Modeling of Temperature-Concentration Ranges of Phase Stability and Liquidus Surface in the Ternary Fe–P–C System and Phase Composition Experimental Study
Loading...
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Ukrainian State University of Chemical Technology, Dnipro
Abstract
ENG: This paper reports thermodynamic properties and phase equilibria in the iron-phosphorus-carbon system for developing a technology for smelting ferrophosphorus as well as for utilizing them in the processes of phosphorus-alloying of metals. According to the results of thermodynamic calculations, we plotted a ternary Fe–P–C phase equilibrium diagram (liquidus surface) in the form of graphical dependences, which indicate the concentration fields of phase coexistence. The results of simulation allowed finding out five nonvariant points, three of which are new: E1eutectic (teutectic=12170 °C), U1 peritectic (tperitectic=1095 °C), and E3 eutectic (teutectic=3380 °C). The experimental studies of the phase composition of ferrophosphorus showed that the phosphorus microstructure is represented by Fe3P phosphide, Fe3C carbide, and carbophosphide eutectic. We carried out the thermodynamic calculation of the temperature-concentration ranges of phase stability in the Fe–P–C system that are at equilibrium with the smelts of both the carbon solid solutions and phosphorus ones in α- and γ-iron, FeP, Fe2P, Fe3P phosphides, and graphite. In this study, three previously unknown nonvariant equilibria have been determined: a eutectic equilibrium at 1216.58 °C; a peritectic one with a transformation point at 1095.19 °C; and a eutectic one at a temperature of 337.51 °C. In experiments, we obtained an equilibrium concentration of carbon which decreases in the Fe–P–C system when the content of phosphorus increases. The research findings largely reveal special features of preparation of ferrophosphorus by carbon reduction of phosphorites.
UKR: У роботі досліджено термодинамічні властивості та фазові рівноваги в системі залізо-фосфор-вуглець для розробки технології виплавки ферофосфору, а також для їх використання в процесах фосфорного легування металів. За результатами термодинамічних розрахунків розраховано діаграму потрійної фазової рівноваги Fe–P–C (поверхня ліквідусу) у вигляді графічних залежностей, що вказують концентраційні поля співіснування фаз. Результати моделювання дозволили виявити п’ять неваріантних точок, три з яких є новими: евтектика Е1 (tевтектика=1217 °C) перитектика U1 (tперитектика =1095 °C) і евтектика Е3 (tевтектика =338 °C). Експериментальні дослідження фазового складу ферофосфору показали, що мікроструктура фосфору надана фосфідом Fe3P, карбідом Fe3С і евтектикою карбофосфіду. Термодинамічне моделювання температурно-концентраційних діапазонів фазової стабільності проведено для системи Fe P C, в якій знаходяться в рівновазі з розплавами як вуглецеві тверді розчини, так і фосфорні в α- і γ-залізі, фосфідах FeP, Fe2P, Fe3P та графіті. У цьому дослідженні було визначено три раніше невідомі неваріантні рівноваги: евтектична рівновага при 1216,58 °C; перитектичний з температурою перетворення 1095,19 °C; і евтектичний при температурі 337,51 °C. У експериментах було одержано рівноважну концентрацію вуглецю, яка зменшується в системі Fe P C зі збільшенням вмісту фосфору. Результати досліджень значною мірою розкривають особливості одержання ферофосфору вуглецевим відновленням фосфоритів.
UKR: У роботі досліджено термодинамічні властивості та фазові рівноваги в системі залізо-фосфор-вуглець для розробки технології виплавки ферофосфору, а також для їх використання в процесах фосфорного легування металів. За результатами термодинамічних розрахунків розраховано діаграму потрійної фазової рівноваги Fe–P–C (поверхня ліквідусу) у вигляді графічних залежностей, що вказують концентраційні поля співіснування фаз. Результати моделювання дозволили виявити п’ять неваріантних точок, три з яких є новими: евтектика Е1 (tевтектика=1217 °C) перитектика U1 (tперитектика =1095 °C) і евтектика Е3 (tевтектика =338 °C). Експериментальні дослідження фазового складу ферофосфору показали, що мікроструктура фосфору надана фосфідом Fe3P, карбідом Fe3С і евтектикою карбофосфіду. Термодинамічне моделювання температурно-концентраційних діапазонів фазової стабільності проведено для системи Fe P C, в якій знаходяться в рівновазі з розплавами як вуглецеві тверді розчини, так і фосфорні в α- і γ-залізі, фосфідах FeP, Fe2P, Fe3P та графіті. У цьому дослідженні було визначено три раніше невідомі неваріантні рівноваги: евтектична рівновага при 1216,58 °C; перитектичний з температурою перетворення 1095,19 °C; і евтектичний при температурі 337,51 °C. У експериментах було одержано рівноважну концентрацію вуглецю, яка зменшується в системі Fe P C зі збільшенням вмісту фосфору. Результати досліджень значною мірою розкривають особливості одержання ферофосфору вуглецевим відновленням фосфоритів.
Description
Yu. Proidak: ORCID 0000-0001-7380-055X; O. Bezshkurenko: ORCID 0000-0002-3204-3780
Keywords
ferrophosphorus, thermodynamic analysis, phosphide, carbide, carbophosphide eutectic, phase composition, phosphorite, ферофосфор, термодинамічний аналіз, карбід, карбофосфідна евтектика, фазовий склад, фосфорид, КЕМ, КТОМП
Citation
Proidak A., Hasyk M., Proidak Yu., Bezshkurenko O. Modeling of Temperature-Concentration Ranges of Phase Stability and Liquidus Surface in the Ternary Fe–P–C System and Phase Composition Experimental Study. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. 2023. No. 6. P. 167–176. DOI: 10.32434/0321-4095-2023-151-6-167-176.