CC BY
41
УДК 669.33 + 541.123
ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ В СИСТЕМЕ Си-Ре-Э-О ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 1100-1300 °С
ЕЛ. Трофимов, Г.Г. Михайлов
Среди исследований, направленных на разработку новых технологий и совершенствование существующих технологических процессов, особое, важное место занимает термодинамический анализ. Для пирометаллургических процессов, связанных с производством меди, характерны сложные равновесия с участием шлаков, штейнов, расплавленной металлической фазы и таза. Поэтому проведение термодинамического анализа системы Си-Ре-Б-О, в частности, методом построения поверхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ), имеет большое практическое значение.
В табл. 1 и 2 приведены данные о температурных зависимостях констант равновесия реакций и параметров взаимодействия первого порядка, необходимые для описания процессов происходящих в системе Си-Ре-Б-О. Температурные зависимости отчасти заимствованы из работ [1-4]. Значения других рассчитаны на основе данных о теплотах и температурах плавления соответствующих соединений и данных об энтальпиях их образования.
Используя методику, описанную ранее в работах [5, 6], построены изотермические разрезы ПРКМ системы Си-Ре-Б-О для температур 1100, 1200 и 1300 °С.
Таблица 1
Температурные зависимости констант равновесия реакций взаимодействия компонентов медного расплава
№ Процесс Константа равновесия, К Температурная зависимость, 18 К
1. (Си20)=2Си+[0] К = / Я(си2о) - 3640 / Т+ 2,555
2. /Си20/=2Си+[0] о <!Г II - 6500 /74 4,468
3. (Си2Б) = 2 Си + [Б] К - / Я(Си2з) -2848/7’+2,177
4. /СшБ/ = 2 Си +[Б] К = а[э] - 4415 /74 3,325
5. /СиРе02/=Си+[Ре]+2[0] к = а[о)а{Щ - 22562 /74 10,208
6. /Ре3СУ = 3|Те] + 4[0] ъг 4 3 К - [0] [Ре] - 50048 /74 20,984
7. (Рез04)= 3|Те] + 4[0] К = а[0]а[¥е} ! а(ре304) -42826 /74 17,122
8. №еО/ = |Те] + [О] к = Я[о]а[ре] - 12389 / Т + 5,084
9. (РеО) = [Ре] + [О] К = ^о]а[Ре] / а(РеО) - 10701 /7’+4,060
10. [Б] + 2 [О] = {БОг} к = а[о]а[&]/ Р($02) 65201Т-0,996
11. 0,5 {02} = [О] К = а[о]/Р°{о2) -3870 /74 0,562
12. 0,5 {Б2> = [Б] к=ам'р0(£) - 4350 /74 0,879
13. /¥еБ/ = |Те] + [в] К = ащ-а^ Ре] -7067 / 74 4,792
14. (Рев) = РРе] + [в] К = / Я(ре5) - 5374 /74 3,637
Таблица 2
Температурные зависимости параметров взаимодействия
4 Температурная зависимость 4 Температурная зависимость 4 Температурная зависимость
оо -630 / 74 0,327 -1154/7’+0,664 41 - 65 / Г
4 -339 /Т 4 -61В/Т 4е -134/7’
4е -500/Г 4 - 1700/Г 4 -235 П
На рис. 1 изображен разрез ПРКМ системы Си-Ре-Б-О для температуры 1100 °С. Контрастными линиями показаны границы равновесных с жидким металлом неметаллических фаз. Тонкими -линии равных концентраций кислорода в металле. На диаграмме - восемь областей равновесия жидкой меди с неметаллическими соединениями.
В области I в равновесии с металлом находится твердый куприт. В области II - твердый делафоссит (СиРе02). В области Ш в равновесии с жидкой медью находится твердый магнетит (Ре304), а в области IV - твёрдый вюстит (РеО).
В области V металл находится в равновесии с неметаллическим расплавом оксидов и сульфидов
64
Вестник ЮУрГУ, № 3, 2005
Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г.
Термодинамика фазовых превращений в системе Cu-Fe-S-0 при температурах 1100-1300 °С
меди и железа, а в области VI, при низких концентрациях железа в металлической меди, металл находится в равновесии с газом, преобладающей составляющей которого является 302. В области VII фазой, равновесной с жидкой медью, является твёрдый сульфид железа (РеБ), а в области VIII -твёрдый сульфид меди (Си2Б).
Положение границ области VI с другими областями зависит от давления компонентов газовой фазы. Границы, представленные на рисунках, рассчитаны исходя из общего давления газа в системе, равного одной атмосфере.
Повышение температуры сказывается на картине фазовых равновесий. На рис. 2 представлен разрез системы Си-Ре-Б-О для Т= 1200 °С. Исчезли области II, VII и VIII, поскольку температура плавления веществ, соответствующих этим областям, ниже 1200 °С. Существенно расширилась область неметаллических расплавов - V. Несколько увеличилась и область VI.
В ходе дальнейшего повышения температуры исчезает (при Т= 1240 °С) еще одна твердая оксидная фаза - куприт (Си20). ПРКМ системы при Т= 1300 °С представлена на рис. 3. С металлом при этой, температуре могут быть сопряжены только четыре фазы: III - твердый магнетит, IV -твёрдый вюстит, V - оксидно-сульфидный расплав железа и меди и VI - газ.
Выводы
Посредством термодинамических расчётов построены поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для системы Си-Ре-5>-0. Данные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с
взаимодействием кислорода и серы с железом в медном расплаве.
Работа проводится по научной программе Федерального агентства по образованию - «Развитие научного потенциала высшей школы». Код проекта - 4304.
Литература
1. Козлов В.А., Набойченко С.С., Смирнов Б.Н. Рафинирование меди. - М.: Металлургия, 1992. -268 с.
2. Куликов И. С. Раскисление металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 504 с.
3. Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.
4. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. -М.: Металлургия, 1986. - 222 с.
5. Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г. Физикохимический анализ процессов взаимодействия элементов растворённых в жидкой меди с кислородом// Известия вузов. Цветная металлургия. -2003.-Ns3.-C.9-12.
6. Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г. Термодинамический анализ системы Cu-S-O при температурах 1Ю0...1300°С// Совершенствование наукоёмких технологий и конструкций: Сб. науч. тр. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - С. 137-140.
7. Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г. Термодинамический анализ системы Cu-Fe-О при температурах 1100-1300 °С// Известия Челябинского на-учн. центра РАН. - 2002. — № 1. — С. 7-12: http://www.sci. иге. ac.ru.
