Modeling method of phase equilibrium in metal-slag system

Método de modelización del equilibrio de fases en el sistema metal-escoria

En este trabajo se demuestra un nuevo método de modelización de los complejos procesos heterogéneos entre un metal y la escoria basado en un patrón de formación de los campos de cristalización de las fases. Se proporcionó la justificación teórica para el uso de los coeficientes osmóticos de Bjerrum-Guggenheim con las reacciones de reducción de elementos de los fundidos de óxido líquido en metal. Como ejemplo, se presentó el procedimiento de equilibrio de un fundido Fe-Si saturado de carbono con escoria líquida CaO-SiO₂-Al₂O₃ y se proporcionó un modelo matemático del complejo equilibrio de fases en un sistema metal-escoria.

INTRODUCCIÓN

En la fusión del hierro fundido y las ferroaleaciones, la distribución de elementos entre el metal y la escoria se realiza de forma significativa en la interfase de fases, y el grado de su transición al metal viene determinado principalmente por la temperatura del proceso y las propiedades termodinámicas de los componentes [1-4].

FORMAS DE ESTUDIO

Se estudia la reacción de reducción del silicio de la escoria a un metal saturado de carbono, que se realiza significativamente en la interfaz entre estas dos fases:

​$(Si{O}_2{)}_{slag}+2(C{)}_{Me}=(Si{)}_{Me}+(CO{)}_{gas}$ (1)

La constante de equilibrio К_р viene definida por un cociente:

​$K_p=\frac{{\alpha }_{(}Si)\cdot p_{CO}^2}{{\alpha }_{(}Si{o}_2)\cdot {\alpha }_{(C)satur.}^2}=\exp (-\frac{△G_T^0}{RT})$,   (2)

donde a_(Si), a_(SiO2), - actividades de los componentes en el metal y la escoria; $p_{CO}^2$​- la presión parcial de óxido de carbono a la temperatura de equilibrio (T); ${\alpha }_{(C)satur}^2$​ - una actividad de carbono en el metal líquido; Т - la temperatura de equilibrio; R - una constante absoluta de gas;

$\Delta G_T^0$​ - el cambio en la energía de Gibbs de la reacción de reducción de la escoria líquida por el carbono disuelto en un metal.

Por analogía con el equilibrio de fase monovariante "sólido-líquido", la transición de equilibrio del silicio en la interfase metal-escoria puede estudiarse con el coeficiente osmótico de Bjerrum-Guggenheim de la reacción de reducción de un elemento [5], que vincula la constante de equilibrio termodinámico K_p a una composición de las fases de equilibrio (es decir, la constante de reacción aparente K_c) mediante una fórmula:

​${\Phi }_{Si}\cdot 1n\frac{x_{(Si)}\cdot p_{CO}^2}{x_{(Si{O}_2)}\cdot X_{(C)satur}^2}={\Phi }_{Si}\cdot 1n{K}_C=1n{K}_p,$  (3)

donde ФSi - un coeficiente osmótico de Bjerrum-Guggenheim para la reacción de reducción del silicio; $x^2 _{(C)satur}$​ - una concentración de carbono en el metal líquido; x(Si), x(SiO₂) - las concentraciones de silicio en el metal y de óxido de silicio en la escoria en las fases de equilibrio en las unidades molares; K_p - una constante de equilibrio de reacción (1); K_C - una constante de reacción aparente (1).