научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ НА ХАРАКТЕР МЕЖФАЗНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЦИРКОНИЯ ИЗ ЕГО ДИОКСИДА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ НА ХАРАКТЕР МЕЖФАЗНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЦИРКОНИЯ ИЗ ЕГО ДИОКСИДА»

РАСПЛАВЫ

2 • 2015

УДК 669.296.055:669.71:54.03/04

© 2015 г. С. А. Красиков1, С. Н. Агафонов, В. П. Ченцов, Е. М. Жилина

ВЛИЯНИЕ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ НА ХАРАКТЕР МЕЖФАЗНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЦИРКОНИЯ ИЗ ЕГО ДИОКСИДА

Выполнена теоретическая и экспериментальная оценка поверхностных и объемных свойств сплавов цирконий—алюминий, полученных путем алюминотермиче-ского восстановления циркония из его диоксида. По экспериментальным значениям поверхностного натяжения и плотности металла и шлака рассчитаны межфазные характеристики, влияющие на разделение продуктов металлотермической плавки.

Ключевые слова: алюминотермическое восстановление, интерметаллические соединения, оксиды, свойства.

Эффективная реализация металлотермического процесса [1—3] во многом зависит от физико-химических свойств образующихся продуктов и, в частности, поверхностного и межфазного натяжения и плотности, которые определяют формирование монолитного слитка металла и способствуют хорошему разделению металла и шлака. В настоящей работе проанализировано влияние состава сплавов Zr—Al на характер межфазных взаимодействий при протекании алюминотермического восстановления циркония из его диоксида.

Экспериментальная часть. Поверхностное натяжение ст и плотность р цирконийсо-держащего металлического расплава определяли методом лежащей капли [4, 5], предусматривающим использование керамических подложек из оксида алюминия или оксида бериллия. Эксперименты проводили в вакуумной печи, нагрев которой осуществлялся с помощью нагревателя, изготовленного из вольфрамовой проволоки диаметром 3 мм. Определение размеров капли проводили в температурном интервале от 1400 до 1750°С.

В экспериментах были использованы образцы сплавов Zr—Al, полученные путем алюминотермического восстановления циркония [6] из его диоксида и содержащие от 19.2 до 26.5 ат. % Zr. Поверхность образцов перед опытом механически зачищали и промывали спиртом. Съемку образцов проводили при помощи цифровой камеры Sony с 10-мегапиксельной CCD-матрицей и длиннофокусным объективом Tamron Af 28—300 мм. После опыта снимки подвергали компьютерной обработке. Истинные размеры образца определяли при помощи графического пакета ScnImage. Калибровку снимков осуществляли с помощью кварцевой пластинки известных размеров, помещенной в установке рядом с исследуемым объектом.

Результаты и обсуждение. Расчет поверхностного натяжения сплавов Zr—Al проводили с использованием данных [7] и формулы [5]

n

= £ atNt, (1)

i= 1

где стi — поверхностное натяжение ¿-того компонента, Ni — мольная доля компонента, n — общее число компонентов.

1sankr@mail.ru.

1220 г

1200

1050

900

750

600

_1_

_1_

42

44

46

48 50

Zr, ат. %

52

54

Рис. 2. Зависимость расчетных (1—3) и экспериментальных (1а, 2а) значений поверхностного натяжения сплавов Zr—Al от концентрации циркония при 1600°С (1, 1а), 1650°С (2, 2а) и 1700°С (3).

2

Расчет показал (рис. 1), что с повышением температуры (температурные коэффициенты поверхностного натяжения йъ/йТ равнялись —0.33—0.40 мДж ■ м-2 ■ К-1) и ростом количества алюминия поверхностное натяжение снижается. Линейная зависимость (рис. 2) изменения ъ с увеличением (снижением) содержания в сплаве алюминия или циркония показала, что поведение компонентов подчиняется законам идеальных растворов и соответственно в расплаве отсутствует упорядочение и взаимо-

Таблица

Величины межфазного натяжения между сплавами Zr—A] и шлаком алюминотермической плавки

при температуре 1600 °С

Zr в сплаве, ат. %

Поверхностное натяжение

г-ттттатггчтг 7г_А1 л х ПЧь'/л х2

сплавов Zr—Al, мДж/м2

Межфазное натяжение между сплавами Zr—Al и шлаком [10], мДж/м2

54.5

48.6 44.3

1100 1075 700

700 645 300

действие между частицами. Представленные на рис. 1 и 2 экспериментальные данные также свидетельствуют о снижении величины ъ с повышением температуры, но существенно отличаются по влиянию состава сплавов на это свойство.

Выявленные различия в тенденциях изменения расчетных и экспериментальных данных поверхностного натяжения, очевидно, объясняются возможностью образования для исследуемого интервала состава сплавов интерметаллических соединений и эвтектики [6, 8, 9]. Анализ диаграммы состояния системы алюминий-цирконий [8] показывает, что при увеличении содержания Zr от 15 до 35 ат. % система характеризуется образованием конгруэнтных интерметаллических соединений А1^г (1560°С, 25.5 ат. % Zr) и А1^г (1645°С, 34 ат. % Zr) и наличием эвтектики (1490°С, 26.5 ат. % Zr) между этими соединениями.

Состав сплава 1 (26.5 ат. % Zr) соответствует эвтектическому и характеризуется наличием интерметаллических соединений А1^г и А1^г [4] в твердом состоянии. В жидком состоянии после расплавления эта структура до температур 1600-1630°С, видимо, сохраняется в виде микроассоциаций, а при высоких температурах происходит существенное разупорядочение, и это отражается на резком уменьшении поверхностного натяжения (йъ/йТ равно -3.16 мДж ■ м-2 ■ К-1).

Состав сплава 2 (21.9 ат. % Zr) близок к А1^г и характеризуется присутствием значительной доли этого соединения [6]. Его температура плавления несколько выше, чем у сплава 1 и соответственно значения поверхностного натяжения до температуры 1630°С близки к значениям сплава 1. При более высоких температурах микроструктура жидкого сплава 2, видимо, сильно не меняется и это выражается в линейной температурной зависимости с йъ/йТ равным -0.681 мДж ■ м-2 ■ К-1.

У сплава 3 (19.2 ат. % Zr) большее содержание А1 должно быть связано с увеличением доли свободного алюминия в поверхностном слое расплава [5-7], что и выразилось в более низких значениях ъ для этого сплава. Значение йъ/йТ здесь составило -0.894 мДж ■ м-2 ■ К-1.

Межфазное натяжение между металлом и шлаком рассчитывали по правилу Антонова [5] - по разнице между экспериментальными значениями поверхностного натяжения этих контактирующих фаз. Согласно [10], значение ъ для шлаков, содержащих менее 1.5 мол. % ZrO2 изменялось незначительно и для расчетов межфазного натяжения было принято равным 400 мДж/м2.

Как видно из таблицы, при температуре 1600°С с уменьшением содержания Zr в сплаве от 26.5 до 19.2 ат. % наблюдается существенное снижение межфазного натяжения. При повышении температуры более 1630°С эта тенденция, вследствие более существенного уменьшения ъ для сплава 1, будет другой и значения межфазного натяжения сплава 1 будут близкими к значениям межфазного натяжения для сплава 3. Выявленная тенденция изменения межфазного натяжения показывает, что она

4.8

4.3

3.8

3.3

2.8

2.3

690

890

1090

1290

1490

Г, °С

1690

Рис. 3. Температурная зависимость расчетных (1—3) и экспериментальных (1а, 2а, 3а) данных плотности сплавов /г-Л1: 1 и 1а — 26.5, 2 и 2а — 21.9, 3 и 3а — 19.2 ат. % /г.

существенно зависит от образования в металле интерметаллических соединений Ах/гу. Соответственно, изменение межфазного натяжения будет влиять и на разделение металла и шлака при протекании металлотермического процесса. Следует также отметить, что с ростом концентрации диоксида циркония в шлаке до 18 мол. % поверхностное натяжение этого шлака будет уменьшаться [10], что будет влиять на увеличение межфазного натяжения и способствовать улучшению разделения металла и шлака.

Расчет значений плотности проводился по формуле, аналогичной (1):

п

Ре = I РN (2)

1 = 1

Измерение плотности, также влияющей на разделение фаз, показало, что ее значения для сплавов 1 и 2 (рис. 3) для температуры 1600°С составили 4600 и 5200 кг ■ м-3 соответственно. Плотность контактирующего с металлом шлака при металлотермиче-ском процессе для этой температуры [10] составляет около 2500 кг ■ м-3 и, следовательно, разница между плотностями равна 2100-2600 кг ■ м-3. Это должно способствовать хорошему разделению металла и шлака.

У сплава 3 значение плотности для температуры 1600°С составляет около 3000 кг/м-3 и разница между плотностями металла и шлака равна около 500 кг ■ м-3, что будет влиять на ухудшение разделения металла и шлака. Температурные коэффициенты плотности dp/dT для сплавов 1-3 были относительно невысокие и составляли - (0.2-0.4) кг ■ м-3 ■ К-1.

ВЫВОДЫ

При металлотермическом восстановлении циркония из оксидов образование интерметаллических соединений Л1х/гу в металле и концентрация диоксида циркония в шлаке существенно влияют на значение межфазного натяжения между образующимися сплавами /г-Л1 и оксидным расплавом. Соответственно изменение межфазного натяжения будет влиять на разделение металла и шлака. Хорошему разделению металла и шлака должно также способствовать большее различие в плотностях образующихся фаз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б. И. Теория и технология производства ферросплавов. — М.: Металлургия, 1988. — 784 с.

2. Напалков, В.И., Бондарев, Б.И., Тарарышкин, В.И., Чукхров, М.В. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. — М.: Металлургия, 1983.

3.Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. - М.: МИСИС, 2002. - 376 с.

4. Линчевский Б.М. Техника металлургического эксперимента.- М.: Металлургия, 1979. - 256 с.

5. Попель С.И. Теория металлургических процессов. - М.: ВИНИТИ, 1971. - 132 с.

6. Агафонов С.Н., Красиков С.А., Пономаренко А.А., Овчинникова Л.А. Фазообразование при алюминотермическом восстановлении ZrO2 - Неорган. материалы,

2012, 48, № 8, с. 927-934.

7. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1986. - 463 с.

8. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. - M.: Государственное научно - техническое изд-во лит-ры по чер. И цвет. Металлургии, 1962, 1. 608 с.

9. Ларионов А.В., Чумарев В.М., Удоева Л.Ю., Мансурова А.Н., Рылов А.Н., Райков А.Ю., Алешин А.П., Трубач ев М.В. Моделирование алюминотермической выплавки сплавов Al-Zr и Al-Zr-Mo-Sn. - Металлы, № 5, 2013, с. 3-9.

10. Agafonov S.N., Krasikov S.A. Effect of Zirconium and molybdenum oxides on the surface and volume properties of an aluminocalcium oxide-fluoride melt. - Russian Metallurgy (

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»