ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ TI-AL-SI И TI-SI-FE С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА TERRA

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ Ti-Al-Si И Ti-Si-Fe С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА TERRA

Воробкало Нина Руслановна

м.т.н, мл. науч. сотр. лаборатории Пирометаллургические процессы, Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева,

Казахстан, г. Караганда

Тургунова Камила Каримжановна

м.т.н., старший инженер лаборатории исследования металлов, Филиал ТОО «КМГ Инжиниринг» «КазНИПИмунайгаз»

Казахстан, г. Актау,

Махамбетов Ерболат Нысаналыулы

д-р PhD, заведующий лабораторией Ферросплавов и процессов восстановления, Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева,

Казахстан, г. Караганда

Шариева Сымбат Саматовна

инженер лаборатории Пирометаллургические процессы, Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева,

Казахстан, г. Караганда

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE Ti-Al-Si AND Ti-Si-Fe SYSTEMS USING THE TERRA SOFTWARE COMPLEX

Nina Vorobalo

m.t.s., junior researcher laboratory pyrometallurgical process, Chemical and Metallurgical Institute named after Zh. Abisheva,

Kazakhstan, Karaganda

Kamila Turgunova

Senior engineer metal research laboratories, KMG Engineering LLP KazNIPImunaigas branch,

Kazakhstan, Aktau

Yerbolat Makhambetov

 PhD, Head of laboratory Ferroalloys and restoration processes, Chemical and Metallurgical Institute named after Zh. Abisheva,

Kazakhstan, Karaganda

Symbat Sharieva

Engineer, laboratory pyrometallurgical process, Chemical and Metallurgical Institute named after Zh. Abisheva,

Kazakhstan, Karaganda

Данная работа выполнена в рамках исследования, финансируемого Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (грант № AP09058310).

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты термодинамического анализа систем Ti-Al-Si и Ti-Si-Fe с помощью программного комплекса Terra для прогнозирования конечного состава комплексного титансодержащего ферросплава. Проведенные расчеты в полной мере позволили рассмотреть все физико-химические процессы, протекающие при выплавке нового комплексного титансодержащего ферросплава. В результате спрогнозирован ориентировочный конечный фазовый состав сплава в виде соединений TiSi₂ и Ti₅Si₃ и свободного кремния.

ABSTRACT

This scientific paper presents the results of a thermodynamic analysis of the Ti-Al-Si and Ti-Si-Fe systems using the Terra software package for predicting the final composition of a complex titanium-containing ferroalloy. The calculations carried out made it possible to fully consider all the physicochemical processes occurring during the smelting of a new complex titanium-containing ferroalloy. As a result, the approximate final phase composition of the alloy in the form of TiSi₂ and Ti₅Si₃ compounds and free silicon is predicted.

Ключевые слова: термодинамический анализ, Terra, титансодержащий ферросплав, фазовый состав.

Keywords: thermodynamic analysis, Terra, titanium-containing ferroalloy, phase composition.

Технологические процессы выплавки новых ферросплавовпо своей сути являются совокупностью химических реакций, сопровождающихся тепловымиэ ффектами, в ходе которых происходит образование новых фаз. В одну из таких фаз, являющуюся целевым продуктом, стремятся как можно полнее извлечь металл из исходного сырья, в другие – перевести сопутствующие ненужные компоненты.

Для того, чтобы с уверенностью сказать возможны ли определенные химические реакции (окисление, восстановление, и т. п.) между компонентами шихты и в каков химический состав готового сплава требуется проведения термодинамических расчетов, которые базируются на известных законах физической химии. Помимо того, что такие расчеты довольно трудоемки и многостадийны, они требуют исходных термодинамических данных. На любой стадии расчета возможны ошибки, способные привести к ошибочным результатам и выводам. Экспериментальные способы исследования процессов такого рода, как правило, трудоемки и дороги, а зачастую вообще не осуществимы [1].

Расчет термодинамического равновесия произвольных многокомопнентных систем заключается в определение всех равновесных параметров (температура, давление, объём, энтропия), термодинамических свойств, а также химического и фазового состава получаемых компонентов. При повышение температуры, когда любые изменения состояния сопровождаются фазовыми, полиморфными и химическими превращениями, эта задача неизмеримо более сложна, чем в постановке классической термодинамики, где рассчеты выполняются для нормальных условий. Но, благодаря тому, что алгоритмы таких расчетов известны, что и обусловило возможность создания на их базе программ, решающих перечисленные выше задачи.

Поэтому в рамках данной научной работы с помощью программного комплекса «Terra» провели термодинамический анализ систем Ti-Al-Si и Ti-Si-Fe с целью прогнозирования конечного фазового состава комплексного титансодержащего ферросплава.

В программном комплексе «Terra» предусмотрен интерфейс «Triangle», с помощью которого можно построить весь фазовый комплекс для конденсированных фаз в одном цикле. Программа «Triangle» рассчитывает равновесные концентрации для 100 точек (составов) концентрационного треугольника, наносит и автоматически раскрашивает фазовые области в различные цвета в соответствии с содержанием в них фаз.

С помощью программы «Triangle» построили диаграммы тройных фазовых систем Ti-Al-Si и Ti-Si-Fe при температурах 300 и 2300 К, что изображено на рисунках 1-2.

а – при 300 К, б – при 2300 К

Рисунок 1. Диаграмма Ti-Al-Si при температурах: а) 300 К; б)2300 К

Согласно результатам расчетов на программном комплексе Triangle в системе Ti-Al-Si и системы Ti-Si-Fe обнаружен ряд фазовых областей (точек) с различными концентрациями. Наиболее преобладающими по объему являются фазовые области, представленные бинарными соединениями моносилицида и силицида титана (TiSi, TiSi₂ и Ti₅Si₃). При повышении температуры фазовая область TiSi₂ исчезает. 

а – при 300 К, б – при 2300 К

Рисунок 2. Диаграмма Ti-Si-Fe при температурах: а) 300 К; б)2300 К

Проведенные расчеты в полной мере позволяют рассмотреть все физико-химические процессы, протекающие при выплавке нового комплексного титансодержащего ферросплава. Таким образом ориентировочно спрогнозирован конечный фазовый состав сплава в виде соединений  TiSi₂ и Ti₅Si₃ и свободного кремния.

Однако необходимо учитыват реальные условия при которых будут протекат эти реакции в рудно – термической печи. Поэтому область начала совместного карботермического восстановление может сместиться в ту или иную область. В целом процесс протекает при высоких температурах и имеет сложный характер восстановительных процессов. Поэтому, даже зная термодинамические данные и температурный интервал нельзя полностью утверждать о характеристике самого процесса.

Список литературы:

1. Агеев Н. Г., Набойченко С. С. Металлургические расчеты с использованием пакета прикладных программ HSC Chemistry: учебное пособие. – Екатеринбург: Изд – во Урал. ун – та,  2016. – 124 с.