本發(fā)明屬于稀土微合金化合金制備，具體涉及一種精確計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法。

背景技術(shù)：

1、稀土元素（y，sc，鑭系）作為一種超活性元素受到了特別的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用，特別是稀土y、ce、la在合金中的加入可明顯提升材料的抗高溫氧化性和耐腐蝕性能，被作為合金中的“維他命”廣泛應(yīng)用于各類合金，是有望突破新一代高溫合金綜合性能的重要元素。稀土元素除了能顯著提升材料的抗高溫氧化和腐蝕性能外，在增強(qiáng)材料力學(xué)性能方面也取得了重大突破，如y在高強(qiáng)軸承鋼、鑄造不銹鋼、鎂/鋁合金以及高溫合金等合金的研究中均可顯著提升其蠕變性能，由此可見稀土元素在合金中具有無可取代的重要作用。

2、然而，盡管稀土在各類合金中的應(yīng)用非常廣泛，但對稀土合金的研究仍存在諸多問題，其中最普遍且最根本的難題是稀土在合金熔煉制備中的燒損問題。燒損問題出現(xiàn)在合金熔煉制備第一步，稀土含量無法精確控制導(dǎo)致難以清楚的揭示稀土對合金的作用機(jī)制，對揭示稀土對合金的組織及性能的影響造成更大的困擾和難題。相關(guān)人員在釔和硫?qū)︽嚮鶈尉Ц邷睾辖鹬锌寡趸阅艿挠绊懼袑的損耗進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)稀土y的收得率僅僅達(dá)到了添加量的10%；在鑄造單晶高溫合金中稀土的損耗和分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)稀土的蒸發(fā)損耗是稀土損耗的主要因素。

3、已有技術(shù)雖然公開了減少稀土損耗并提高稀土收得率的方法，但均無法定量計(jì)算稀土的蒸發(fā)損耗，即不能定量建立添加量與保留量的對應(yīng)關(guān)系，因此難以精確控制和補(bǔ)償稀土，從而難以制備出稀土可控的高性能的合金。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明提供一種計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，目的是能夠定量計(jì)算合金冶煉過程中的蒸發(fā)損耗，建立稀土添加量和損耗之間的關(guān)系。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，包括以下步驟：

3、步驟1）計(jì)算合金冶煉過程中合金熔液與冶煉設(shè)備內(nèi)氣體接觸的表面積 s；

4、步驟2）計(jì)算第i個(gè)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素j的揮發(fā)速率 vj；

5、步驟3）根據(jù)合金熔液與冶煉設(shè)備內(nèi)氣體接觸的表面積 s及稀土元素的揮發(fā)速率 vj，計(jì)算第i個(gè)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素的損耗量d mi，計(jì)算公式為：

6、d mi= vj· s·d t；

7、步驟4）根據(jù)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素的損耗量d mi，計(jì)算冶煉時(shí)間t內(nèi)稀土元素的損耗量 m，計(jì)算公式為：

8、。

9、進(jìn)一步的，在所述步驟2）中，所述稀土元素的揮發(fā)速率 vj的計(jì)算公式為：

10、；

11、式中， αj為稀土元素j在合金熔液中的活度； pj0為純稀土溶液的飽和蒸汽壓，單位為pa； mj為稀土元素j的摩爾質(zhì)量，單位為g/mol；r為氣體常數(shù)；t為冶煉過程中合金熔液的保溫溫度，單位為k。

12、進(jìn)一步的，所述稀土元素j在合金熔液在合金熔液中的活度 αj的計(jì)算公式為：

13、 αj= γj· χj；

14、式中，γj為稀土元素j在合金熔液中活度系數(shù)；χj為稀土元素j的摩爾分?jǐn)?shù)。

15、進(jìn)一步的，所述稀土元素j在合金熔液中活度系數(shù) γj的計(jì)算公式為：

16、；

17、式中，為過剩偏摩爾自由能，單位為kj/mol；所述 γj為1。

18、進(jìn)一步的，引入修正系數(shù)k對χj進(jìn)行修正，修正系數(shù)k的計(jì)算公式為：

19、；

20、式中， nlayer為合金熔液的表面超量層的物質(zhì)的量，單位為mol； ninter為合金熔液內(nèi)部的物質(zhì)的量，單位為mol；為合金熔液的表面超量層的體積；為合金熔液內(nèi)部的體積。

21、進(jìn)一步的，所述合金熔液的表面超量層的物質(zhì)的量 nlayer的計(jì)算公式為：

22、；

23、式中，d為超量層的厚度，單位為；

24、為稀土元素j的表面超量，單位mol/cm2，的計(jì)算公式為：

25、；

26、其中，為合金熔液的表面張力，單位為mn/m；a為稀土合金溶液中的濃度，單位為mol/l。

27、進(jìn)一步的，所述合金熔液內(nèi)部的物質(zhì)的量 ninter的計(jì)算公式為：

28、 ninter= mj/ mj；

29、式中， mj為合金中稀土元素j的設(shè)定添加量，單位為g。

30、另一方面，本發(fā)明還提供一種稀土合金的冶煉方法對合金原料進(jìn)行冶煉，合金原料中稀土元素的加入量為稀土合金中稀土元素的設(shè)定添加量與稀土元素在冶煉過程中的蒸發(fā)損耗量之和；

31、所述稀土元素在冶煉過程中的蒸發(fā)損耗量采用上述任一項(xiàng)所述的計(jì)算方法得到。

32、本發(fā)明提供的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法具有如下有益效果：

33、1.本發(fā)明通過引用元素蒸發(fā)以及熔體質(zhì)量控制理論的langmuir動(dòng)力學(xué)計(jì)算法則，考慮稀土元素的揮發(fā)隨時(shí)間變化，定量計(jì)算稀土元素在高溫冶煉合金過程中的蒸發(fā)損耗量，反映出稀土元素濃度隨冶煉時(shí)間的變化關(guān)系，從而可以精準(zhǔn)控制和補(bǔ)償合金中的稀土含量，指導(dǎo)制備出稀土含量可控的稀土合金，還可以實(shí)現(xiàn)大幅度提升稀土的使用效率，降低稀土的原材料消耗，實(shí)現(xiàn)工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。

34、2.本發(fā)明在計(jì)算稀土元素的損耗量時(shí)，基于稀土元素的表面吸附的特殊物理特性，對稀土元素摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正，通過修正確保稀土損耗的計(jì)算更精確，以便制備出稀土含量更精確的合金。

技術(shù)特征：

1.一種計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，在所述步驟2）中，所述稀土元素的揮發(fā)速率vj的計(jì)算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，所述稀土元素j在合金熔液在合金熔液中的活度αj的計(jì)算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，所述稀土元素j在合金熔液中活度系數(shù)γj的計(jì)算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，引入修正系數(shù)k對χj進(jìn)行修正，修正系數(shù)k的計(jì)算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，所述合金熔液的表面超量層的物質(zhì)的量nlayer的計(jì)算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，其特征在于，所述合金熔液內(nèi)部的物質(zhì)的量ninter的計(jì)算公式為：

8.一種稀土合金的冶煉方法，其特征在于，對合金原料進(jìn)行冶煉，合金原料中的稀土元素的加入量為稀土合金中稀土元素的設(shè)定添加量與稀土元素在冶煉過程中的蒸發(fā)損耗量之和；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種計(jì)算合金冶煉過程中稀土元素蒸發(fā)損耗量的方法，涉及稀土微合金化合金制備技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：步驟1）計(jì)算合金冶煉過程中合金熔液與冶煉設(shè)備內(nèi)氣體接觸的表面積S；步驟2）計(jì)算第i個(gè)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素j的揮發(fā)速率V<subgt;j</subgt;；步驟3）根據(jù)合金熔液與冶煉設(shè)備內(nèi)氣體接觸的表面積S及稀土元素的揮發(fā)速率V<subgt;j</subgt;，計(jì)算第i個(gè)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素的損耗量dm<subgt;i</subgt;：步驟4）根據(jù)時(shí)間微元dt內(nèi)稀土元素的損耗量dm<subgt;i</subgt;，計(jì)算冶煉時(shí)間t內(nèi)稀土元素的損耗量Δm。本發(fā)明通過引用元素蒸發(fā)以及熔體質(zhì)量控制理論的Langmuir動(dòng)力學(xué)計(jì)算法則，考慮稀土元素的揮發(fā)隨時(shí)間變化，定量計(jì)算稀土元素在高溫冶煉合金過程中的蒸發(fā)損耗量。

技術(shù)研發(fā)人員：李金國,王楠,劉紀(jì)德,徐偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院金屬研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/26