Title

MODELO DE ENERGIA DE GIBBS PARA O ESPINÉLIO Al2MnO4 BASEADO NO FORMALISMO DA ENERGIA COMPOSTA

GIBBS ENERGY MODEL FOR THE SPINEL Al2MnO4 BASED ON THE COMPOUND ENERGY FORMALISM

Authorship

Avillez, Roberto Ribeiro de; Siqueira, Rogério Navarro Correia de; eSilva, André da Costa

Avillez, Roberto Ribeiro de

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Siqueira, Rogério Navarro Correia de

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eSilva, André da Costa

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DOI

10.5151/2594-5327-23304

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Abstract

O pseudo-binário Al2O3 - MnO é de suma importância para a modelagem termodinâmica de escórias oriundas da fabricação de aços em fornos elétricos. Neste sistema, o composto Al2MnO4 consiste no único óxido duplo presente, sendo, desta forma, o conhecimento de sua energia de Gibbs crucial para a descrição, em nível quantitativo, do comportamento termodinâmico do referido sistema. De acordo com a proposta CALPHAD, onde as energias de Gibbs de todas as fases relevantes são otimizadas simultaneamente, erros incorporados no modelo de uma fase, podem se propagar, influenciando os valores dos parâmetros energéticos estimados para as demais fases presentes. Neste contexto, devido as elevadas temperaturas encontradas durante a formação da fase escória em fornos elétricos (tipicamente superiores a 1000oC), é esperado que o óxido em questão apresente desvios do comportamento estequiométrico, os quais podem ser tratados em nível teórico através do formalismo da energia dos compostos (Compound Energy Modeling). No entanto, o sucesso alcançado depende fortemente da qualidade dos modelos de energia de Gibbs empregados na descrição dos compostos limitantes, sendo o Al2MnO4 estequiométrico um deles. O trabalho tem por objetivo a utilização do formalismo da energia dos compostos na descrição da energia de Gibbs do óxido Al2MnO4, empregando-se um modelo publicado recentemente para o cálculo da energia de sua forma estequiométrica. O modelo final foi utilizado na otimização dos dados termodinâmicos e de equilíbrio de fases existentes para o sistema Al2O3 - MnO. Os resultados obtidos corroboram a hipótese de que o Al2MnO4 se funde forma congruente. A inclusão de um modelo não estequiométrico determinou uma considerável melhoria na qualidade do ajuste, especialmente no que diz respeito aos pontos invariantes presentes no diagrama de fases do sistema em questão. Adicionalmente, o presente modelamento se mostra consistente com a possibilidade de existência de significativo excesso de alumínio na estrutura do óxido Al2MnO4, quando este se encontra em equilíbrio com Al2O3. Neste contexto, de acordo com os resultados obtidos, a concentração de Al+3 presente na estrutura da fase espinélio aumenta com a energia térmica disponível, de tal forma que à temperatura ambiente o óxido se comporta como estequiométrico.

The pseudo-binary system Al2O3-MnO is important for modeling the thermodynamic properties of slags originated during the steel making in electric arc furnaces. In this system, the compound Al2MnO4 is the only double oxide present, so that the knowledge of its Gibbs energy is vital for achieving a quantitative description of the thermodynamic behavior of the mentioned system. Based on the Calphad methodology, whereas the Gibbs energy of all relevant phases are optimized simultaneously, possible errors incorporated into the model of a specific phase can propagate and influence the energy parameters determined for the other phases considered. In this context, due to the significant temperatures achieved during the slag formation in electric steel industry (typically higher than 1000oC), it is expected that Al2MnO4 to evidence deviations from the stoichiometric behavior, which has been frequently modeled through the use of the compound energy formalism. However, the success achieved depends directly from the reliability of the Gibbs energy models applied for describing the stability of the end-member oxides, for example, stoichiometric Al2MnO4. The paper proposes a Gibbs energy model for the spinel Al2MnO4 based on the compound energy formalism, but employing a recent developed function for describing the stoichiometric end-member. This model is then applied for the assessment of thermodynamic and phase diagram data available for the system Al2O3 - MnO. The results support the congruent melting of the spinel and predict that there is a possibility of stabilizing Al+3 in its structure when in equilibrium with Al2O3. Such cationic disorder is a strong function of temperature. According to the present model, the equilibrium atomic fraction of Al+3 incorporated into the Al2MnO4 structure increases with temperature, so that at ambient temperature the stoichiometric behavior is expected.

Keywords

Al2MnO4; Formalismo da energia dos compostos; Al2O3-MnO; Metodologia Calphad.

Al2MnO4; Compound energy formalism; Al2O3-MnO; Calphad method.