MnFeC系活度相互作用参数与温度的关系
V01.26April
No.22009
安徽工业大学学报
J.ofAnhuiUniversityofTechnology
第26卷第2期
2009年
4月
文章编号:1671—7872(2009)02—011㈣
Mn—Fe—C系活度相互作用参数与温度的关系
姚娜。陈二保
(安徽工业大学冶金与资源学院,安徽马鞍山243002)
摘要:实验测定了不同温度下,C在Mn—Fe熔体(xr.--O.0407--0.6930,Xro--0.033
6-0.761
7)中的溶解度。根据Bale和Pehon提出的
相互作用参数模型,利用文献报道的Mn—C系的热力学性质,使用测定的和文献报道的Mn—Fe熔体中c的溶解度值,以及文献报道的Mn—Fe—C熔体中Mn的活度系数值、MnO(s)和CO平衡Mn—Fe熔体的组成,通过热力学推导,实验数据处理和线性回归
分析,得到Mn—Fe—C系占cFc,s鳓。,6CCFe与温度r的关系式。
关键词:Mn—Fe—C系;活度相互作用参数;活度系数;温度
中图分类号:7IW01
文献标识码:A
RelationbetweenActivityInteractionParametersinMn-Fe-CSystemandTemperature
YAONa.CHENEr-bao
(SchoolofMetallurgy&Resources,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243002,China)
AbstractCarbonsolubilityinMn-Femelts(x№=O.0407—06930,xr,=0.0336-0.7617)wasmeasuredexperimentallyat
advanced
byBaleandPehon,utilizing
Mn-Fe
melts
varioustemperature.Accordingtotheunifiedinteractionparametermodelthermodynamic
properties
in
Mn-C
systemreportedinreferences,usingthecarbonsolubilityin
obtainedandreportedinliteratures,compositionsofMn-Fe-CmeltsequilibratingwithMn0
s)and
CO,bystrictly
thermodynamicderivation,dealingwith
a
lotof
experimentaldataandlinearregressionanalysis,therelationship
equationsbetween占cFb占am。so口陀andtemperatureinMn-Fe-Csystemwereobtained.
Keywords:Mn—Fe—Csystem;activityinteractionparameters;activitycoefficients;temperature
Mn基熔体中溶质组元之间活度相互作用系数的测定能够为钢水脱碳和控制钢中的碳含量提供热力学理论依据,同时,为炼钢过程中的合金化和高品质钢的生产操作提供热力学依据。实验测定了5个温度下,C在不同
质量比的Mn—Fe熔体中的饱和溶解度。通过严格的热力学推导与计算,获得Mn—Fe—C系中占钟叫∥强活度
相互作用参数与温度的关系式。结合文献[1】报道的‰0讨,占∞和占啦与温度的关系式,计算Mn-Fe—C系在整个浓
度范围内C的活度系数值。
1实验和结果
C溶解平衡实验在N:保护的MoSi:电阻炉内进行。用七孑L石墨坩埚盛放一定质量比的电解MnfMn>99.97%,质量分数)和纯Fe粉(Fe>99.97%,质量分数),每孑L金属总量为10g。双铂铑热电偶测温,标准双铂铑热电偶校温,高智能控温仪控温。实验温度为1350,1375,1425,1475,1525℃。根据预备实验,5h后,熔体中的C浓度不再随时间变化,本实验确定平衡时间为8h(自Mn,Fe完全熔化开始计时)。碳溶解平衡后,取出石墨坩
埚,下部置于水中淬冷。取出金属球后,用砂纸磨去表面层,酒精清洗干净后,粉碎制样,供分析熔体成份用。
不同温度的试验结果列于表1,表中为为组元j的摩尔分数。
收稿日期:2008—07—04
作者简介:姚娜(1979一),女,辽宁锦州人,硕士生。
第2期
No-・—-・-—-—・-.・—-—.-…..-—-—・--.-—一-.-・--—-—-—.-—.一
姚娜等:Mn—Fe—C系活度相互作用参数与温度的关系
表1
苎堡
“1
C在Mn-Fe熔体中的溶解度
1698K
~
1623K1648K1748K1798K
兰
l2
o.2695
苎坐o.693
兰生丝
兰!竺兰兰兰兰堡堡苎堡
OO.03760.07980.11030.14530.2176
O.27I50.68890.65520.6185
0.0396
0.27430.684l0.0416
0.2777
0.6887
兰堡0.033
竺兰堡苎!
6o.2824o.280
0.68070,03690.07l9
o.2656o.2544o_25l6o.2504o.2426
o.6546o.2708O.2672
0.074
lO.273
0.273
37
0.6544
0.072
20.27500.2746
o.6476
8l
0.07746
659
0.647
4
3
45
ot635
o.603
3l
0.11430.1472
0.61330.58820.52290.63530.4ll
l
o.1129
o.142l
0.6280.5850.5320.453
0.0967
o.”6
0.268
o.61850.58730.51840.45900.42590.37870.31780.2492o.1705o.12440.07l7o.0447
0.104
0.144
9
0.26270.590l0.2690.2600.254
6l7
0.26740.14762
o.53200.4683o.4227o.3847o.3130o.2376o.1595o.1227o-0824o.0427
0.25900.2534O.247Oo.2408
0.5208o.45600.41780.39730.33070.2394
0.220
0.290
26
o.217
o.1ll
0O
0.26l88
6
o.2054
o.26l
0.21970.28090.323
6
6
7
0.289l0.2560.250
66
0.28980.32990.35860.43230.53880.6180
0.260l0.25050.245
l
0.239O.236
l2
0.338l0.379l0.460lo.5405o.62860.670
0.3352
o.25330.37690.2993
0.33560.247lo.24l60.23l
30542
0.41920.3586o.4323
84
8
910
0.246
00.377l
0.39440.3762
o.4396o.514l0.604
9
0.2269O.228l32
0.24270.45800.326l0.2426
0.22l9
0.220
0.220
0.5403o.22570.54430.154Io.12320.08960.0432
0.23000.538O.2247
o.157
0.2360.224o.215
860
ll
121314
0.21190.166l0.61370.665l
0.22000.2134
O.6260.663o.705
0'755
ot206680.210lo.19880.197
0.12470.0906
0.2223
0.217
o.112l0.09l
8
O.6655
0.69090.7496
0.6606
O.7054o.7426
o.2024o.1956
0.7152O.76l
7
o.7107
o.2050
0.20l
3
0.21290.2127
60.0407
o.7617
6
0.2075
0.0429
2推导与计算
2.1
Mn—C系占:,p。C和p≯与7’的关系
文献【1】报道的Mn-C系yco,占。。和占cc。与温度的关系式分别为:
蛔o=0.32—2679/T(1628.1773
6CC=9.24-16060/T占ccc=一51.8+157800/T
K)
l23(1628-1773K)(1628-1773K)
用l吼o,占cc和8ccc计算的Mn—C熔体的ln7。的值,应该与用lnycop。C和pcC・。计算的Mn-C熔体的l吼的
值相等,即:
ln扎o㈨+占cc仅铲虿1尬2)+sccc‰2一j2砒3J-IHyoc(Mn)+占岗C即。CK2印cC・c施3
因此得到缸和民cc与占。c,pc。和pC。.。的转换式为:
≤:scc
9
(4)(5)(6)
氏c=占∞。一争气。
c,c
pc
2一{一占ccc
根据式(2).(6)得到Mn—C系占cC,p。C和pcC・。与温度的关系式:
c
,
、
8c=9.24—16060ITPcc=一56.42+165830/T
(1628-1773K)(1628—1773K)(1628—1773K)
(7)(8)(9)
2.2
p;6:34.53—105200IT
Mn—c系e:,《和7cc’c与丁的关系
文献[2】中推导出占罗,∥和分。与e?,秽和∥的转换式:
e:f)=意矿’降1).鲁+,)
秽=两知。((鲁)2.p!o-2‘鲁‘(鲁_1)。器(鲁.1)2)
∥=西知。((鲁)3.∥。-6.(鲁)2.(鲁-1)。p:。静百M1。(鲁-1)2‘占:。-2(鲁_1)3)
根据式(7)..(12)得到e。C,《和%C丘与r的关系式:
e:=o.1684—319.69/T(1628。1773
K)
l、3.2
112
安徽工业大学学报(自然科学版)
%C=一0.0640+174.01/T%C,C:0.0139-39.29/T
(1628—1773K)(1628~1773K)
2009焦(14)(15)
2.3
Mn—Fe—C系占醌。占嘶,占。帆与T的关系式
根据文献【3,4]中提出的合一相互作用参数模型(Unified
InteractionParamerer
Model)得到溶剂与溶质活
度系数的表达式,能在整个浓度范围内保持热力学一致性,并能满足吉布斯一杜赫姆关系式。对于Mn—Fe—C系,把Mn作为溶剂,c作为溶质,引用该模型,得到活度系数1№,^yc的表达式:
ln‰=-scc(一虿1菇。2)+F文哨岱Fe)+占胁(一丁1龟2)+占。cc(一丁2并3。)+s。文一厶≥h)+8心“一2xcx乏)坩胁盹(一丁2戈:)
lnl'c=lnyc+lnl/№悖耐c.憎口乒Fe+sccl晡c+占凹c(hc讯)+占酗∥Fe=l州c坩cc(z广÷&)坩a如Fc-xcxFe)+
(16)
占Rd一}最)坩缸《一T2石3。)帕呱(缸∥『弘≥Fe)+占耐赢一缸岱2h)+占邙醌(一下2石3n)
占胁&是Mn—Fe二元系的性质,Mn—Fe溶液是理想溶液。因此可以得到:
占FeFe_O占FeFeFe:O
(17)
式(16),(17)中,In7:(nn),s优和艿锻是Mn—c二元系的性质,它们与温度的关系分别为式(1)一(3);占胁和
(18)
(19)
式(16),(17)中,剩余的3个相互作用参数ECFe,8CFeF08CCFe与温度的关系式,必须通过不同温度时3套独立的Mn—Fe—C系的实验数据得到。3套独立的实验数据分别是Mn—Fe—C系C饱和时的实验数据,Mn—Fe—c系中
lny以‰的值,Mn—Fe—C系中ln7№的值。由式(16),(17)可得到:
(1n‘rc—lnYMn)一ln—r:fM。)--8C晡C'-80cG《=BCF2cFe+8∞o(2xcxFe)+占c扎F≯乏
n^/c---In—y&Mn)一占ccGc一。矿石c)一占oDc(年c一{一龙c)=
..o
.,
(20)
1
2、.,2
ZCF。(XFe--XcXFe)坩胁(一}讯)+占浏2形v。-2xcxFe)+占鳓boh一缸∥Fe)+SF娟eFe(一争zFe)
lIll旷艿oc(一丁I戈c2)嵋ccc(一下2算c3)=占文叫西Fe)+s胁(一丁1并2F。)+占c文一缸c2XFe)+8凹eFe(一缸凹n2)+占撇(一丁2讯3)设占∞占a吼和o。C凹e与温度的表达式分别为:占哦≈,+67T,。。CFeFe=C,+cz,/r,占。哦=e-∥丁,.式中:口:6:c:d:P
为常数。
(21)(22)7和厂
Mn—Fe—C系中lnl,c/7‰的值可通过如下方法,并引用文献【5]报道的28个实验数据获得。文献[6】报道,【cl№+MnO悯=[Mn】+CO圆反应的AGe=286800-170.2T(J・tool。)(石墨和液态Mn为活度的标准态)。由AGe=
一R71趟得到:lnK=aCe/(一RaO,计算出InK。根据反应式[C】时MnO国=[Mn]+CO憎可得平衡常数K的表达式为:
K=‰lpc0,螂州h印d(xcyd
两边取对数,整理得到:
l吖rl吖胪ln(1叫c)一l似c+l印旷l斌(23)
用式(23),(20)及前述的s∞sa哦,ECg重e与温度的关系式,通过计算和整理得到式(24)。
l叩旷l趟+l眦№一l吡c—lHyaM。)一s耐r占。嘣c=口勺川曲刀I+c‰慨FedTT+2ea;cxF,+2xcxEJ'TT(24)
令式(24)中,lnpco-lnK+l眦№一l眦c—lnl0渊n)一s耐c一占。够:可∥Fe≈b龙reO"=X2,菇乏≈刍石Fe2厅;瓴,2x群Fe≈5和
2xcxr/T=x60
C饱和时,用本实验的70个数据并结合文献【5,7]报道的103个实验数据,获得y,x。加∥,旭≯,和戈。的值。
将In%=-lnx。及前述的s国s口始占慨与温度的关系式代人式(21)中,整理得到:・
一ln名。一lnl0。(Mn)一占。c(茁。一.:1广龙:)一占。∞o乏一事菇。3)=
。酝h.7%菇h)+6杈,。—戈。石h)/71+c12菇。筇h一2并:石Fe)+d12石。鬈h一2菇:菇Fe),?、e弘:一2XcX:)1:,k乏一2XcXh2),丁
(25)
令式(25)中,一l眦。一lrry:㈨一占cco。一了1茗2c)一占cocG:一手菇:)::”石R川。石Pe≈。,Gh吖c菇Fe)/T=x刍缸口h一缸。2菇h≈,,
第2期姚娜等:Mn—Fe—c系活度相互作用参数与温度的关系
113
(h岱Fe一2‰2茗Fe)/强‰磊一h。茗:≈5,02h一2%讯2),z砀6。
文献【8,9]报道了90个Mn—Fe—C熔体中的Iny‰的值。将前述的8∞占删b占强与温度的关系式代入式
(22)dp,整理得到:
一lny‰-ecc(一丁I
zc2)一8ccc(一下2托3)=口,(.%讯)+b"(-xc砘)/ncl一氖2。菇Fe)“1一缸c2石Fe)/ne弋一弘。‰2)t“一致cz2e)厅
(26)
令(26)中lnyM.-eoc(一丁1戈:)wccc(一手并。3)嘞略C"茁Fe甜b-xcxFJT=x2,一厶。2石凫≈知一缸:菇hIT=x舢一h。龙乏,丁≈,,
一氖,石:./7‰60
用这291个y值对291组两≯∥3加尚和粕的值进行六元线性回归,得到具有很高线性相关系数俨=
0.982)的Mn—Fe—C系8CFe,80FeFeiSCOFe与温度的关系式:
8CFe=一2.38+8405∥
so嘶=4.17-7813/T占醌Pc-一5.24+9682/T
表2Mn—Fe-c系C的活度系数本方法与传统方法的
计算结果比较
(1573-1920K)(1573-1920K)(1573-1920K)
(27)(28)(29)
2.4计算与比较
文献[9】报道了Mn—Fe—C系Mn的活度系数,及相应的熔体组成49组,随意列出10组熔体组成,见表2。
文献[7】中用传统方法导出Mn-Fe-C系的hry:Mnl,
蠢,占:与温度的关系式,计算得到熔体中C的活度系
数y。,用文中获得的热力学数据计算同一熔体中C的
活度系数讹,见表2。
3结论
(1)1628—1773K范围,Mn—C
C
系占:,p。C,p。C,C,e:,%C,托Cc与温度的关系式为:
pcC=一56.42+165830/T
pcC.C:34.53—105200IT
占c=9.24-16060IT
C
ec=0.1684-319.69/T
《一0.064
0+174.01/T
带=0.0139—39.29/T
8cFen=-5.24+9682/T
(2)1573-1920
K范围,Mn—Fe—C系民Fe,气胁,‰与温度的关系式:
o。CCFe=4.17-7813/T
6"cFe=一2.38+8405/T
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(责任编辑:何莉)