一种计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法

本发明属于稀土微合金化合金制备，具体涉及一种精确计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法。

背景技术：

1、稀土元素（y，sc，镧系）作为一种超活性元素受到了特别的关注和广泛的应用，特别是稀土y、ce、la在合金中的加入可明显提升材料的抗高温氧化性和耐腐蚀性能，被作为合金中的“维他命”广泛应用于各类合金，是有望突破新一代高温合金综合性能的重要元素。稀土元素除了能显著提升材料的抗高温氧化和腐蚀性能外，在增强材料力学性能方面也取得了重大突破，如y在高强轴承钢、铸造不锈钢、镁/铝合金以及高温合金等合金的研究中均可显著提升其蠕变性能，由此可见稀土元素在合金中具有无可取代的重要作用。

2、然而，尽管稀土在各类合金中的应用非常广泛，但对稀土合金的研究仍存在诸多问题，其中最普遍且最根本的难题是稀土在合金熔炼制备中的烧损问题。烧损问题出现在合金熔炼制备第一步，稀土含量无法精确控制导致难以清楚的揭示稀土对合金的作用机制，对揭示稀土对合金的组织及性能的影响造成更大的困扰和难题。相关人员在钇和硫对镍基单晶高温合金中抗氧化性能的影响中对y的损耗进行了研究，发现稀土y的收得率仅仅达到了添加量的10%；在铸造单晶高温合金中稀土的损耗和分布进行研究，发现稀土的蒸发损耗是稀土损耗的主要因素。

3、已有技术虽然公开了减少稀土损耗并提高稀土收得率的方法，但均无法定量计算稀土的蒸发损耗，即不能定量建立添加量与保留量的对应关系，因此难以精确控制和补偿稀土，从而难以制备出稀土可控的高性能的合金。

技术实现思路

1、因此，本发明提供一种计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，目的是能够定量计算合金冶炼过程中的蒸发损耗，建立稀土添加量和损耗之间的关系。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，包括以下步骤：

3、步骤1）计算合金冶炼过程中合金熔液与冶炼设备内气体接触的表面积 s；

4、步骤2）计算第i个时间微元dt内稀土元素j的挥发速率 vj；

5、步骤3）根据合金熔液与冶炼设备内气体接触的表面积 s及稀土元素的挥发速率 vj，计算第i个时间微元dt内稀土元素的损耗量d mi，计算公式为：

6、d mi= vj· s·d t；

7、步骤4）根据时间微元dt内稀土元素的损耗量d mi，计算冶炼时间t内稀土元素的损耗量 m，计算公式为：

8、。

9、进一步的，在所述步骤2）中，所述稀土元素的挥发速率 vj的计算公式为：

10、；

11、式中， αj为稀土元素j在合金熔液中的活度； pj0为纯稀土溶液的饱和蒸汽压，单位为pa； mj为稀土元素j的摩尔质量，单位为g/mol；r为气体常数；t为冶炼过程中合金熔液的保温温度，单位为k。

12、进一步的，所述稀土元素j在合金熔液在合金熔液中的活度 αj的计算公式为：

13、 αj= γj· χj；

14、式中，γj为稀土元素j在合金熔液中活度系数；χj为稀土元素j的摩尔分数。

15、进一步的，所述稀土元素j在合金熔液中活度系数 γj的计算公式为：

16、；

17、式中，为过剩偏摩尔自由能，单位为kj/mol；所述 γj为1。

18、进一步的，引入修正系数k对χj进行修正，修正系数k的计算公式为：

19、；

20、式中， nlayer为合金熔液的表面超量层的物质的量，单位为mol； ninter为合金熔液内部的物质的量，单位为mol；为合金熔液的表面超量层的体积；为合金熔液内部的体积。

21、进一步的，所述合金熔液的表面超量层的物质的量 nlayer的计算公式为：

22、；

23、式中，d为超量层的厚度，单位为；

24、为稀土元素j的表面超量，单位mol/cm2，的计算公式为：

25、；

26、其中，为合金熔液的表面张力，单位为mn/m；a为稀土合金溶液中的浓度，单位为mol/l。

27、进一步的，所述合金熔液内部的物质的量 ninter的计算公式为：

28、 ninter= mj/ mj；

29、式中， mj为合金中稀土元素j的设定添加量，单位为g。

30、另一方面，本发明还提供一种稀土合金的冶炼方法对合金原料进行冶炼，合金原料中稀土元素的加入量为稀土合金中稀土元素的设定添加量与稀土元素在冶炼过程中的蒸发损耗量之和；

31、所述稀土元素在冶炼过程中的蒸发损耗量采用上述任一项所述的计算方法得到。

32、本发明提供的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法具有如下有益效果：

33、1.本发明通过引用元素蒸发以及熔体质量控制理论的langmuir动力学计算法则，考虑稀土元素的挥发随时间变化，定量计算稀土元素在高温冶炼合金过程中的蒸发损耗量，反映出稀土元素浓度随冶炼时间的变化关系，从而可以精准控制和补偿合金中的稀土含量，指导制备出稀土含量可控的稀土合金，还可以实现大幅度提升稀土的使用效率，降低稀土的原材料消耗，实现工业绿色可持续发展的要求。

34、2.本发明在计算稀土元素的损耗量时，基于稀土元素的表面吸附的特殊物理特性，对稀土元素摩尔分数进行修正，通过修正确保稀土损耗的计算更精确，以便制备出稀土含量更精确的合金。

技术特征：

1.一种计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，在所述步骤2）中，所述稀土元素的挥发速率vj的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，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的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，所述稀土元素j在合金熔液中活度系数γj的计算公式为：

5.根据权利要求3或4所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，引入修正系数k对χj进行修正，修正系数k的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，所述合金熔液的表面超量层的物质的量nlayer的计算公式为：

7.根据权利要求5所述的计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，其特征在于，所述合金熔液内部的物质的量ninter的计算公式为：

8.一种稀土合金的冶炼方法，其特征在于，对合金原料进行冶炼，合金原料中的稀土元素的加入量为稀土合金中稀土元素的设定添加量与稀土元素在冶炼过程中的蒸发损耗量之和；

技术总结本发明提供一种计算合金冶炼过程中稀土元素蒸发损耗量的方法，涉及稀土微合金化合金制备技术领域，包括以下步骤：步骤1）计算合金冶炼过程中合金熔液与冶炼设备内气体接触的表面积S；步骤2）计算第i个时间微元dt内稀土元素j的挥发速率V<subgt;j</subgt;；步骤3）根据合金熔液与冶炼设备内气体接触的表面积S及稀土元素的挥发速率V<subgt;j</subgt;，计算第i个时间微元dt内稀土元素的损耗量dm<subgt;i</subgt;：步骤4）根据时间微元dt内稀土元素的损耗量dm<subgt;i</subgt;，计算冶炼时间t内稀土元素的损耗量Δm。本发明通过引用元素蒸发以及熔体质量控制理论的Langmuir动力学计算法则，考虑稀土元素的挥发随时间变化，定量计算稀土元素在高温冶炼合金过程中的蒸发损耗量。技术研发人员：李金国,王楠,刘纪德,徐伟受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/26