная термодинамика

Короткий адрес: https://sciup.org/147235335

IDR: 147235335   |   DOI: 10.14529/chem210306

Список литературы Термодинамика роста металлической фазы при твердофазном восстановлении металлов в комплексных оксидах

  • Рощин, В.Е. Физика процессов окисления и восстановления металлов в твердой фазе / В.Е. Рощин, А.В. Рощин // Металлы. – 2015. – № 3. – С. 19–25. DOI: 10.1134/S0036.
  • Рощин, В.Е. Физическая интерпретация теории восстановления окисления металлов / В.Е. Рощин, А.В. Рощин //. Вестник ЮУрГУ. Серия: Металлургия. – 2016. – Т. 16, № 4. – С. 29–39. DOI: 10.14529 /met160404.
  • Рощин, В.Е. Селективное восстановление металлов в решетке комплексных оксидов / В.Е. Рощин, А.В. Рощин // Металлы. – 2013. – № 2. – С. 12–20. DOI: 10.3103/S096709121.
  • Рощин, В.Е. Физические основы селективного восстановления металлов в кристаллической решетке комплексных оксидов / В.Е. Рощин, А.В. Рощин // Известия вузов. Черная металлургия. – 2013. – № 5. – С. 44–54. DOI: 10.17073/0368-0797-2013-5-44-54.
  • Heitjans, P. Diffusion in Condensed Matter: Methods, Materials, Models / P. Heitjans, J. Kärger // Berlin: Springer. – 2005. – 970 p.
  • Van Orman, J.A. Diffusion in Oxides. / J.A. Van Orman, K.L. Crispin // Reviews in Mineralogy & Geochemistry. – 2010. – V. 72. – P. 757–825. DOI: 10.2138/rmg.2010.72.17.
  • Liermann, H. Diffusion Kinetics of Fe2+ and Mg in Aluminous Spinel: Experimental Determination and Applications / H. Liermann, J. Ganguly // Geochim Cosmochim Acta. – 2002. – V. 66. – № 16. – P. 2903–2913. DOI: 10.1016/S0016-7037(02)00875-X.
  • Kin, C. Discerning Crystal Growth from Diffusion Profiles in Zoned Olivine by in situ Mg–Fe Isotopic Analyses / C. Kin, I. Sio, N. Dauphas, F.Z. Teng // Geochim Cosmochim Acta. – 2013. – V. 123. – P. 302–321. DOI: 10.1016/j.gca.2013.06.008.
  • Xing, C.M. Disequilibrium Growth of Olivine in Mafic Magmas Revealed by Phosphorus Zoning Patterns of Olivine from Mafic–ultramafic Intrusions / C.M. Xing, C.Y. Wang, W. Tan // Earth and Planetary Science Letters. – 2017. – V. 479. – P. 108–119. DOI: 10.1016/j.epsl.2017.09.005.
  • Zhang, B. Large Effect of Water on Fe–Mg Interdiffusion in Garnet / B. Zhang, B. Li, C. Zhao // Earth and Planetary Science Letters. – 2019. – V. 505. – P. 20–29. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.10.015.
  • Costa, F. The Effect of Water on Si and O Diffusion Rates in Olivine and Implications for Transport Properties and Processes in the Upper Mantle / F. Costa, S. Chakraborty // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 2007. – V. 166. – P. 11–29. DOI: 10.1016/j.pepi.2007.10.006.
  • Vogt, K. Fe-Mg Diffusion in Spinel: New Experimental Data and a Point Defect Model / K. Vogt, R. Dohmen, S. Chakraborty // American Mineralogist. – 2015. – V. 100. – P. 2112–2122. DOI: 10.2138/am-2015-5109.
  • Chakraborty, S. Rates and Mechanisms of Fe-Mg Interdiffusion in Olivine at 980–1300 °C / S. Chakraborty // J. of Geophysical Research. – 1997. – V. 102, № B6. – P. 12317–12331. DOI: 10.1029/97JB00208.
  • Nishinaga, T. Handbook of Crystal Growth / T. Nishinaga // Elsevier. – 2014. – V. 1A-1B, 1214 p.
  • Herlach, D.M. Metastable Solids from Undercooled Melts / D.M. Herlach, P. Galenko, D. Holland-Moritz. – Amsterdam: Elsevier, 2007. – 432 p.
  • Garcke, H. A Diffuse Interface Model for Alloys with Multiple Components and Phases / H. Garcke, B. Nestler, B. Stinner // SIAM J Appl. Math. – 2004. – V. 64. – № 3. – P. 775–799. DOI: 10.1137/S0036139902413143.
  • Galenko, P.K. Unconditionally Stable Method and Numerical Solution of the Hyperbolic Phase-field Crystal Equation / P.K. Galenko, H. Gomez, N.V. Kropotin // Phys. Rev. – 2013. – V. E 88. – № 013310. – P. 1–13. DOI: 10.1103/PhysRevE.88.013310.
  • Gamov, P.A. Model for Nanocrystal Growth in an Amorphous alloy / P.A. Gamov, A.D. Drozin, M.V. Dudorov, V.E. Roshchin // Russian Metallurgy (Metally). – 2012. – V. 2012. – № 11. – P. 1002–1005.
  • Дрозин, А.Д. Рост микрочастиц продуктов химических реакций в жидком растворе: мо-ногр. / А.Д. Дрозин. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – 56 с.
  • Dudorov, M.V. Decomposition of Crystal-growth Equations in Multicomponent Melts / M.V. Dudorov // J. Cryst. Growth. – 2014. – V. 396. – P. 45–49. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.03.035.
  • Крегер, Ф. Химия несовершенных кристаллов / Ф. Крегер. – М.: Мир, 1969. – 654 с.
  • Горелик, С.С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учебник для вузов / С.С. Горелик, М.Я., Дашевский. – М.: МИCиС, 2003. – 480 с.
  • Бокштейн, Б.С. Диффузия атомов и ионов в твердых телах / Б.С. Бокштейн, А.Б. Яро-славцев. – М.: Изд-во МИСиС, 2005. – 362 с.
  • Свелин, Р.А. Термодинамика твердого состояния / Р.А. Свелин. – М.: Металлургия, 1968. – 316 c.
  • Fischer, F.D. Improved Thermodynamic Treatment of Vacancy-mediated Diffusion and Creep / F.D. Fischer, K. Hackl, J. Svoboda. // Acta Materialia. – 2016. – V. 108. – P. 347–354. DOI10.1016/j.actamat.2016.01.017.
  • Chuvil'deev, V.N. A Theoretical Model of Lattice Diffusion in Oxide Ceramics / V.N. Chuvil'deev, V.N. Nokhrin, V.N. Smirnova // Physica B: Condensed Matter. – 2018. – V. 545. – P. 297–304. DOI: 10.1016/j.physb.2018.06.043.
  • Sinder, M. Theory of Oxidation/reduction-induced Valence Transformations of Metal Ion Dopants in Oxide Crystals Mediated by Oxide-vacancy Diffusion: I. Thermodynamic Analysis / M. Sinder, Z. Burshtein, J. Pelleg // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2014. – Vol. 75, № 4. – P. 512–5117. DOI: 10.1016/j.jpcs.2013.12.007.
  • Sinder, M. Theory of Oxidation/reduction-induced Valence Transformations of Metal Ion Dopants in Oxide Crystals Mediated by Oxide-vacancy Diffusion: II. Kinetic Analysis / M. Sinder, Z. Burshtein, J. Pelleg // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2014. – V. 75. – № 4. – P. 570–582. DOI: 10.1016/j.jpcs.2013.12.016.
  • de Groot, S.R. Non-Equilibrium Thermodynamics / S.R. de Groot, P. Mazur. – New York: Dover, 1984.– 528 p.
  • Prigogine, I. Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes / I. Prigogine // London: John Wiley & Sons, 1977. – 491 p.
  • Kjelstrup, S. Non-equilibrium Thermodynamics of Heterogeneous Systems, Series on Advances in Statistical Mechanics / S. Kjelstrup, D. Bedeaux // Singapore: World Scientific, 2008, vol. 16, 434 p.
  • Самарский, А.А. Теория разностных схем. / А.А. Самарский. – М.: Наука, 1989. – 656 с.
  • Будак, Б.М. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задачи Стефана / Б.М. Будак, Е.Н. Соловьева, А.Б. Успенский // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. – 1965. – № 5. – С. 828–840.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp