Химические превращения при карботермическом восстановлении бария и бора из оксидов

Сплавы бора и бария применяют для улучшения качества чугуна, стали, алюминия и других металлов. Первые промышленность выпускает преимущественно в виде ферробора, содержащего, в зависимости от марки, 6 – 17 % бора. Производят его дорогостоящим алюминотермическим способом из-за использования борного ангидрида и алюминиевого порошка. При этом неизбежно присутствие в металле алюминия, который ухудшает технологические свойства чугунов и образует строчечные глиноземистые включения в стали. Внепечное удаление алюминия приводит к окислению бора и потерям его со шлаками. Поэтому предлагаются новые способы выплавки борсодержащих ферросплавов. Из разработок последнего времени можно отметить технологию производства борсодержащего ферросилиция, опробованную в промышленных условиях. Но его использование может быть ограничено при выплавке низкокремнистых марок стали. Барий относится к эффективным модификаторам. В связи с низкой растворимостью в железе его производят в виде сплавов с кремнием или алюминием. В первом случае образуются силициды (BaSi, BaSi₂ ) и потому такие сплавы называют силикобарием или ферросилицием с барием. Но объемы производства силикобария значительно уступают производству традиционных ферросплавов. В настоящей работе изучена возможность производства борбариевого ферросплава, поскольку предполагалось, что одновременное присутствие в нем бария и бора может обеспечить потребности промышленности. На первом этапе рассмотрен химизм превращений в безжелезистой системе BaO – B₂O₃ – C. Анализ этой системы представляет также интерес для синтеза тугоплавких композиционных материалов на основе карбидов бора, бария и гексаборида бария в целях создания средств защиты от проникающей радиации, материалов для нелинейной оптики, термоэмиссионных катодов. Выполнен полный термодинамический анализ химических взаимодействий в этой системе в диапазоне температур 1400 – 3000 К. Установлена динамика изменения состава продуктов взаимодействия оксидов бария и бора с углеродом и между собой в зависимости от температуры. Показана возможность формирования конденсированной металлической фазы за счет карбидов бора (B4C) и бария (BaC₂ ), а также гексаборида бария (BaB₆). Полученные данные могут служить основой для создания нового ферросплава, одновременно содержащего бор и барий.

1. Голубцов В.А., Рябчиков И.В., Ахмадеев А.Ю. Модифицирование коррозионностойкой стали барийсодержащими сплавами // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2008. № 7. С. 15 – 17.

2. Wan Yong, Chen Weiqing. Effect of boron content on the microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 2015. 30. No. 3. P. 574 – 579.

3. Johnson M., Backerud L. The influence of composition on equiaxed crystal growth mechanisms and grain size in Al alloys // Z. Metallkd. 1996. Vol. 87. No 3. P. 216 – 220.

4. Müller K. Kornfeinung und Veredelung vonAl – Si – Gußlegierungen im Wechselspiel der Zusätze // Erstarrung metallischer Shmelzen in Forschung und Gießereipraxis, Symposium, 1999, Ed. Andreas Ludwig, P. 199 – 204.

5. Isagulov A., Akberdin A., Sultangaziyev R. etc. Diagram of equilibrium phase composition of Fe – C– Si – B system // Metalurgija. 2016. No. 3. P. 305 – 308.

6. Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 1999. – 764 с.

7. Жучков В.И. Комплексные ферросплавы: состав, производство, применение // Матер. Междунар. конф. «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли». – Караганда, 2013. С. 61 – 64.

8. Жучков В.И., Лукин С.В. Технология ферросплавов со щелочноземельными металлами. – М.: Металлургия, 1990. – 104 с.

9. Рябчиков И.В., Григорьев Ю.В. Термодинамический анализ процессов взаимодействия сульфатов магния и щелочноземельных металлов с углеродом // Тр. XIII Междунар. науч. конф. «Современные проблемы электрометаллургии стали». 2007. Ч. I. C. 61 – 65.

10. Агеев Ю.А., Козлов Ю.Е., Рябчиков И.В. Поведение серы в углетермическом процессе выплавки ферросилиция с барием из сульфатного сырья // Сб. «Совершенствование сортамента и технологии производства ферросплавов». – Челябинск: Металлургия, 1990. С. 61 – 66.

11. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.

12. Федоров П.П., Кох А.Е., Кононова Н.Г. Метаборат бария BaB2O4 – материал для нелинейной оптики // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 8. С. 741 – 763.

13. Бугаев А.С., Виноградова Е.М., Егоров Н.В. Автоэлектронные катоды и пушки. – Долгопрудный: Изд-во «Интеллект», 2018. – 288 с.

14. Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий в плазмохимических системах. Третий Междунар. симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии: Сб. материалов. Т. I. – Иваново, 2002. С. 217 – 220.

15. Smith W. R., Missen R.W. Chemical Reaction Equilibrium Analysis: Theory and Algorithms. – NY: John Wiley, 1982. – 364 р.

16. Van Zeggeren F., Storey S.H. The computation of Chemical Equilibria. – Oxford: Cambridge University Press, 1970. – 176 p.

17. Thermodynamic Properties of Individual Substances / Gurvich L.V. ed. 4th edition in 5 vols. Vol. 1. Part 2. NY, L.: Hemisphere Pub Co., 1994. – 340 p.

18. Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A. etc. FactSage Thermochemical Software and Databases // Calphad. 2002. Vol. 26. No. 2. P. 189 – 228.

19. Bale C.W., Belisle E., Chartrand P. etc. FactSage Thermochemical Software and Databases – recent developments // Calphad. 2009. Vol. 33. No. 2. P. 311.

20. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database // Pori: Outokumpu research OY. 2002 (www.outotec.com).

21. БережнойА.С. Многокомпонентные системы окислов. – Киев: Наукова думка, 1970. – 544 с.

22. Процюк А.П., Карапетьянц М.Х. О термодинамическом исследовании процессов в многокомпонентных системах // Журнал прикладной химии. 1977. Т. 50. Вып. 1. С. 169.

23. Лопатин С.И., Столярова В.Л., Тюрина Н.Г., Тюрина З.Г. Термодинамические свойства расплавов систем SrO–B2O3 и BaO–B2O3 // Журнал общей химии. 2006. Т. 76. Вып. 11. С. 1761 – 1767.

24. Салина В.А., Байсанов С.О. Диаграммы фазового строения металлических систем: Ва-Si-Mn, Bа-Fe-Si, Si-Fe-Mn, Ba-Mn-Fe, Ba-FeSi-Mn // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений. – Экибастуз: ЕИТИ им. К. Сатпаева, 2008. С. 289 – 294.