Термодинамическое моделирование изотерм растворимос­ти кислорода в жидком металле системы Fe – Mg – Al – O

Изучение взаимодействия растворенных в жидком железе магния и алюминия с кислородом является важной задачей для выбора оптимальных параметров рафинирования и разливки сталей. Актуальность исследования обусловлена определением возможности и условий образования неблагоприятных тугоплавких частиц оксида магния и магнезиальной шпинели в расплаве. Проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий, реализующихся в жидком металле систем Fe – Mg – O, Fe – Al – O и Fe – Mg – Al – O в интервале температур 1550 – 1650 °С. Расчет выполняли с использованием методики построения поверхности растворимости компонентов в металле, которая связывает количественные изменения в составе жидкого металла с изменениями в составе продуктов взаимодействия компонентов металлического расплава. Методика моделирования базировалась не только на использовании констант равновесия реакций, протекающих между компонентами исследуемых систем в выбранном интервале температур, но и на учете значений параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) элементов в жидком железе. Для моделирования активностей оксидного расплава, сопряженного с металлическим, использовали приближение теории субрегулярных ионных растворов. Для моделирования активностей твердого раствора оксидов использовали приближение теории регулярных ионных растворов, а для твердого раствора шпинелей – теорию совершенных ионных растворов. Построены изотермы растворимости кислорода в жидком металле систем Fe – Mg – O, Fe – Al – O и Fe – Mg – Al – O и определены области термодинамической стабильности оксидных фаз, сопряженных с металлическим расплавом. В частности, для системы Fe – Mg – Al – O определена область составов жидкого металла, в равновесии с которым будет находиться твердый раствор шпинелей FeAl 2 O 4 , MgAl 2 O 4 | тв.р . Полученные результаты термодинамического моделирования сопоставлены с экспериментальными данными.

Моделирование, фазовые равновесия, термодинамика, диаграмма состояний, магний, алюминий, раскисление

1. Жучков В.И., Лукин С.В., Шилина И.В. Раскисление стали кальций – магний – кремниевыми ферросплавами // Изв. Вуз. Черная металлургия. 1977. No 12. С. 69 – 71.

2. Жалыбин В.И., Ершов Г.С. О восстановлении магния футеровки при выплавке стали, легированной алюминием // Изв. АН СССР. Металлы. 1966. No 1. С. 49 – 53.

3. Xu H., Cao W., Dong H., Li J. Effects of aluminium on the microstructure and mechanical properties in 0,2C – 5Mn steels under different heat treatment conditions // ISIJ Intern. 2015. Vol. 55. No. 3. P. 662 – 669.

4. Hilty D.C., Grafts W. The solubility of oxygen in liquid iron con­taining aluminium // Trans. AIME. 1950. Vol. 188. No. 2. P. 414 – 424.

5. Gokcen N.A., Chipman J. Aluminium – oxygen equilibrium in liquid iron // Trans. AIME. 1953. Vol. 197. P. 173 – 178.

6. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. – М.: Издательский Дом МИСиС, 2009. – 519 с.

7. Чернова Л.А., Михайлов Г.Г. Термодинамические характеристики процессов взаимодействия кислорода с металлическими расплавами систем Fe – V – Me – Si – O – C (Me = Cr, Mn) // Журнал физической химии. 2006. Т. 80. No 11. С. 2058 – 2069.

8. Михайлов Г.Г., Чернова Л.А. Термодинамический анализ процессов раскисления стали кальцием и алюминием // Электрометаллургия. 2008. No 3. С. 6 – 8.

9. Mikhailov G.G., Zherebtsov D.A. On the interaction of calcium and oxygen in liquid iron // Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 843. P. 52 – 61.

10. Jo S.K., Song B., Kim S.H. Thermodynamics on the formation of spinel (MgO·Al 2 O 3 ) inclusion in liquid iron containing chromium // Metall. Mater. Trans. B. 2002. Vol. 33 B. P. 703 – 709.

11. Zhang T., Min Y., Liu C., Jiang M. Effect of Mg addition on the evolution of inclusions in Al – Ca deoxidized melts // ISIJ Intern. 2015. Vol. 55. No. 8. P. 1541 – 1548.

12. Du Y., Zhao J.R., Zhang C., Chen H.L., Zhang L.J. Thermodynamic modeling of the Fe – Mg – Si system // J. Min. Metall. Sect. B. 2007. Vol. 43 B. P. 39 – 56.

13. Zhang X., Han Q., Chen D. Dissolution equilibrium of magnesium vapor in liquid iron // Metall. Trans. B. 1991. Vol. 22 B. P. 918 – 921.

14. Stein F., Palm M. Re-determination of transition temperatures in the Fe – Al system by differential thermal analysis // Int. J. Mater. Res. 2007. Vol. 98. No. 7. P. 580 – 588.

15. Hidayat T., Shishin D., Jak E., Decterov S.A. Thermodynamic re­evaluation of the Fe – O system // Calphad. 2015. Vol. 48. P. 131 – 144.

16. Wriedt H.A. The Mg – O (magnesium – oxygen) system // Bull. Alloy Phase Diagrams. 1987. Vol. 8. No. 3. P. 227 – 233.

17. Wriedt H.A. The Al – O (aluminum – oxygen) system // Bull. Alloy Phase Diagrams. 1985. Vol. 6. No. 6. P. 548 – 553.

18. Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgical Thermochemistry. – Oxford: Pergamon Press Ltd Publ., 1979. – 450 p.

19. Darken L.S., Gurry R.W. The system iron–oxygen. II. Equilibrium and thermodynamics of liquid oxide and other phases // J. Am. Chem. Soc. 1946. Vol. 68. P. 798 – 816.

20. Wu P., Eriksson G., Pelton A.D., Blander M. Prediction of the thermodynamic properties and phase diagrams of silicate systems – evaluation of the FeO – MgO – SiO 2 system // ISIJ Intern. 1993. Vol. 33. No. 1. P. 26 – 35.

21. Slag Atlas. 2 nd Edition. Edited by Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh). – Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH., 1995. P. 40 – 44.

22. Rankin G.A., Merwin H.E. The ternary system CaO – Al 2 O 3 – MgO // J. Am. Chem. Soc. 1916. Vol. 38. No. 3. P. 568 – 588.

23. Ono A. Fe – Mg partitioning between spinel and olivine // J. Japan Assoc. Min. Petr. Econ. Geol. 1983. Vol. 78. P. 115 – 122.

24. Yang J., Kuwabara M., Sakai T., Uchida N., Liu Z., Sano M. Simul taneous desulfurization and deoxidation of molten steel with in situ produced magnesium vapor // ISIJ Intern. 2007. Vol. 47. No. 3. P. 418 – 426.

25. Mizukami H., Numata M., Yamanaka A. Generation of heterogeneous nucleus in carbon steel during solidification by magnesium vapor injection // ISIJ Intern. 2016. Vol. 56. No. 8. P. 1420 – 1426.

26. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Смирнов Л.А. Термодинамическое моделирование процессов взаимодействия лантана с компонентами металлических расплавов на основе железа // Изв. Вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. No 12. С. 877 – 883.

27. Hasegawa M., Tsukamoto T., Iwase M. Activity of iron oxide in magnesiowüstite in equilibrium with solid metallic iron // Mater. Trans. 2006. Vol. 47. No. 3. P. 854 – 860.

28. Satoh N., Taniguchi T., Mishima S., Oka T., Miki T., Hino M. Prediction of nonmetallic inclusion formation in Fe – 40 mass % Ni – 5 mass % Cr alloy production process // Tetsu-to-Hagané. 2009. Vol. 95. No. 12. P. 827 – 836.

29. Park J.H., Todoroki H. Control of MgO·Al 2 O 3 spinel inclusions in stainless steels // ISIJ Intern. 2010. Vol. 50. No. 10. P. 1333 – 1346.

30. Itoh H., Hino M., Ban-Ya S. Thermodynamics on the formation of non-metallic inclusion of spinel (MgO·Al 2 O 3 ) in liquid steel // Tetsu-to-Hagané. 1998. Vol. 84. No. 2. P. 85 – 90.

31. Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science, The 19 th Committee on Steelmaking. – New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1988. P. 288.

32. Wang L.J., Liu Y.Q., Wang Q., Chou K.C. Evolution mechanisms of MgO·Al 2 O 3 inclusions by cerium in spring steel used in fasteners of high-speed railway // ISIJ Intern. 2015. Vol. 55. No. 5. P. 970 – 975.

33. Prox H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron // Tetsu-to-Hagané. 1997. Vol. 83. No. 12. P. 773 – 778.

34. Itoh H., Hino M., Ban-Ya S. Thermodynamics on the formation of spinel nonmetallic inclusion in liquid steel // Metall. Mater. Trans. B. 1997. Vol. 28 B. P. 953 – 956.

35. Janke D., Fischer W.A. Desoxidationsgleichgewichte von titan, aluminium und zirconium in eisenschmelzen bei 1600 °C // Arch. Eisenhüttenwes. 1976. Vol. 47. No. 4. P. 195 – 198.

36. Kang Y., Thunman M., Sichen D., Morohoshi T., Mizukami K., Morita K. Aluminum deoxidation equilibrium of molten iron aluminum alloy with wide aluminum composition range at 1873 K // ISIJ Intern. 2009. Vol. 49. No. 10. P. 1483 – 1489.

37. Paek M.K., Jang J.M., Kang Y.B., Pak J.J. Aluminum deoxidation equilibria in liquid iron: part I. Experimental // Metall. Mater. Trans. B. 2015. Vol. 46. No. 4. P. 1826 – 1836.

38. Fruehan R.J. Activities in liquid Fe – Al – O and Fe – Ti – O alloys // Metall. Trans. 1970. Vol. 1. No. 12. P. 3403 – 3410.

39. Seo J.D., Kim S.H. Thermodynamic assessment of Mg deoxidation reaction of liquid iron and equilibria of [Mg] – [Al] – [O] and [Mg] – [S] – [O] // Steel Res. 2000. Vol. 71. No. 4. P. 101 – 106.

40. Jung I.H., Decterov S.A., Pelton A.D. Computer applications of thermodynamic databases to inclusion engineering // ISIJ Intern. 2004. Vol. 44. No. 3. P. 527 – 536.

41. Fujii K., Nagasaka T., Hino M. Activities of the constituents in spinel solid solution and free energies of formation of MgO, MgO·Al 2 O 3 // ISIJ Intern. 2000. Vol. 40. No. 11. P. 1059 – 1066.