Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

4.1. Диаграмма состояния и термодинамика преобразования фаз

Процесс фильтрации расплава гартцинка от примеси железа при температуре 600–450 °С описывается изменением состава расплава в соответствии с диаграммой системы Zn–Fe–Al.

По диаграмме состояния системы Zn–Fe (рис. 24) известны при температуре ниже 530 °С стабильные фаза δ1 состава FeZn7 и фаза ξ состава FeZn10 [17; 18].

24.tif

Рис. 24. Диаграмма состояния системы Zn–Fe

При содержании железа менее 3 % и снижении температуры расплава в диапазоне 672–620 °С железо выделяется в виде фазы δ с переменным составом от FeZn9 (672 °С) до FeZn11 (649 °С) и затем в FeZn8 (620 °С). При охлаждении от температуры 620 до 530 °С происходит кристаллизация в фазу δ1 переменного состава FeZn8 и FeZn11. При охлаждении от температуры 530 до 420 °С происходит кристаллизация в фазу ξ состава FeZn7 с температурой плавления 530 °С.

В промышленных условиях реальный диапазон температур фильтрации 600–460 °С. Поэтому в расплаве в процессе достижения равновесия могут одновременно находится фазы от FeZn11 до FeZn7 в разных соотношениях.

Высокий выход цинка в отфильтрованные дроссы (показатель Zn/Fe) объясняется образованием кристаллов FeZn(7–10) различной крупности, покрытых пленкой жидкого цинка за счет высокой смачиваемости фаз.

В присутствии алюминия в гартцинке железо образует более тугоплавкую фазу Θ FeAl3 (1173 °С) и фазу η Fe2Al5 (1165 °С), в соответствии с диаграммой [17; 19] состояния системы Fe-Al (рис. 25), которые имеют низкую растворимость в Zn.

25.tif

Рис. 25. Изотермический разрез угла системы при 400 °С

Таблица 12

Фазы соединений железа в системе Fe–Al

Формула

Фаза

Tплавления

Alвес, %

Feвес, %

(Al/Fe)at

Fe3Al

α

1390

13,9

86,1

0,33

FeAl

β

1403

32,7

67,3

1,0

FeAl2

ζ

1158

49,3

50,7

2,0

Fe2Al5

η

1165

54,8

45,2

2,5

FeAl3

θ

1160

59,3

40,7

3,0

В суспензии расплава твердых кристаллов FeZnх в цинке в присутствии алюминия могут проходить реакции [20]:

2FeZn10 + 5Al = Fe2Al5 + 20Zn; (4.1)

FeZn10 + 3Al = FeAl3 + 10Zn; (4.2)

FeZn7 + 3Al = FeAl3 + 7Zn. (4.3)

Расчет термодинамических реакций с использованием термодинамических данных [21] в программе TERRA [22] показал, что предпочтительно идет реакция (4.1) при 500 °С при Al/Feat > 2,5. Реакция образования Fe2Al5 в 3 раза более предпочтительна, чем реакция (3) образования FeAl3. Одновременно проведен расчет констант устойчивости интерметаллических соединений между компонентами гартцинка. Константа устойчивости при 550 °С для Fe2AI5 в 2,0 раза выше, чем для FeZn10, и незначительно (в 0,93 раза) снижается при снижении температуры от 600 до 500 °С. Приведенные результаты предполагают, что в присутствии алюминия в расплавленном цинке железо кристаллизуется в виде Fe2AI5 заменяя FeZn10 по реакции (4.1) и тем самым снижается выход цинка в дроссы [23].

В промышленных условиях для реальной работы оборудования требуется температура ниже 650 °С. В этом диапазоне температур железо в гартцинке кристаллизуется в твердую фазу FeZn10. Высокий выход цинка в дроссы (показатель Zn/Fe) объясняется образованием кристаллов FeZn10 и выход их в отфильтрованные дроссы.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074