Аbout the structure of a multicomponent system CaO-Fe2O3-Al2O3 -SiO2
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-298-12-72-78Keywords:
multicomponent system, coupled reaction, Gibbs free energy, elementary tetrahedra, topological graph of elementary tetrahedra interrelationships, temperature and eutectic compositionAbstract
High-temperature refractory materials for metallurgy, energy and other industries are being developed based on compounds of the CaO-Fe2O3-Al2O3-SiO2 oxide system. Since such materials are used at high operating temperatures, there is interest in studying the reactions in this system at operating temperatures up to 1500 °C. This oxide system also includes aluminosilicate fibre-basalt fibre compositions, which, due to their high thermal insulation properties, are promising for use in ferrous and non-ferrous metallurgy, mechanical engineering, energy and other industries. In this regard, a more detailed theoretical study of its subsolid structure is of interest. The paper presents the results of Gibbs free energy calculations for the conjugate reaction in the selected multicomponent system. Based on the thermodynamic calculations, the possibility of the conjugate reaction CaAl2Si2O8 + 3CaAl12O19 + 17Fe2O3 = 2Ca2Al2SiO7 + 17Fe2Al2O6 has been established. It was also shown that the reaction between the Ca2Al2SiO7 and Fe2Al2O6 phases does not occur in the temperature range of 300-1700 K. The existence of Ca2Al2SiO7 – Fe2Al2O6 conodes has been established, and the combination of phases CaAl2Si2O8 + CaAl12O19 + Fe2O3 in the temperature range 300-1500 K forms an ‘empty’ triangle between them. The temperature ranges of coexistence of phase combinations are given and the region of the Ca2Al2SiO7–FeAlO3–CaAl2Si2O8–CaAl12O19-Fe2O3 system is constructed. The results of theoretical studies have established that the multicomponent system under consideration breaks down into 25 elementary tetrahedra for which the temperatures and compositions of eutectics are given. A topological graph of the interrelationship of elementary tetrahedra has been constructed, which will subsequently make it possible to track changes in the phase composition of the compositions. The relative volume and temperature of melt appearance in elementary tetrahedra were estimated, and the minimum temperature of melt appearance was determined. The promising areas of the system are suitable for the manufacture of refractory thermal insulation materials. The research can be applied in the development and use of refractory materials, for example in mullite-silica fibre-basalt fibre systems, refractory slag and others.
References
1. Мазур В.В. Розвиток технології виробництва теплоізоляційних матеріалів для використання в металургії та машинобудуванні. Метал та лиття України. 2023. Т. 31, № 4. С. 59-63. URL: https://doi.org/10.15407/steelcast2023.04.07
2. Павленко А.М,, Чейлітко А.О., Носов М.А. Композіційна високопориста теплова ізоляція з ефективними параметрами пористості. Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. 2016, № 42. С. 92-96. URL: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2016.42.15
3. Джигірис Д.Д., Махова М.Ф. Основи виробництва базальтових волокон та виробів. Київ : Теплоенергетик, 2002. 416 с.
4. Мазур В.В. Застосування вогнетривів із мулітокремнеземистого волокна — ефективний засіб теплоізоляції і енергозбереження в металургії. Литво. Металургія. 2025 : матеріали XXІ Ювілейної Міжнародної науково-практичної конференції (27-29 травня 2025 р., м. Харків-м. Київ) / НТУ «ХПІ». Харків, 2025. С.180-181. URL: https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/93177
5. Бережний А.С. Фізико-хімічні системи тугоплавких, неметалічних і силікатних матеріалів : Навчальний посібник. Київ : НМК ВО, 1992. 172с.
6. Хімічна технологія тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів у прикладах і задачах : навч. посіб. у 2 ч. Ч.2. Фізико-хімічні системи, фазові рівноваги, термодинаміка, ресурсо- та енергозбереження в технології ТНСМ / О.Ю. Федоренко, Я.М. Пітак , та ін.; за ред.М. І. Рищенка. Харків : НТУ «ХПІ», 2015. 336 с.
7. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов : под ред. О.П. Мчедлова-Петросяна. Москва : Стройиздат, 1986. 408 с.
8. Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. Киев : Наукова думка, 1970. 544 с.
