Научная статья на тему 'Фазовые равновесия в системах Cu-Fe-O и сu-fe-si-o в условиях существования медного расплава'

Фазовые равновесия в системах Cu-Fe-O и сu-fe-si-o в условиях существования медного расплава Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
121
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕДНЫЙ РАСПЛАВ / ЖЕЛЕЗО / КРЕМНИЙ / КИСЛОРОД / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ / СOPPER MELT / IRON / SILICON / OXYGEN / THERMODYNAMIC CALCULATIONS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Трофимов Е. А., Михайлов Г. Г.

Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле для систем Cu-Fe-O и Cu-Fe-Si-O, при температурах 1100-1300 оС.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Трофимов Е. А., Михайлов Г. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The thermodynamic analysis of Cu-Fe-O and Cu-Fe-Si-O systems under the temperature ranging from 1100 оС to 1300 оС through constructing the surfaces of components solubility in metal melt is carried out

Текст научной работы на тему «Фазовые равновесия в системах Cu-Fe-O и сu-fe-si-o в условиях существования медного расплава»

Е. А. Трофимов, Г. Г. Михайлов

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМАХ Cu-Fe-O И Cu-Fe-Si-0 В УСЛОВИЯХ СУЩЕСТВОВАНИЯ МЕДНОГО РАСПЛАВА

Ключевые слова: медный расплав, железо, кремний, кислород, термодинамические расчёты. соррег melt, iron, silicon, oxygen, thermodynamic calculations.

Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле для систем Cu—Fe—O и Cu—Fe—Si—O, при температурах 1100-1300 оС.

The thermodynamic analysis of Cu-Fe-O and Cu-Fe-Si-O systems under the temperature ranging from 1100 оС to 1300 оС through constructing the surfaces of components solubility in metal melt is carried out.

Оксидные соединения системы Cu—Fe—O образуются в процессе пирометаллурги-ческого производства цветных металлов из высокожелезистого сырья. В ряде случаев они осложняют технологию процесса, являются причиной химических потерь извлекаемого металла. Термодинамический анализ равновесия медный расплав - шлак в системе Cu—Fe—O интересен как для изучения процесса пирометаллургического рафинирования, так и для оптимизации раскисления меди железом и комплексными раскислителями, содержащими железо. Данные о составе шлака, находящегося в равновесии с медным расплавом, показывают, что в шлаке могут присутствовать ионы Fe3+ и Fe2+ [1-4]. В то же время исключается возможность нахождения медного расплава в равновесии с твердым гематитом (Fe2O3). При низких концентрациях железа возможно образование делафоссита (CuFeO2). Согласно расчетам И.С. Куликова [5], образование окиси железа менее вероятно, чем CuFeO2. Отмечается, что образование этого химического соединения возможно лишь при следовых (порядка 10-4 %) концентрациях железа в меди.

В связи с вышеизложенным была поставлена задача проведения термодинамического анализа системы Cu—Fe—O в области температур 1100... 1300 оС при содержании меди в системе более 90% путём построения поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для этой системы. Методика расчёта диаграмм состояния такого типа изложена в работе [6].

Для расчёта активностей компонентов неметаллического расплава в настоящей работе использовалось приближение теории совершенных ионных растворов. При этом принималось, что в составе неметаллического расплава системы Cu—Fe—O присутствуют ионы Cu+, Fe2+, Fe3+ и O2-.

Результаты расчета координат ПРКМ для системы Cu-Fe-O представлены на рис. 1. В области I заданы составы металла, равновесного с оксидным расплавом, в области II медь находится в равновесии с Cu2O, в области III - с CuFeO2, в области IV - с Fe3O4, в области V - с FeO.

На рис. 2 представлены результаты расчета, демонстрирующие то, как меняется состав оксидного расплава, равновесного с жидкой медью, в зависимости от содержания железа в металле при постоянной температуре (в частности, при Т = 1300 °С).

На рис. 3 нанесены составы оксидного расплава, равновесного с жидким металлом и оксидными твёрдыми фазами. Составы оксидных расплавов на линии a’b’d’f’h’ отвечают

заданному равновесию по линии аЪёЗк, приведённой на рис. 1. Так, на линии а’Ъ’ заданы составы расплава, равновесного с Си20 и жидким металлом, состав которого определён на линии аЪ (рис. 1). На линии Ъ’ё’ заданы составы расплава, равновесного с делафосситом и жидким металлом на линии Ъё. Расплав, составы которого определены на линии ё’/’, находится в равновесии с магнетитом и металлом на линии ё/. На линии /’к’ заданы составы расплава, равновесного с вюститом и жидким металлом, состав которого определён на линии jк.

Рис. 1 - ПРКМ системы Сы—Ре—О

Рис. 2 - Изменение состава оксидного расплава, равновесного с жидкой медью, в зависимости от содержания железа в металле при Т = 1300 °С

Рис. 3 демонстрирует, что правило определения состава продуктов взаимодействия по ближайшему сечению носит условный характер. Если бы продукты взаимодействия принадлежали бинарным сечениям Си20—СиРе02, СиРе02-Реэ04 и Рез04-Ре0, линия а’Ъ’ёУ’к’ должна была бы слиться со сторонами трапеции Си20—СиРе02—Реэ04—Ре0 в концентрационном треугольнике. Положение линии а’Ъ’ёУ’к’ является примером отклоне-

ния от стехиометрических отношений в тех случаях, когда в качестве продуктов взаимодействия образуются оксиды с переменной валентностью окисляющегося металла.

Ре;0,

Си:0 РеО

Рис. 3 - Диаграмма фазовых равновесий в системе Сы2О—Ре2Оз—РеО, сопряжённой с медным расплавом

Диаграммы системы Си—Ре—81—0 и, в частности, ПРКМ этой системы представляют значительный интерес для практики, поскольку вещества, относящиеся к ней, составляют основу шлаков медеплавильного производства, которые в значительной степени определяют состав полученной анодной меди. В системе Си—Ре—81—0 при температурах ниже 1217 °С помимо соединений, характерных для тройных систем Си—Ре—0 и Си—81— 0, может присутствовать твёрдый фаялит (Ре28Ю4), однако при более высоких температурах существуют только соединения, характерные для тройных систем. В процессе расчёта принималось, что в составе неметаллического расплава системы Си—Ре—81—0 присутствуют ионы Си+, Ре2+, Ре3+, 02- и 8Ю44-.

Рис. 4 отражает результаты расчета координат поверхности растворимости компонентов в жидком металле в виде проекции на плоскость составов при 1250 °С. Из этого рисунка видно, что в равновесии с металлом могут находиться четыре различные оксидные фазы. В области I заданы составы металла, равновесного с оксидным расплавом, вклю-

+ 2+ 3+ 2 ■ 4—

чающим ионы, Си+, Ре2+, Ре3+, 02-, 8Ю44-; в области II металл сосуществует с твердым

8Ю2; в области III - с магнетитом, и в области IV - с вюститом.

На рис. 4а приведены экспериментальные данные работы [1], в которой исследо-

вался шлаковый расплав, находящийся в равновесии с твердым оксидом кремния при температуре 1250 °С. Видно, что данные этой работы в целом соответствуют результатам расчета фазовых равновесий.

На рис. 4б представлены результаты расчета изменения катионного состава в шлаке, равновесном с медным расплавом и твердым 8Ю2, в зависимости от содержания железа в меди для системы Си—Ре—81—0 при Т = 1250 °С.

Такой вид кривых (для концентраций железа в металле свыше 0,01 мас. %) качественно подтверждается данными работы [1].

Рис. 4 - ПРКМ системы Cu—Fe—Si—O при Т = 1250 °С: О - экспериментальные данные [1]

Работа проведена по научной программе Федерального агентства по образованию -

«Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», код проекта - 375 и при

поддержке РФФИ, грант № 07-08-00365.

Литература

1. Багрова, Т.А. Активности компонентов в системе медь - шлак - газовая фаза / Т.А. Багрова [и др.] // Цветные металлы. - 1991. - № 3. -С. 10-13.

2. Зайцев, В.Я. Термодинамическое исследование системы Fe—Cu—S—O—Si / В.Я. Зайцев [и др.] // Научные труды МИСиС. - 1978. - №111. - С. 34-45.

3. Зайцев, В.Я. Растворимость меди в железосиликатных расплавах: Исследования процессов получения тяжелых цветных и благородных металлов / В.Я. Зайцев [и др.] // Научные труды МИСиС. - 1976. - № 91. - С. 17-28.

4. Миклин, Н.А. Растворимость меди и никеля в кальций-ферритных шлаках / Н.А. Миклин [и др.] // Изв. вузов. Цв. металлургия. - 1985. - № 3. - C. 23-27.

5. Куликов, И.С. Раскисление металлов / И.С. Куликов - М.: Металлургия, 1975. - 504 с.

6. Михайлов, Г.Г. Термодинамика раскисления стали / Г.Г. Михайлов, Д.Я. Поволоцкий. - М.: Металлургия, 1993. - 144 с.

© Е. А. Трофимов - канд. хим. наук, доц. каф. общей металлургии Южно-Уральског госуд. ун-та, tea7510@rambler.ru; Г. Г. Михайлов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. физической химии ЮУрГУ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.