Изотермическое сечение диаграммы – состав – температура системы Fe–Si–O при температуре 1373 К

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изотермическое сечение диаграммы - состав - температура системы Fe-Si-O при температуре 1373 К

Кимяшов Александр

Аннотация

Диаграммы состояния состав - температура - свойство являются подробной характеристикой условий существования веществ. Они позволяют определить, каким образом можно синтезировать вещества заданного состава, судить о том какие превращения возможны в системе в тех или иных условиях, каков состав продуктов на каждом этапе превращения и какими свойствами эти продукты обладают.

Силикат железа Fe2SiO4 - фаялит - не только часто встречающийся в природе минерал, но и составляющая ряда техногенных продуктов, например, шлаков сульфидной плавки медных концент-ратов. В процессе обогащения полиметаллических медно-цинковых руд в отвал уходит промпродукт, основу которого составляет минерал фаялит. Возможность введения такого сырья в переработку во многом определена свойствами составляющих его соединений. Важно знать не только их химический и минералогический состав, но и поведение в условиях пиро- или гидрометаллургической обработки. Так как основу сырья составляет фаялит и, возможно, его растворы, то, прежде всего, интересны свойства этого вещества.

В настоящей работе методом ЭДС исследованы фазовые равновесия в системе Fe-Fe2O3-SiO2 при температуре 1373 К. Были измерены ЭДС гальванических элементов - Pt, Fe, FeO¦ZrO2 + Y2O3¦ Fe1-cSicOy, Pt+ с образцами исследуемых веществ, валовый состав которых выражается формулой Fe1-cSicOy. Электродом сравнения служила равновесная смесь железа и вюстита (Fe, FeO). По значе-ниям ЭДС, используя уравнение Нернста, определяли равновесные образцам давления кислорода. Приводятся температурные зависимости ЭДС этих элементов.

Экстраполяцией полученных данных построено изотермическое сечение диаграммы состояния системы Fe-Si-O при температуре 1373 К.

Ключевые слова: фазовые равновесия, диаграмма состояния, трехкомпонентная система железо - гематит - кремнезем.

Диаграммы состояния состав - температура - свойство являются подробной характеристикой условий существования веществ. Они позволяют определить, каким образом можно синтезировать вещества заданного состава, судить о том какие превращения возможны в системе в тех или иных условиях, каков состав продуктов на каждом этапе превращения и какими свойствами эти продукты обладают.

Силикат железа Fe2SiO4 - фаялит - не только часто встречающийся в природе минерал, но и составляющая ряда техногенных продуктов, например, шлаков сульфидной плавки медных концентратов. В процессе обогащения полиметаллических медно-цинковых руд в отвал уходит промпродукт, основу которого составляет минерал фаялит. Возможность введения такого сырья в переработку во многом определена свойствами составляющих его соединений. Важно знать не только их химический и минералогический состав, но и поведение в условиях пиро- или гидрометаллургической обработки. Так как основу сырья составляет фаялит и, возможно, его растворы, то, прежде всего, интересны свойства этого вещества.

В литературе приводится изотермическое сечение диаграммы только при температуре 1273 К [1].

Цель настоящей работы - изучение условий равновесий веществ в системе Fe-Fe2O3-SiO2 при температуре 1373 К и построение изотермических сечений диаграммы состояния этой системы.

Экспериментальная часть

Данные для построения изотермического сечения были получены методом измерения ЭДС концентрационного по кислороду гальванического элемента с твердым электролитом (метод ЭДС). Измеряли ЭДС цепи

Pt | Fe, FeOy | ZrO2 + Y2O3 | Fe1-cSicOy | Pt, (1)

в которой Fe, FeOy - равновесная смесь железа и вюстита (электрод сравнения), ZrO2 + Y2O3 - диоксид циркония легированный оксидом иттрия (твердый электролит), Fe1-cSicOy - исследуемый образец. Состав образца характеризовали параметрами: с - отношение количества молей кремния в образце к сумме количеств молей кремния и железа; у - отношение количества молей кислорода к сумме количеств молей кремния и железа (степень окисленности).

Эксперимент подробно описан в работе [1].

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений ЭДС гальванического элемента (1) приведены на рис. 1, 2.

температура силикат железо изотермический

Рис. 1. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.1: ? - с = 0.02; _ - с = 0.04; Ў - с = 0.06.

Рис. 2. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.2: ¦ - с = 0.02;^ - с = 0.04; ? - с = 0.06;_ - с = 0.12;? - с = 0.14; ? - с = 0.16; -с = 0.18; - с = 0.2.

Как видно из рис. 1-5, для ряда образцов температурные зависимости ЭДС элемента (1) совпадают. Это возможно в том случае, если в условиях эксперимента система имеет одну степень свободы, то есть исследуемые образцы, согласно правилу фаз, состоят из трех равновесных конденсированных фаз.

Образцы подвергали рентгенофазовому и микрорентгеноспектральному анализам. Согласно результатам микрорентгеноспектрального анализа, образцы состава у = 1.2 с: 0.02, 0.04, 0.06; у = 1.3 с:0.02, 0.06, 0.1, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18 содержали следующие три фазы: вюстит, магнетит, раствор магнетита в фаялите (S). Для образцов состава у = 1.1 с = 0.06; у = 1.2 с: 0.18, 0.2; у = 1.3 с: 0.3, 0.32 равновесными фазами являются железо, вюстит и фаялит. Образцы состава у = 1.4 с = 0.45 и у = 1.45 с = 0,48 состоят из железа, фаялита и кремнезема. Магнетит, твердый раствор кремнезема в гематите (HS) и кремнезем содержат образцы составов у = 1.4 с = 0.05, 0.08; у = 1.45 с = 0.09. Смесь магнетита, твердого раствора магнетита в фаялите и кремнезема - фазовый состав образцов у = 1.4 с = 0.2; у = 1.45 с = 0.25.

Рис. 3. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.3: ? - с = 0.02; _ - с = 0.06;Ў - с = 0.1; - с = 0.12; ¦ - с = 0.14; ? - с = 0.16; ¦ - с = 0.18; ? - с = 0.2;^ - с = 0.22; - с = 0.26; - с = 0.28; Ч - с = 0.3; - с = 0.32.

Рис. 4. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.4: ¦ - с = 0; ? - с = 0.02; _ - с = 0.05;? - с = 0.08; х - с = 0.2; ¦ - с = 0,33; ? - с = 0.35;Ў - с = 0.375; х - с = 0.45.

Рис. 5. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.45: Ч - с = 0; ? - с = 0.02; ¦ - с = 0.05; _ - с = 0.09; х - с = 0.25; ^ - с = 0.38; ? - с = 0.4;Ў - с = 0.43; ? - с = 0.48.

Рис. 6. Зависимость ЭДС элемента (1) от состава образцов при Т = 1373 К: ? - у = 1.1; Ў - у = 1.2; ¦ - у = 1.3.

Рис. 7. Зависимость ЭДС элемента (1) от состава образцов при Т = 1373 К; - - у = 1.4, ---- - у = 1.45.

Экспериментальные данные по ЭДС элемента (1) проэкстраполировали до температуры 1373 К.

Для определения границ, разделяющих трехфазные и двухфазные области на фазовой диаграмме системы Fe-Si-O, построили изотермические зависимости ЭДС от валового состава образцов имеющих одинаковую степень окисленности. На рис. 6-7 приведены зависимости для образцов со степенями окисленности у равными 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 и 1.45.

На рис. 6-7 горизонтальные линии отвечают одинаковым значениям ЭДС элемента (1) и, следовательно, соответствуют нонвариантным равновесиям (трехфазные области на фазовой диаграмме). Наклонные линии на этих рисунках соответствуют моновариантным равновесиям (двухфазные области на диаграмме).

На рис.6 верхняя горизонтальная линия отвечает равновесию магнетит - вюстит раствор магнетита в фаялите (S), а нижняя - равновесию железо - вюстит - фаялит. На рис. 7 верхняя наклонная линия соответствует равновесию магнетит - раствор кремнезема в гематите, а нижняя - равновесию кремнезем - раствор магнетита в фаялите. Верхняя горизонтальная линия отвечает равновесию магнетит - раствор кремнезема в гематите - кремнезем, средняя - магнетит - раствор магнетит в фаялите - кремнезем, а нижняя - железо - фаялит - кремнезем.

Излом на кривой связан с тем, что равновесие магнетита с кремнеземом вырождено в линию. На основании этих зависимостей было построено изотермическое сечения фазовой диаграммы Fe-Si-O при температуре 1373 К.

Рис. 8. Изотермическое сечение фазовой диаграммы системы Fe-Si-O при 1373 К: 1 - Fe-FeO-Fe2SiO4; 2 - Fe- Fe2SiO4-SiO2; 3 - FeOy-Fe3O4-S; 4 - Fe3O4-HS; 5 - Fe3O4-HS-SiO2; 6 - Fe3O4-S-SiO2; 7 - FeOy-S; 8 - S-SiO2

Выводы

Экстраполяцией данных полученных методом измерения эдс гальванических элементов с твердым кислородпроводящим электролитом исследованы условия фазовых равновесий в системе Fe-Si-O при температуре 1373 К. Показано, что в этой системе реализуются 5 моновариантных равновесий: магнетит - вюстит - раствор магнетита в фаялите; вюстит - железо - фаялит; железо - фаялит - кремнезем; магнетит - раствор кремнезема в гематите - кремнезем; магнетит - раствор магнетита в фаялите - кремнезем.

Построено изотермическое сечение диаграммы состояния системы Fe-Si-O при этой температуре.

Литература

1. Лыкасов А.А., Кимяшов А.А. Условия фазовых равновесий в системе Fe-Si-O в интервале температур 1100-1300 К. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.21. №7. С.42-49. ROI: jbc-01/10-21-7-42; A.А. Lykasov and A.А. Kimyashov. Phase equilibrium conditions in the system Fe-Si-O in the temperature range 1100-1300 К. Butlerov Communications. 2010. Vol.21. No.7. P.42-49. ROI: jbc-02/10-21-7-42

Размещено на Allbest.ru