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。
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;