СИСТЕМА Fe—Ti—O. ДАВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА ПРИ

Известия Челябинского научного центра, вып. 4 (30), 2005
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 541.123.3: 546.72`821–31
СИСТЕМА Fe—Ti—O.
ДАВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА ПРИ РАВНОВЕСИИ ШПИНЕЛЬНОГО
И ИЛЬМЕНИТОВОГО РАСТВОРОВ
В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 1073…1273 К
А.В. Голлай, А.А. Лыкасов
e–mail: [email protected]
Южно–Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия
Статья поступила 19 октября 2005 г.
Природные соединения титана: ульвошпинель и растворы на ее основе, ильменит и растворы с Fe2O3 представляют исключительный интерес для производства титана, ферротитана
и пигментов. Термодинамические свойства этих веществ изучены недостаточно. Анализ литературных данных показал, что наиболее подробная информация о диаграмме состояния системы получена для температур 1223, 1473 и 1573 К. Построенные нами при этих температурах
изотермические сечения диаграммы представлены в работе [1].
В настоящем исследовании методом ЭДС изучены условия равновесия шпинельного раствора и ильменитовой фазы. Образцы для исследования готовили методом твердофазной реакции из порошков карбонильного железа, оксида железа Fе2О3 классификации «о.с.ч.» и оксида титана TiO2 классификации «о.с.ч.». Спекание проводили при температуре 1000°С в течении
40 часов в вакууме. Состав образцов уточняли химическим и рентгенофазовым анализами.
Измерялась ЭДС элемента:
Pt| Fe, FeO | ZrO2+Y2O3 | Fe1–cTicOy| Pt,
где Fe, FeO — электрод сравнения (равновесная смесь железа и вюстита, ее термодинамические свойства заимствованы из работы [2]), ZrO2+Y2O3 — твердый электролит, Fe1–cTicOy — исследованный образец, (1–c) — катионная доля железа; с — катионная доля титана; y — степень
окисленности.
Использовали гальваническую ячейка с разделенным газовым пространствам. Конструкция
полуэлемента с исследуемым образцом приведена на рис. 1. Основа полуэлемента — тигель 2
из диоксида циркония ZrO2 , стабилизированного Y2O3. Его наполовину заполняли порошком
исследуемого образца 5, в который погружали платиновый токоотвод 1, касающийся слоя дисперсной платины 6, нанесенной на дно тигля. Свободное пространство над исследуемым образцом заполняли сначала таблеткой из твердого электролита 4 (для исключения взаимодействия цемента с исследуемым веществом), а затем несколькими слоями огнеупорного цемента 3.
После нанесения каждого слоя производили сушку сначала на воздухе в течение суток, а затем
в вакууме при постепенном нагревании до 400°С. Платиновый токоотвод перегибали между
слоями цемента. Цемент готовили из тонкодисперсного порошка (размер частицы 2—3 мкм)
смеси диоксида циркония ZrO2, стабилизированного 10 мac.% Y2O3, и жидкого стекла плотно3
стью ρ = 1,36 г/см .
22
А.В. Голлай, А.А. Лыкасов
Рис. 1. Схема полуэлемента
Измерения ЭДС проводили в интервале 800…1000°С как при повышении, так и при понижении температуры. Значение воспроизводилось с точностью ±5мВ.
На основании полученных экспериментальных данных по уравнению Нернста рассчитали
равновесные парциальные давления кислорода над исследуемыми образцами и определили
зависимости lg pO2 от валового состава образцов. Эти зависимости позволили установить по-
ложение катод в двухфазной области равновесия шпинельного и ильменитового растворов.
Экстраполяцией канод до границ областей гомогенности сопряженных фаз установили зависимость lg pO2 от состава шпинельного и ильменитового растворов. Эти зависимости представлена на рис. 2. Данные по равновесию ульвошпинели и ильменита с железом заимствованы из
работы [3], а по равновесию Fe3O4 и Fe2O3 — из работы [4].
lg(PO ),
2
1
атм.
2
3
-10
4
5
-15
-20
0
0,2
0,4
c
Рис. 2. Зависимость равновесного давления кислорода
от состава шпинельного и ильменитового растворов:
1 — 1273; 2 — 1223; 3 — 1173; 4 — 1123; 5 — 1073 К
Давление кислорода при равновесии шпинельного и ильменитового растворов
23
Зависимость lg pO2 от состава шпинельной фазы имеет сложный характер: до содержания
титана, соответствующего с~0,45 , pO2 изменяется в пределах двух порядков, а в дальнейшем
резко уменьшается до значений
pO2 , соответствующего равновесию железо–шпинель–
ильменит. Изменение lg pO2 вдоль границы шпинельной фазы более монотонно.
Вывод
Методом ЭДС были изучены фазовые равновесия с участием шпинельного раствора и корундовой фазой в интервале температур 800…1000°С. Определены зависимости равновесного
парциального давления кислорода от содержания титана в равновесных шпинельных и ильменитовых растворах.
При финансовой поддержке Правительства Челябинской области
Список литературы
1. Лыкасов А.А., Голлай А.В., Лопатко В.М., Судариков М.В. Изотермические сечения диаграмм состояния системы Fe—Ti—O при температуре 1223, 1473 и 1573 К // Вестник УПИ. Фундаментальные проблемы металлургии. Екатеринбург, 2002. № 3 (20). С. 160—161.
2. Физико–химические свойства вюстита и его растворов / Лыкасов А.А., Карел К., Мень А.Н. и др.
Свердловск: УНЦ АН СССР, 1987. 230 с.
3. Лыкасов А.А., Судариков М.В., Лопатко В.М. Условия равновесия фаз системы Fe—Ti—O в интервале температуры 1100…1600 К // Вестник ЮУрГУ. Челябинск, 2002. № 2. С. 20—21.
4. Чернобровин В.П., Пашкеев И.Ю., Михайлов Г.Г. и др. Теоретические основы процессов производства углеродистого феррохрома из Уральских руд. Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2004. 347 c.