CN112562792A - 一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，具体为：计算铅液中的饱和氧浓度与温度的函数关系CO,S(Pb)；将计算结果带入,得出溶解在铅液中的氧的部分吉布斯自由能的函数公式；根据所求得的公式绘制液态铅中的氧的部分吉布斯自由能在任意氧浓度下与温度的函数曲线；最后将所绘曲线与传统埃林汉姆图相结合，根据吉布斯自由能判据计算常用金属在液态铅中稳定存在而不溶于液态铅所需的氧浓度范围。本发明所述方法计算简单，应用方便，且可以将其对温度的曲线图与埃林汉姆图进行结合，以此判断常用金属在液态铅中稳定存在而不会溶解于液态铅时所需的氧浓度。
Description
技术领域
本发明属于材料腐蚀试验设计领域，特别提供一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法。
背景技术
随着以液态铅作为冷却剂或靶的加速器驱动亚临界反应堆系统的提出，开展了大量有关液态铅合金与钢的相容性的实验。由于钢会溶解在铅液中，因此使得其在铅液中稳定存在显得尤为重要。当前，防止钢被液态铅合金溶解的主要方法是在金属表面形成一层保护性氧化膜。氧化层可以阻止钢中的阳离子扩散到液态铅中，从而对其起到了保护作用。但在这一过程中控制液态铅中氧的浓度尤为重要，若氧浓度太高，会导致PbO的析出；太低则无法形成保护性氧化膜。又因为形成氧化膜所需的氧浓度会随温度而变化，因此，了解氧浓度与温度之间的关系十分重要。
然而目前的研究主要是针对于液态铅合金与钢的互溶性，而没有充分考虑到使其它金属在液态铅合金中稳定存在的控制方法。此外，目前仅有部分氧浓度下的吉布斯自由能曲线被绘制，而且没有得出可以直接用于计算的函数关系。
因此，针对这些问题，提出任意金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法。通过此方法可以求出计算液态铅中氧的吉布斯自由能的具体公式，可以利用其计算任意氧浓度下的氧的吉布斯自由能。若将其与传统埃林汉姆图相结合，则可以利用此图进一步判断任意金属在液态铅中稳定存在所需的氧浓度，这在实际应用中非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，此方法计算简单，应用方便，且可以将其对温度的曲线图与埃林汉姆图进行结合，以此判断其它金属在液态铅中稳定存在而不会溶解于液态铅时所需的氧浓度。
本发明技术方案如下：
一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)计算铅液中的饱和氧浓度CO,S(Pb)，其与温度T的函数关系如式 (1)所示：
代入T值即可求出任意温度下液态铅中的饱和氧浓度，其随温度不同而变化。公式(1)是利用Risold等人的实验数据所做出的拟合公式，公式右侧标记的温度范围即代表了实验数据的范围。
2)计算溶解在铅液中的氧的部分吉布斯自由能，其函数关系如式(2) 所示：
式(2)左侧即为液态铅中氧的吉布斯自由能。右侧Co(Pb)代表液态铅中溶解氧的实际浓度，Co,s(Pb)为一定浓度下溶解氧的饱和值，其值随温度改变而改变，计算方法如步骤1)；右侧第二项ΔGo2(Pb/PbO)代表在Pb/PbO 二相体系中，PbO析出前临界点时氧的部分吉布斯自由能。ΔGo2(Pb/PbO) 为与温度T成线性关系的正比例函数，可以从实测数据中简单求出，也可以近似用PbO的形成吉布斯自由能来描述。Co(Pb)为液态铅中溶解氧的实际浓度，计算之前需要提前给定其数值，为实现极低氧浓度下液态铅中氧的吉布斯自由能的计算，本发明设定氧浓度分别为 10-4,10-6,10-8,10-10,10-14,10-20,10-26和10-30，具体数值可根据需要以及传统埃林汉姆图设定。在低温下，利用公式(2)所得计算值与实验结果相差较大，需要进一步验证，因此目前设定温度T区间为263K～1323K。将Co(Pb)代入公式(2)化解即可得到液态铅中溶解氧的吉布斯自由能与温度的函数关系。
3)根据上述公式绘制液态铅中的氧的部分吉布斯自由能ΔGo2(Pb[O]) 在任意氧浓度下与温度T的函数曲线。
4)将步骤3)所绘曲线其与传统埃林汉姆图相结合，利用已绘制的图像判定任意金属在液态铅中稳定存在而不溶于液态铅所需的氧浓度范围。
本发明所述方法只适用于特定种类的金属，要求其对应氧化物的生成吉布斯自由能小于PbO的生成吉布斯自由能。
本发明所述方法的优势是计算简单，应用广泛，且可以得出能够计算任意氧浓度下液态铅中氧的吉布斯自由能的数学表达式。此外，将不同氧浓度下液态铅中氧的吉布斯自由能对温度T作图，并将其与传统埃林汉姆图相结合，可以以此判断金属在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围，这对于实际应用具有重要意义。
附图说明
图1：埃林汉姆-理查德森图。
图2 ：Fe在液态铅中稳定存在的氧浓度范围示意图。
图3 ：Cr在液态铅中稳定存在的氧浓度范围示意图。
具体实施方式
下面以几种常用金属为例对本发明进行详细的说明。
实施例1
计算Fe在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围：
(1)计算铅液中的饱和氧浓度CO，S(Pb)，其与温度T的函数关系如下式所示：
(2)计算溶解在铅液中的氧的部分吉布斯自由能，其函数关系如式(2) 所示：
依次设定CO(Pb)为10-4，10-6，10-8，10-10，10-14，10-20，10-26和10-30。通过文献查找不同温度下在Pb/PbO双相体系中，PbO析出前临界点时氧的部分吉布斯自由能ΔGo2(Pb/PbO)的值，求出其函数表达式如下所示，也可以用PbO 的形成吉布斯自由能来描述：
ΔGO2(Pb/PbO)＝207T-441072 (3)
将公式(1)(3)代入公式(2)中，并整理可得：
ΔGo2[Pb(O)]＝2R{T[ln Co(Pb)-3.772]+8056.9}+207T-441072 (4)
公式(4)即为计算任意氧浓度下液态铅中氧的吉布斯自由能的数学表达式。依次设定CO(Pb)为10-4,10-6,10-8,10-10,10-14,10-20,10-26和10-30，分别带入不同的温度T值，求出其氧的吉布斯自由能ΔGo2(Pb/PbO)的值，如表1 所示。
(3)将ΔGo2(Pb/PbO)对温度T值作图，并与传统埃林汉姆图相结合，如图1所示。图1左侧纵坐标即为用氧分压表示的吉布斯自由能，横坐标为温度T。
(4)利用图1判断常用金属是否可以在液态铅中稳定存在及若稳定存在所需氧浓度范围。防止金属被液态铅合金溶解的主要方法是在金属表面形成一层保护性氧化膜。氧化膜可以阻止钢中的阳离子扩散到液态铅中，从而对其起到了保护作用。但在这一过程中，对氧浓度的控制要求极高，整体而言，气相中的氧分压必须高于形成保护性氧化膜所需的氧分压，但又低于形成PbO所需的氧分压。以钢为例，其稳定存在的区域为PbO和 Fe3O4之间。
通常，也可以使用C0/T图来确定其它金属在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围。以Fe为例，其在液态铅中稳定存在的吉布斯自由能判据用公式可表述如下：
2ΔfG(PbO)＞RT ln pO2＞0.5ΔfG(Fe3O4) (5)
其它金属与此相同，只需将Fe3O4的生成吉布斯自由能改为对应金属的氧化物的即可。金属在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围如图2所示，其上限为根据式(5)左侧计算出的氧在铅中的极限溶解度Co,s，即式(6)。其下限为联立式(5)右侧与式(4)计算出的氧浓度曲线，ΔfG(Fe3O4)可以通过图1计算得出，结果如式(7)所示。
实施例2
计算Cr在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围：
前三个步骤与实施例1中完全相同，此处不再重复叙述。
(4)Cr在液态铅中稳定存在的吉布斯自由能判据设置如下：
2ΔfG(PbO)＞RT lnpO2＞0.5ΔfG(Cr2O3) (8)
与实施例1方法相同，Cr在液态铅中稳定存在所需的氧浓度范围如图3 所示。其上限仍为式(6)，其下限为联立式(8)右侧与式(4)计算出的氧浓度曲线，结果如式(9)所示。
表1.任意氧浓度下液态铅中氧的吉布斯自由能的值(用于绘制吉布斯自由能对温度T的图像，由于已知图像为直线，因此只计算俩点)
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算铅液中的饱和氧浓度CO,S(Pb)，其与温度T的函数关系如式(1)所示：
2)计算溶解在铅液中的氧的部分吉布斯自由能，其函数关系如式(2)所示：
式中CO(Pb)代表铅液中溶解氧的实际浓度；ΔGo2(Pb/PbO)代表在Pb/PbO二相体系中，PbO析出前临界点时氧的部分吉布斯自由能；R为摩尔气体常数，其值为8.314J/(mol*K)；
3)根据上述公式绘制液态铅中的氧的部分吉布斯自由能ΔGo2(Pb[O])在任意氧浓度下与温度T的函数曲线；
4)将步骤3)中所绘曲线与传统埃林汉姆图相结合，根据吉布斯自由能判据计算金属在液态铅中稳定存在而不溶于液态铅所需的氧浓度范围。
2.按照权利要求1所述金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，其特征在于：步骤2)中，设定CO(Pb)分别为10-4，10-6,10-8,10-10,10-14,10-20,10-26,10-30。
3.按照权利要求1所述金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，其特征在于：步骤2)中，ΔGo2(Pb/PbO)为与温度T成正比例关系的函数，通过已有实验数据求出，或使用PbO的形成吉布斯自由能来表示。
4.按照权利要求1所述金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法，其特征在于：所述金属对应氧化物的生成吉布斯自由能小于PbO的生成吉布斯自由能。
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Citations (3)
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| CN105739552A (zh) * | 2016-02-03 | 2016-07-06 | 华北电力大学 | 用于液态铅或液态铅铋合金回路系统的氧控装置及其方法 |
| CN109161696A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-01-08 | 重庆钢铁(集团)有限责任公司 | 一种电渣重熔渣系及用于电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003307589A (ja) * | 2002-04-15 | 2003-10-31 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 液体金属中の溶解酸素濃度制御方法 |
| CN105739552A (zh) * | 2016-02-03 | 2016-07-06 | 华北电力大学 | 用于液态铅或液态铅铋合金回路系统的氧控装置及其方法 |
| CN109161696A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-01-08 | 重庆钢铁(集团)有限责任公司 | 一种电渣重熔渣系及用于电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 甘贵生;杜长华;陈方;王卫生;: "液态锡焊料常见元素氧化的热力学分析", 重庆工学院学报, no. 08, pages 60 - 62 * |
| 赵云淦: "铅铋合金的固态氧控研究", 《中国优秀博士论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 2020, pages 3 - 10 * |
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