Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Все статьи: 866
Термодинамический анализ системы хром-никель-азот
Статья научная
С использованием подрешеточной модели проведен термодинамический анализ трехкомпонентной системы хром-никель-азот. Результаты расчета равновесных состояний системы представлены в виде изотермических сечений и фазовых диаграмм. Рассчитаны и построены политермические разрезы фазовых диаграмм с постоянным значением концентрации хрома и активности азота в сплаве.
Бесплатно
Термодинамический анализ условий образования карбида кремния в сложных металлических расплавах
Статья научная
Системы вида Mе-Si-C, включающие металлический расплав, являются основой перспективной методики выращивания монокристаллов карбида кремния. Потребности развития такого рода технологий диктуют необходимость поиска составов металла с относительно низкими температурами плавления, которые при этом сохраняли бы способность растворять кремний и углерод в существенных количествах. Усложнение составов металлического расплава на основе элементов подгруппы железа позволяет достигать требуемого эффекта. Для поиска новых составов относительно легкоплавких металлических расплавов - катализаторов роста кристаллов карбида кремния - целесообразно использование проекций поверхностей ликвидуса систем Fе-(…)-Si-C. Целью настоящей работы стало проведение термодинамического моделирования систем вида Fе-(…)-Si-C для определения возможностей понижения температуры металлического расплава, равновесного с карбидом кремния. Для термодинамического моделирования использован блок Phase Diagram программного пакета FactSage (версия 6.4) производства Thermfact (Канада) и GTT Technologies (Германия). В ходе настоящей работы рассчитаны координаты поверхностей ликвидуса для систем Fe-Ni-Si-C, Fe-Co-Si-C, Fe-Mn-Si-C и Fe-Ni-Co-Mn-Si-C. Представленные в форме поверхностей ликвидуса фазовые диаграммы позволяют не только определить состав металла с минимальной температурой плавления, но и наглядно представить диапазоны концентраций и температур, для которых равновесным продуктом взаимодействия компонентов металла будет являться SiC. Это особенно полезно с точки зрения выбора режима процесса выращивания кристаллов карбида кремния.
Бесплатно
Статья обзорная
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены термодинамические особенности процессов взаимодействия кислорода, хрома, марганца, углерода и циркония в жидком железе. Рассчитана диаграмма состояния Cr 2O 3-MnO-ZrO 2 и подобраны параметры субрегулярной теории для жидких и твердых растворов на основе оксида циркония. Построены поверхности растворимости кислорода в жидком металле системы Fe-Cr-Mn-Zr-O-C. Изучено влияние температуры на раскислительную способность марганца и циркония в жидкой хромсодержащей стали. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологии рафинирования стали сплавами и лигатурами, содержащими цирконий.
Бесплатно
Статья научная
Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для систем Ni-Al-C-O и Ni-Ca-C-O. Разработанные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кислорода, углерода, кальция и алюминия в жидком никеле.
Бесплатно
Термодинамический стимул мартенситного превращения в сплавах Fe-C
Статья научная
Мартенситное превращение лежит в основе важного для практики явления закалки сталей. Для образования мартенситных кристаллов необходимо дополнительное расходование свободной энергии -фазы на упругую и пластическую деформации, а также поверхностную энергию мартенситных пластин. Её источником является разность свободных энергий исходной и конечной фазы, называемая движущей силой, или термодинамическим стимулом мартенситного превращения. Цель настоящей статьи состоит в исследовании термодинамического стимула мартенситного превращения как функции содержания углерода в стали на основе термодинамического анализа. На основе статистических теорий растворов внедрения, современных термодинамических данных о свободной энергии феррита и аустенита, а также теории мартенситного превращения Зинера - Хачатуряна рассчитано изменение свободной энергии при образовании мартенсита в сплавах Fe-С различного состава. Это позволило оценить термодинамические стимулы мартенситного превращения и определить их концентрационную зависимость. Показано, что указанная зависимость не является монотонной, а обладает выраженным пиком в районе 3 ат. %. Стимул образования мартенсита увеличивается с ростом содержания углерода до 3 ат. % (0,66 мас.%), а затем начинает заметно уменьшаться. Предположительно это связано с началом образования тетрагональной решетки мартенсита.
Бесплатно
Статья обзорная
Бесплатно
Термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы FeO-BaO-Al2O3
Статья научная
Щелочноземельные металлы (ЩЗМ) в последнее время становятся все более востребованными при производстве сталей и сплавов и являются частью большинства композиций для рафинирования и модифицирования. В связи с этим возрастает необходимость построения диаграмм состояния оксидных (шлаковых) систем, включающих в качестве компонентов оксиды ЩЗМ, в частности BaO. Эти сведения необходимы как для анализа состава образующихся неметаллических включений, так и для понимания влияния концентрации оксидов ЩЗМ на температуру плавления шлака. Как известно, термодинамическое моделирование является ключевым инструментом для выбора оптимального направления проводимых исследований в области металлургических технологий, поэтому расчет фазовых диаграмм оксидных систем как части многокомпонентного шлакового расплава является важной задачей для исследователей. Особенно это актуально для систем, содержащих BaO в качестве компонента, так как имеющиеся в литературе данные ограничиваются практически только диаграммами состояния двойных систем. В настоящей работе была построена поверхность ликвидус фазовой диаграммы системы FeO-BaO-Al2O3. Для термодинамического моделирования использовали теорию субрегулярных ионных растворов, энергетические параметры которой были подобраны в ходе настоящего расчета. Также нами были оценены температуры, энтальпии и энтропии образования алюминатов бария Ba3Al2O6, BaAl2O4, BaAl12O19 из компонентов оксидного расплава. Эти значения для Ba3Al2O6 оказались равны 1604 °С, 159 410 Дж/моль, 16,215 Дж/(моль∙К); для BaAl2O4 - 1814 °С, 101 424 Дж/моль, 7,332 Дж/(моль∙К); для BaAl12O19 - 1911 °С, 613 406 Дж/моль, 201,201 Дж/(моль∙К) соответственно. Полученные сведения были сравнены с имеющимися немногочисленными литературными данными.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование поверхности ликвидус диаграммы состояния системы Cu 2O-Al 2O 3-ZrO 2
Статья научная
Проведен расчёт линий ликвидус диаграмм состояния бинарных систем Cu 2O-Al 2O 3, Cu 2O-ZrO 2 и Al 2O 3-ZrO 2, а также расчёт поверхности ликвидус диаграммы состояния тройной системы Cu 2O-Al 2O 3-ZrO 2. В процессе термодинамического моделирования перечисленных систем было использовано приближение теории субрегулярных ионных растворов. В ходе моделирования были подобраны значения модельных параметров Q, уточнены термодинамические характеристики (температура плавления, теплота и энтропия плавления) соединения CuAlO 2, а также значения констант процессов перехода Cu 2O, Al 2O 3, ZrO 2 и CuAlO 2 из твердого состояния в жидкое. Помимо построения диаграмм состояния, в ходе настоящей работы были рассчитаны активности компонентов расплавов систем Cu 2O-Al 2O 3 и Cu 2O-ZrO 2 для условий, при которых существует оксидный расплав. В рассмотренных интервалах активности характеризуются отрицательными отклонениями от закона Рауля. Полученные в результате расчёта значения активности оксида алюминия хорошо совпадают с литературными экспериментальными данными. Построение поверхности ликвидус для тройной системы Cu 2O-Al 2O 3-ZrO 2 позволило определить координаты точек нонвариантных превращений, реализующихся в системе. Результаты термодинамического моделирования показывают, что в тройной системе реализуется равновесие «оксидный расплав - чистый твердый оксид меди - чистый твердый оксид алюминия», которое нехарактерно для бинарной системы Cu 2O-Al 2O 3. Результаты работы могут быть использованы в ходе анализа производства циркониевых бронз, а также для анализа поведения шлаков индустрии меди и сплавов на ее основе в ходе взаимодействия таких шлаков с футеровкой печей.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование получения ферроникеля из окисленных никелевых руд Казахстана
Статья научная
Приведены термодинамические исследования системы «никельсодержащая руда - углерод» с целью получения ферроникеля из оксидных руд Казахстана, в частности руд месторождения «Бугетколь». Теоретические исследования системы методом термодинамического моделирования осуществляли в интервале температур 1000-1700 К и давлении Р = 0,1 МПа. Для количественного термодинамического моделирования процессов извлечения металлов, в частности железа, никеля и кобальта был использован программный комплекс «Астра-4», основанный на принципе максимума энтропии. Проведенные исследования представлены степенью перехода никеля в Nik 100 % в температурном интервале 1000-1300 К и степенью перехода кобальта в Соk 100 % в температурном интервале 1000-1300 К.
Бесплатно
Статья научная
Прогнозные ресурсы Суроямского месторождения по категории Р1 превышают 2,2 млрд т титаномагнетитовых руд. Это аналог Качканарского месторождения в Свердловской области. Основным элементом является железо, содержание которого составляет 16,5 %, попутно можно извлекать титан, ванадий и фосфор. Переработку концентратов планируется производить по технологии ITmk3. В данной работе с помощью программного комплекса Terra проведен термодинамический анализ, позволяющий оценить влияние температуры на параметры процессов, протекающих в системе «металл - шлак - газ». Проведена оценка влияния температуры на состав металла. Установлено, что при температуре 500…800 °С металлическая фаза состоит из железа, марганца, серы и углерода. При увеличении температуры (выше 800 °С) из шихты в металл восстанавливаются ванадий, фосфор, титан и кремний. Содержание ванадия достигает максимума при температуре 1100 °С, фосфора - 1250 °С, а содержание титана и кремния растет с повышением температуры. Показано влияние температуры на состав шлаковой фазы. Установлено, что в интервале температуры 500…1100 °С содержание FeO уменьшается с 65 до 0 %. Это приводит к увеличению относительной доли других оксидов (SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др.). Доля P2O5 достигает максимума при температуре 1000 °С, TiO2 - 1250 °С, SiO2 - 1350 °С. Определены коэффициенты извлечения элементов из шихты в металл. Установлено, что с повышением температуры коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора, титана и кремния увеличиваются, а серы - уменьшается. В интервале температуры 1350…1400 °С коэффициент извлечения железа, марганца, ванадия, фосфора 1, титана 0,4…0,6, кремния 0,02…0,07 и серы 0,75…0,79.
Бесплатно
Статья научная
Разработана методика расчета диаграмм раскисления и модифицирования стали кальцием, магнием, алюминием и бором. Установлены координаты поверхностей ликвидус оксидных систем B2O3-Al2O3-MgO, B2O3-Al2O3-CaO, B2O3-MgO-CaO при 1600 °С. Определены энергетические параметры теории субрегулярных ионных растворов для изученных оксидных систем. Рассчитаны координаты поверхностей растворимости для систем Fe-Mg-Al-B-O, Fe-Ca-Al-B-O, Fe-Mg-Ca-Al-B-O. Изучено влияние общего давления на растворимость магния и кальция в жидком железе. Активности компонентов металлического расплава рассчитаны с применением параметров взаимодействия первого порядка (теория Вагнера). Активности компонентов твердых растворов (оксидов и шпинелей) приравнивали их мольным долям. Показано, что при глубоком рафинировании металла от кислорода лишь незначительная часть бора будет окисляться и эти оксиды войдут в состав оксидных расплавов. Основными неметаллическими оксидными включениями будут магнезиальная шпинель, биалюминат кальция и жидкие оксидные образования. Так называемый свободный бор может быть растворен в жидком металле в количествах, отвечающих равновесию с оксидными фазами.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование системы железо - хром - никель - азот
Статья научная
С использованием подрешеточной модели проведен термодинамический анализ четырехкомпонентной системы железо - хром - никель - азот. Результаты расчета представлены в виде изотермических сечений и фазовых диаграмм. Рассчитаны и построены политермические разрезы с постоянным значением концентрации хрома и никеля в сплавах.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование фазовой диаграммы системы Cu2O-BaO-Fe2O3
Статья научная
Выполнено термодинамическое моделирование диаграмм состояния двойных систем Cu2O-BaO, Cu2O-Fe2O3, BaO-Fe2O3, а также тройной системы Cu2O-BaO-Fe2O3. В ходе работы определены термодинамические модели и их параметры, необходимые для термодинамического описания активностей компонентов оксидного расплава в данных системах. Для расчета использовались приближения теории совершенных ионных растворов (для системы Cu2O-Fe2O3) и теории субрегулярных ионных растворов (для систем Cu2O-BaO, BaO-Fe2O3, Cu2O-BaO-Fe2O3). По результатам проведенного моделирования определены координаты точек нонвариантных превращений на фазовых диаграммах исследуемых двойных и тройной систем. Полученные результаты по термодинамическому моделированию координат линий ликвидуса фазовых диаграмм двойных систем Cu2O-BaO, Cu2O-Fe2O3, BaO-Fe2O3 были сопоставлены с разрозненными малочисленными литературными данными для исследуемых систем. В ходе работы впервые были определены области существования ферритов бария в тройной оксидной системе Cu2O-BaO-Fe2O3, а также построены изотермы на полной проекции поверхности ликвидуса диаграммы состояния системы Cu2O-BaO-Fe2O3. Используемая в работе методика моделирования позволила оценить энтальпии, температуры и энтропии плавления соединений оксида бария BaO с оксидом меди (I) (BaCu2O2); с оксидом железа (III) (Ba3Fe2O6, Ba2Fe2O5, BaFe2O4, BaFe12O19). Результаты моделирования, полученные в ходе выполнения настоящей работы, могут быть использованы для разработки технологических условий синтеза из оксидного расплава монокристаллов гексаферрита бария, в кристаллической решетке которого часть катионов железа замещена ионами меди.
Бесплатно
Статья научная
Проведено термодинамическое моделирование координат линий ликвидуса диаграмм состояния двойных оксидных систем FeO-MgO, FeO-Cr2O3, MgO-Cr2O3 и координат поверхности ликвидуса диаграммы состояния тройной оксидной системы FeO-MgO-Cr2O3. В ходе работы определены энергетические параметры теории субрегулярных ионных растворов, используемой при проведении расчета. По результатам проведенного моделирования определены координаты точек нонвариантных превращений на фазовых диаграммах исследуемых систем. Полученные результаты по термодинамическому моделированию координат линий ликвидуса фазовых диаграмм двойных оксидных систем FeO-MgO, FeO-Cr2O3, MgO-Cr2O3 были сопоставлены с разрозненными малочисленными литературными данными для исследуемых систем. По результатам расчета определены энтальпии и энтропии образования соединений FeCr2O4 и MgCr2O4 из компонентов оксидного расплава систем FeO-Cr2O3 и MgO-Cr2O3 соответственно. Согласно результатам моделирования энтальпия образования феррохромита из компонентов оксидного расплава составляет 157 376 Дж/моль, а энтропия равняется 44,71 Дж/(моль∙К). Энтальпия и энтропия образования магнезиохромита из компонентов оксидного расплава оказались равными 389 100 Дж/моль и 123,19 Дж/(моль•К) соответственно. Впервые получены результаты по расчету координат полной проекции поверхности ликвидуса системы FeO-MgO-Cr2O3. Диаграмма состояния системы FeO-MgO-Cr2O3 характеризуется обширными областями равновесия оксидного расплава с твердыми растворами оксидов и с твердыми растворами шпинелей. Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей работы, представляют интерес для анализа взаимодействия металлического и шлакового расплавов с футеровкой печи при производстве стали.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование фазовых равновесий в оксидной системе FeO-SrO-SiO2
Статья научная
Оксидные системы, включающие оксид стронция в качестве одного из основных компонентов, находят все большее применение в различных отраслях промышленности. Влияние добавок SrO на свойства шлаков и флюсов, на свойства стекол и даже керамики с магнитными свойствами активно изучается в настоящее время. Однако сведений по диаграммам состояния оксидных стронцийсодержащих систем в литературе весьма ограниченное количество, особенно для тройных и многокомпонентных систем. В данном исследовании было проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий и дальнейшее построение диаграмм состояния двойных оксидных систем FeO-SrO, FeO-SiO2, SrO-SiO2, а также расчет координат проекции поверхности ликвидус диаграммы состояния тройной оксидной системы FeO-SrO-SiO2. Моделирование выполнялось с использованием приближения теории субрегулярных ионных растворов. В ходе работы были определены энергетические параметры используемой теории для каждой из исследуемых систем. Полученные расчетные данные о положении линий ликвидуса в двойных оксидных системах сопоставимы с имеющимися в литературе, что подтверждает адекватность проведенного моделирования. Сведения о диаграмме состояния тройной оксидной системы FeO-SrO-SiO2 в литературе не представлены и получены впервые. В ходе настоящей работы также были оценены данные о температурах, энтальпиях и энтропиях образования силикатов Fe2SiO4, Sr3SiO5, Sr2SiO4, SrSiO3 из компонентов оксидного расплава систем FeO-SiO2 и SrO-SiO2 соответственно. Так, для Fe2SiO4 энтальпия образования соединения из компонентов оксидного расплава составила величину 63 600 Дж/моль; для силиката Sr3SiO5 - 181 675 Дж/моль; для соединения Sr2SiO4 - 169 576 Дж/моль; для SrSiO3 - 155 697 Дж/моль.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование фазовых равновесий в оксидных системах, содержащих B 2o 3
Статья научная
Микролегирование стали бором позволяет при надлежащей технологии выплавки получить путем термообработки высокие механические свойства стали при значительной экономии легирующих компонентов. При этом получения высокой прокаливаемости стали и измельчения первичного литого зерна удается достигнуть при наличии в металлической матрице в виде твердого раствора 0,002-0,008 мас. % бора, не связанного в химические оксидные, сульфидные и нитридные соединения. Бор после введения в сталь необходимо предохранять от взаимодействия с кислородом, серой и азотом. Для понимания сложных процессов, происходящих при введении бора в сталь, нужно последовательно изучить взаимодействие бора с кислородом, серой, азотом в присутствии в металле алюминия, титана, кальция, магния, кремния. В настоящей работе проведена подготовка к моделированию термодинамического взаимодействия компонентов (Al, Si, Ca, Mg, Mn) с кислородом в жидкой стали. С использованием основных положений теории субрегулярных ионных растворов удалось провести моделирование диаграмм состояний оксидных бинарных систем FeO-B 2O 3, B 2O 3-CaO, B 2O 3-MgO, B 2O 3-Al 2O 3, B 2O 3-MnO и B 2O 3-SiO 2 для температур выше 1000 °С, установить вид тройных оксидных систем FeO-B 2O 3-MgO, FeO-B 2O 3-Al 2O 3, FeO-B 2O 3-MnO и FeO-B 2O 3-SiO 2, не приведенных в справочной и оригинальной литературе, и для FeO-B 2O 3-CaO (в литературе приводится только изотермическое сечение при 1600 °С). Показана возможность построения поверхностей растворимости компонентов в борсодержащем металле, раскисленном алюминием. Из вида построенной диаграммы следует, что алюминий является эффективным элементом для защиты бора от окисления после введения бора в сталь. Аналогичная информация может быть получена для описания защитных действий других элементов.
Бесплатно
Термодинамическое моделирование фазовых равновесий в системе SrO-Al2O3
Статья научная
Проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий с последующим построением диаграммы состояния системы SrO-Al2O3. Для расчета активностей оксидного расплава в ходе настоящей работы использовали приближение теории субрегулярных ионных растворов, при этом наиболее оптимальными оказались значения энергетических параметров Q1112 = -104 349; Q1122 = -217 689; Q1222 = -104 436 Дж/моль. Полученные результаты по положению линии ликвидус в исследуемой системе имеют хорошее соответствие с экспериментальными литературными данными. В ходе расчета оценены значения констант равновесия реакций образования алюминатов стронция из компонентов оксидного расплава.
Бесплатно
Статья научная
На основании литературных данных и теории субрегулярных растворов уточнены диаграммы состояний ряда оксидных систем, в состав которых La 2O 3 входит в качестве независимого компонента. Рассмотрены оксидные двойные и тройные диаграммы, сопряженные с областью существования металлических расплавов: FeO-La 2O 3, Al 2O 3-La 2O 3, CaO-La 2O 3, MgO-La 2O 3, Cr 2O 3-La 2O 3, FeO-Cr 2O 3-La 2O 3, FeO-Al 2O 3-La 2O 3, FeO-CaO-La 2O 3, FeO-MgO-La 2O 3. Установлены энергетические параметры теории субрегулярных растворов применительно к оксидным расплавам вышеприведенных систем, установлены теплоты и энтропии плавления для алюминатов и хромита лантана, рассчитаны константы равновесия для процессов образования соединений из компонентов оксидного расплава. Определены координаты линий и поверхности ликвидус для диаграмм состояний FeO-La 2O 3, FeO-Cr 2O 3-La 2O 3, FeO-Al 2O 3-La 2O 3, FeO-CaO-La 2O 3, FeO-MgO-La 2O 3. Для этих диаграмм сведения получены впервые.На основании полученных данных построена поверхность растворимости (ПРКМ) лантана в жидком кислородсодержащем железе. Из вида ПРКМ следует, что раскислительная способность лантана несколько выше, нежели алюминия. Полученные термодинамические данные могут быть использованы для получения сведений о строении ПРКМ для условий комплексного раскисления стали высокоактивными элементами в сочетании с лантаном.
Бесплатно
Статья научная
Изучены оксидные системы, содержащие в качестве независимого компонента Y 2O 3. Установлены квазибинарные и тройные оксидные системы, сопряженные с областью существования жидких расплавов стали, содержащей иттрий и раскисленной высокоактивными элементами - кальцием, магнием, алюминием. Сведений о диаграмме состояний FeO-Y 2O 3, определяющей состав оксидных равновесных фаз с жидким железом, в научной литературе не имеется. По аналогии с диаграммой с La 2O 3 оксидная система FeO-Y 2O 3 может быть описана в приближении теории совершенных ионных расплавов. Используя данные о температурах и теплотах плавления FeO и Y 2O 3, установлена температура эвтектического превращения, состав двойной эвтектики и координаты линий ликвидус. Для двойных диаграмм состояний Y 2O 3-MgO, Y 2O 3-СaO, Y 2O 3-Al 2O 3 определены термодинамические параметры образования алюминатов иттрия (2Y 2O 3•Al 2O 3, Y 2O 3•Al 2O 3, 3Y 2O 3•5Al 2O 3) и соединений Y 2O 3 с оксидом кальция (CaO•2Y 2O 3, CaO•Y 2O 3, 3CaO•Y 2O 3). На основании данных о свойствах кристаллических составляющих рассмотренных двойных и тройных систем и сведений об энергетических параметрах теории субрегулярных растворов построены тройные диаграммы состояний систем FeO-Y 2O 3-CaO, FeO-Y 2O 3-MgO, FeO-Y 2O 3-Al 2O 3. Информация о координатах поверхности ликвидус для этих систем получена впервые. На основании выполненных расчетов построена поверхность растворимости кислорода и иттрия в жидком железе.
Бесплатно
