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

Поступила в редакцию УДК 669.01:541.123.3

Тематическое направление: диаграмма состояния системы Fe – Si – O.

Изотермическое сечение диаграммы

– состав – температура системы Fe – Si – O при температуре 1373 К.

1* и 2+ 1.2Кафедра химической технологии и вычислительной химии. Челябинский государственный университет.

Бр. Кашириных, 129. г. Челябинск, 454001. Россия.

Тел.: [phone]. E-mail^ *****@***ru

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

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 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 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 значениям 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.

Введение

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 рисунках 1 – 2

Рис.1 Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1.1: ● – с=0.02;○ – с=0.04;

▼ – 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

Рис. 3. Зависимость ЭДС элемента (1) от температуры для образцов со степенью окисленности у = 1,3: ● – с=0,02;

○ – с=0,06;▼ 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; ▼ – 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;▼ – с=0,43; ◊ ‑ с=0,48

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.

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.

Рис. 6. Зависимость ЭДС элемента (1) от состава образцов при Т = 1373 К: ● – у=1,1; ▼ – 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

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

Условия фазовых равновесий в системе Fe – Si – O в интервале температур 1100 – 1300 К./ , // Бутлеровские сообщения. – 2010. Т.21. №7. С.42-49

The isothermal section of diagram composition –  – temperature of the system Fe-Si-O at the temperature 1373 K

Alexander А. Kimyashov,1+ Alexander V. Syromolotov2+

1,.2 Chemical Technology and Computing Chemistry Division. Chelyabinsk State University. Br. Kashirinyh St., 129. Chelyabinsk, 454001. Russia. Phone: [phone]. E-mail: *****@***ru

Keywords: phase equilibriums, state diagram, ternary system of iron – hematite – silica

Abstract

State diagram of composition – temperature – properties is the detailed description existence of substances. It allow you to determine how to synthesize the compounds of a given composition, to judge what transformations are possible in the system in certain conditions, what is the composition of the products at each stage of transformation and what properties these products has.

The iron silicate Fe2SiO4 – fayalite – is not often a naturally occurring mineral, but a component of a number of manmade products, such as slag smelting of sulphide copper concentrates. In the process of dressing of polymetallic copper and zinc ores in the blade takes the intermediate product, which is based on the mineral fayalite. The possibility of processing such raw materials are determine by the properties of its constituent compounds. It is important to know not only their chemical and mineralogical composition and behavior in terms of pyro - or hydrometallurgical processing. As a basis raw material is fayalite and possible it solutions, the interesting properties of this substance.

In this work, using the EMF method, were investigated phase equilibrium in the system of Fe–Fe2O3–SiO2 at the temperature 1373 К. The EMF was measured in a cell with a solid oxygen conducting electrolyte:

– Pt, Fe, FeO │ ZrO2+ Y2O3│ Fe1-cSicOy, Pt +

with investigated samples, the gross composition of which is expressed by the formula Fe1-cSicOy. Standard electrode was equilibrium mixture iron and wustite. The pressure of oxygen was calculated from Nernst`s equation. Given the temperature dependence of the EMF of these elements.

The isothermal section was plotted at temperature 1373 K, by extrapolation of experimental data.

References

A. A. Lykasov, A. A. Kimyashov. Conditions of phase equilibria in the system Fe – Si – O in the temperature range of 1100 – 1300 K. Butlerov Communications. 2010. Vol.21. No.7. P.42-49. (russian)

, Изотермическое сечение диаграммы – состав – температура системы Fe – Si – O при температуре 1373 К. Ключевые слова: фазовые равновесия, диаграмма состояния, трехкомпонентная система железо – гематит – кремнезем. Тип публикации: полная исследовательская публикация. Регистрационный код:   Страницы: