blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-12-950-956blackmet-1784Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESНекоторые термодинамические аспекты восстановления Cr2O3 углеродомThermodynamic aspects of Cr2O3 reduction by carbonКрюковР. Е.KryukovR. E.

к.т.н., доцент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

rek_nzrmk@mail.ruГорюшкинВ. Ф.GoryushkinV. F.

д.х.н., профессор кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Chem.), Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel

Novokuznetsk, Kemerovo Region

koax@sibsiu.ruБендреЮ. В.BendreYu. V.

к.х.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Chem.), Assist. Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel

Novokuznetsk, Kemerovo Region

bendre@list.ruБащенкоЛ. П.BashchenkoL. P.

к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Power and Ecology”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

luda.baschenko@gmail.comКозыревН. А.KozyrevN. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

kozyrev_na@mtsp.sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation2019140120206212950956Copyright © Крюков Р.Е., Горюшкин В.Ф., Бендре Ю.В., Бащенко Л.П., Козырев Н.А., 20202020Крюков Р.Е., Горюшкин В.Ф., Бендре Ю.В., Бащенко Л.П., Козырев Н.А.Kryukov R.E., Goryushkin V.F., Bendre Y.V., Bashchenko L.P., Kozyrev N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1784

С целью ресурсосбережения хрома представляет большой практический интерес технология дуговой наплавки порошковой проволокой, в которой в качестве наполнителей используются оксид хрома Cr2O3 и восстановитель – углерод. Проведена термодинамическая оценка вероятности протекания 16 реакций между ними в стандартных условиях и для некоторых реакций в условиях, отличных от стандартных, по табличным термодинамическим данным реагентов в интервале температур 1500 – 3500 К. В качестве стандартных состояний для реагентов рассматривали: Cr(ref) (опорное состояние, температура плавления 2130 К, температура кипения 2952 К), Cr(ж), Cr(г), Cr2O3 (кр, ж), Cr2O3 (ж), С(ref), а в качестве возможных продуктов реакции и стандартных состояний для них CO(г), CO2 (г), Cr 23C6 (кр), Cr7C3 (кр), Cr3C2 (кр). Вероятность протекания реакций оценивали по стандартной энергии Гиббса реакций и по энергии Гиббса реакций, рассчитываемой по уравнению изотермы Вант-Гоффа. Учитывалось растворение хрома в металле наплавочной ванны или вероятные парциальные давления CO и CO2 в газовой фазе, вычисляемые из равновесия реакции газификации углерода. Присутствие в порошковой проволоке для наплавки наряду с оксидом хрома Cr2O3 углерода в качестве восстановителя обязательно приведет к протеканию восстановительных реакций с образованием карбидов хрома, а возможно, и самого хрома. Наиболее вероятно образование карбида состава Cr7C3 (кр). При большем времени нахождения оксида хрома и углерода при температуре выше 2500 К более термодинамически вероятным является процесс образования хрома как компонента наплавочной ванны, а не его карбидов. Оксид хрома имеет наивысшую реакционную способность в состоянии Cr2O3 (ж). Наиболее вероятным является прямое восстановление. В качестве продукта окисления углерода наиболее вероятно образование CO(г). Растворение хрома в металле увеличивает термодинамическую вероятность протекания реакций с его образованием и еще больше понижает вероятность протекания реакций, в которых хром – исходное вещество.

In order to save resources of chromium, technology of flux-cored wire surfacing is of great practical interest. In this case Cr2O3 chromium oxide and carbon as a reducing agent are used as fillers. Thermodynamic assessment of probability of 16 reactions between them under standard conditions and for certain reactions under conditions different from standard was carried out using tabulated thermodynamic data of reactants in temperature range of 1500 – 3500 K. The following states were considered as standard states for reactants: Cr(ref) (reference state, melting point 2130 K, boiling point 2952 K), Cr(liq), Cr(gas), Cr2O3 (cr, liq), Cr2O3 (gas), C(ref), and as possible reaction products and standard states for them CO(gas), CO2 (gas), Cr23C6 (сr), Cr7C3 (cr), Cr3C2 (cr). Probability of reactions was estimated using standard Gibbs energy and the Gibbs energy calculated using the Van Goff isotherm equation. Dissolution of chromium in metal of surfacing bath or probable partial pressures of CO and CO2 in gas phase was taken into account and was calculated from equilibrium of carbon gasification reaction. Presence of carbon in flux-cored wire with chromium oxide Cr2O3 as a reducing agent will necessarily lead to occurrence of reduction reactions with generation of chromium carbides, and possibly chromium itself. Generation of Cr7C3 (сr) carbide is likely. With longer life time of chromium oxide and carbon at a temperature above 2500 K, generation of chromium as a component of the surfacing bath is more thermodynamically probable than generation of its carbides. Chromium oxide has the highest reactivity in Cr2O3 (liq) state. Direct reduction is preferential. Generation of CO(gas) as a product of carbon oxidation is more probable. Dissolution of chromium in metal increases thermodynamic probability of reactions with its generation and further reduces probability of reactions in which chromium is the starting material.

термодинамический анализэнергия Гиббса реакциипорошковая проволокаоксид хромауглероддуговая наплавкавосстановлениехромкарбиды хромаanalysisGibbs energy of reactioncored wirechromium oxidecarbonarc surfacingreductionchromiumchromium carbidesReferencesКозырев Н.А., Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Шурупов В.М., Козырева О.Е. Термодинамика реакций восстановления WO3 углеродом // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2016. № 2. С. 15 – 17.Kozyrev N.A., Bendre Yu.V., Goryushkin V.F., Shurupov V.M., Kozyreva O.E. Thermodynamics of reactions of WO 3 reduction by carbon. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo industrial’nogo universiteta. 2016, no. 2, pp. 15–17. (In Russ.).Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Крюков Р.Е., Козырев Н.А., Шурупов В.М. Некоторые термодинамические аспекты восстановления вольфрама из оксида WO кремнием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 6. С. 3 481 – 485.Bendre Yu.V., Goryushkin V.F., Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Shurupov V.M. Some thermodynamic aspects of WO 3 recovery by silicon. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 6, pp. 481–485. (In Russ.).Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Крюков Р.Е., Козырев Н.А., Бащенко Л.П. Термодинамическая оценка процессов восстановления WO 3 углеродом и кремнием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 3. С. 211 – 216.Bendre Yu.V., Goryushkin V.F., Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Bashchenko L.P. Thermodynamic assessment of WO 3 reduction by carbon and silicon. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 3, pp. 211–216. (In Russ.).Крюков Р.Е., Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Козырев Н.А., Шурупов В.М. Некоторые термодинамические аспекты восстановления WO алюминием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 2.3 С. 128 – 133.Kryukov R.E., Bendre Yu.V., Goryushkin V.F., Kozyrev N.A., Shurupov V.M. Some thermodynamic aspects of WO 3 reduction by aluminum. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 2, pp. 128–133. (In Russ.).Choi J.H., Lee J., Yoo C.D. Dynamic force balance model for metal transfer analysis in arc welding // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. 2658 – 2664.Choi J.H., Lee J., Yoo C.D. Dynamic force balance model for metal transfer analysis in arc welding. J. Phys. D: Appl. Phys. 2001, vol. 34, pp. 2658–2664.Lu F., Wang H.P., Murphy A.B., Carlson B.E. Analysis of energy flow in gas metal arc welding processes through self-consistent three-dimensional process simulation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 68. P. 215 – 223.Lu F., Wang H.P., Murphy A.B., Carlson B.E. Analysis of energy flow in gas metal arc welding processes through self-consistent three-dimensional process simulation. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014, vol. 68, pp. 215–223.Tashiro S., Zeniya T., Murphy A.B., Tanaka M. Visualization of fume formation process in arc welding with numerical simulation // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. 301 – 305.Tashiro S., Zeniya T., Murphy A.B., Tanaka M. Visualization of fume formation process in arc welding with numerical simulation. Surface and Coatings Technology. 2013, vol. 228, pp. 301–305.Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. Т. 1. Кн. 1 / Под ред. В.П. Глушко, Л.В. Гурвича и др. – М.: Наука, 1978. С. 22.Termodinamicheskie svoistva individual’nykh veshchestv. Spravochnik. T. 1. Kn. 1 [Thermodynamic properties of individual substances. Reference book. Vol. 1, Book 1]. Glushko V.P., Gurvich L.V. etc. eds. Moscow: Nauka, 1978, p. 22. (In Russ.).NIST-JANAF Thermochemical Tables 1985. Version 1.0 [Электронный ресурс]: data compiled and evaluated by M.W. Chase, C.A. Davies, J.R. Dawney, D.J. Frurip, R.A. Mc Donald, A.N. Syvernd. – Режим доступа: http://kinetics.nist.gov/janaf (Дата обращения 15.06.2019).NIST-JANAF Thermochemical Tables 1985. Version 1.0 [Electronic resource]: data compiled and evaluated by M.W. Chase, Jr., C.A. Davies, J.R. Dawney, Jr., D.J. Frurip, R.A. Mc Donald and A.N. Syvernd. Available at URL: http://kinetics.nist.gov/janaf. (Accessed 15.06.2019).Hansen M., Anderko K. Constitution of binary alloys. 2 nd ed. – New York: McGraw Hill Companies Inc., 1958. – 1287 p.Hansen M., Anderko K. Constitution of binary alloys. 2 nd ed. New York: McGraw Hill Companies Inc., 1958, 1287 p.Schastlivtsev V.M., Filippov M.A. Role of the Bogachev mints concept of metastability of austenite in choosing wear-resistant materials // Metal Science and Heat Treatment. 2005. Vol. 47. No. 1-2. P. 3 – 5.Schastlivtsev V.M., Filippov M.A. Role of the Bogachev mints concept of metastability of austenite in choosing wear-resistant materials. Metal Science and Heat Treatment. 2005, vol. 47, no. 1-2, pp. 3–5.Коробов Ю.С., Филиппов М.А., Макаров А.В., Верхорубов В.С., Невежин С.В., Кашфуллин А.М. Стойкость наплавленных слоев и напыленных покрытий со структурой метастабильного аустенита против абразивного и адгезионного изнашивания // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 17. № 2. С. 224 – 230.Korobov Yu.S., Filippov M.A., Makarov A.V., Verkhorubov V.S., Nevezhin S.V., Kashfullin A.M. Stability of surfaced layers and deposited coatings with metastable austenite structure to abrasive and adhesive fracture. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2015, vol. 17, no. 2, pp. 224–230. (In Russ.).Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfacing of cast iron // Welding International. 2008. Vol. 22. No. 11. P. 796 – 800.Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfacing of cast iron. Welding International. 2008, vol. 22, no. 11, pp. 796–800.Kejžar R., Grum J. Hardfacing of wear-resistant deposits by MAG welding with a flux-cored wire having graphite in its filling // Welding International. 2005. Vol. 20. No. 6. P. 961 – 976.Kejžar R., Grum J. Hardfacing of wear-resistant deposits by MAG welding with a flux-cored wire having graphite in its filling. Welding International. 2005, vol. 20, no. 6, pp. 961–976.Lim S.C., Gupta M., Goh Y.S., Seow K.C. Wear resistant WC – Co composite hard coatings // Surface Engineering. 1997. Vol. 13. No. 3. P. 247 – 250.Lim S.C., Gupta M., Goh Y.S., Seow K.C. Wear resistant WC – Co composite hard coatings. Surface Engineering. 1997, vol. 13, no. 3, pp. 247–250.Hardell J., Yousfi A., Lund M., Pelcastre L., Prakash B. Abrasive wear behaviour of hardened high strength boron steel // Tribology Materials, Surfaces and Interfaces. 2014. Vol. 8. No. 2. P. 90 – 97.Hardell J., Yousfi A., Lund M., Pelcastre L., Prakash B. Abrasive wear behaviour of hardened high strength boron steel. Tribology Materials, Surfaces and Interfaces. 2014, vol. 8, no. 2, pp. 90–97.Filippov M.A., Shumyakov V.I., Balin S.A., Zhilin A.S., Lehchilo V.V., Rimer G.A. Structure and wear resistance of deposited alloys based on metastable chromium-carbon austenite // Welding International. 2015. Vol. 29. P. 819 – 822.Filippov M.A., Shumyakov V.I., Balin S.A., Zhilin A.S., Lehchilo V.V., Rimer G.A. Structure and wear resistance of deposited alloys based on metastable chromium-carbon austenite. Welding International. 2015, vol. 29, pp. 819–822.Li R., He D.Y., Zhou Z., Wang Z.J., Song X.Y., Li. R. Wear and high temperature oxidation behavior of wire arc sprayed iron based coatings // Surface Engineering. 2014. Vol. 30. P. 784 – 790.Li R., He D.Y., Zhou Z., Wang Z.J., Song X.Y., Li. R. Wear and high temperature oxidation behavior of wire arc sprayed iron based coatings. Surface Engineering. 2014, vol. 30, pp. 784–790.Zhuk Yu. Super-Hard Wear-Resistant Coating Systems // Materials Technology. 1999. Vol. 14. P. 126 – 129.Zhuk Yu. Super-Hard Wear-Resistant Coating Systems. Materials Technology. 1999, vol. 14, pp. 126–129.Liu D.S., Liu R.P., Wei Y.H. Influence of tungsten on microstructure and wear resistance of iron base hardfacing alloy // Materials Science and Technology. 2014. Vol. 30. P. 316 – 322.Liu D.S., Liu R.P., Wei Y.H. Influence of tungsten on microstructure and wear resistance of iron base hardfacing alloy. Materials Science and Technology. 2014, vol. 30, pp. 316–322.Ma H.R., Chen X.Y., Li J.W., Chang C.T., Wang G., Li H., Wang X.M., Li R.W. Fe-based amorphous coating with high corrosion and wear resistance // Surface Engineering. 2016. Vol. 46. P. 1 – 7.Ma H.R., Chen X.Y., Li J.W., Chang C.T., Wang G., Li H., Wang X.M., Li R.W. Fe-based amorphous coating with high corrosion and wear resistance. Surface Engineering. 2016, vol. 46, pp. 1–7.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.