Study on solubility of oxygen in liquid metal

ABSTRACT

A thermodynamic model, which is applicable when one oxide forms at the metal portion in the metal–oxygen system, is developed based on the ionic two sublattice liquid model to deduce general solubility expressions of oxygen in liquid metal. By substituting the relative thermodynamic parameters from references, specific solubilities of oxygen are calculated and compared with previous studies in liquid copper at 1340–1473 K, in liquid nickel at 1722–1873 K, and in liquid iron at 1811–1973 K. An overall good agreement is shown. This thermodynamic model is also applicable to calculate solubilities of other solute elements, such as sulphur, in liquid metals (some calculations have been carried out and are in good agreement with previous calculations). Meanwhile, this thermodynamic model can be used to calculate precipitation in solidification and can lead to the development of a similar thermodynamic model for solubility products of oxides in liquid metals (some preliminary work also has been done).

On a développé un modèle thermodynamique, qui est applicable lorsqu’un oxyde se forme sur la portion métallique du système métal-oxygène, sur la base du modèle liquide ionique à deux sous-réseaux pour déduire des expressions générales de solubilité de l’oxygène dans le métal liquide. En substituant les paramètres thermodynamiques relatifs des références, on calcule les solubilités spécifiques de l’oxygène et on les compare aux études précédentes dans le cuivre liquide à 1340∼1473 K, dans le nickel liquide à 1722∼1873 K et dans le fer liquide à 1811∼1973 K. On montre un bon accord général. Ce modèle thermodynamique est également applicable pour calculer les solubilités d’autres éléments solutés, tels que le soufre, dans les métaux liquides en substituant l’élément à l’oxygène (certains calculs ont été effectués dans le travail actuel et sont en bon accord avec les calculs antécédents). En même temps, on peut utiliser ce modèle thermodynamique pour calculer la précipitation lors de la solidification et peut conduire au développement d’un modèle thermodynamique similaire pour les produits de solubilité des oxydes dans les métaux liquides (on a également effectué certains travaux préliminaires dans le travail actuel).

KEYWORDS:

• Thermodynamic model
• ionic two sublattice liquid model
• solubility of oxygen
• solubility of sulphur
• solubility expression
• precipitation
• solubility product of oxide
• computer coupling of phase diagrams and thermochemistry

Acknowledgement

The authors sincerely appreciate the reviewers’ modifications and suggestions on the manuscript.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

This work was supported by the National Key R&D Program of China under grants 2020YFA0714400 and 2022YFC2905205, Science and Technology Project of Ganzhou city and National Natural Science Foundation of China under grant 52174316. It is also supported by the Program of Qingjiang Excellent Young Talents, Jiangxi University of Science and Technology.