Анализ процессов взаимодействия между медным расплавом и сопряженными неметаллическими фазами в системе Cu-Co-O

В черновой меди, подвергающейся окислительному рафинированию, содержится мало кобальта. Значение коэффициента распределения этого элемента между шлаком и металлом достаточно велико (согласно работе [1] - более 500), поэтому кобальт хорошо ошлаковывается еще на стадии конвертирования черновой меди.

Тем не менее, кобальт упоминается рядом авторов [2, 3] в качестве элемента, загрязняющего черновую медь, поэтому мы сочли необходимым проанализировать термодинамику взаимодействия кобальта и кислорода в жидкой меди, равновесной с оксидными фазами системы Си-Со-О в рамках подхода, связанного с построением поверхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ).

Имеющиеся в литературе данные о термодинамических свойствах компонентов системы Cu-Co-О связаны, в основном, с определением влияния кобальта на активность кислорода в жид кой меди [4-7]. В работах [1, 4] приведены значения, характеризующие зависимость констант равновесия реакций взаимодействия кобальта с кислородом в жидкой меди, находящейся в равновесии с оксидом кобальта.

В литературе нет информации относительно диаграммы состояния двойной системы Си2О-СоО. По аналогии с двойной системой Cu2O-NiO можно предположить, что это система эвтектического типа, в которой не образуется сложных оксидов. Для расчета диаграммы состояния системы Си2О-СоО (рис. 1) в работе использовалось приближение теории совершенных ионных растворов.

Химические равновесия, устанавливающиеся в процессе окислительного рафинирования, могут быть описаны реакциями образования твердых оксидов меди и кобальта, а также жидких оксидов этих элементов - компонентов оксидного расплава (табл. 1).

СщО 20      40      60      80 [СоО], мол.%

Рис. 1. Рассчитанная диаграмма состояния системы Си2О-СоО

Таблица 1

Температурные зависимости констант равновесия реакций взаимодействия компонентов медного расплава

Процесс	К- константа равновесия; a - активность, мас.%	Температурная зависимость 1g К
(Cu2O) = 2Си + [О]	К = а[о]/а(си2о)	-3 140/7+2,250
/Си2О/ = 2Си + [О]	к = а[о]	-6 500/7+4,468
(СоО) = [Со] + [О]	К = а[О]Я[Со]/а(СоО)	- 8 278 / 7 + 4,474
/СоО/ = [Со] + [О]	К = ^Oj^Co]	- 10 903/7+5,663

Параметры взаимодействия первого порядка, использованные для расчета активностей компонентов медного расплава, представлены в табл. 2.

ПРКМ системы Си-Со-О и изотермы растворимости кислорода с кобальтом в жидкой меди приведены на рис. 2. Линия а-b показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твердым Си2О и жидким шлаком (оксиды Со и Си). В области I определены составы металла, находящегося в равновесии с твердым оксидом меди, а в области II - составы металла, находящегося в равновесии с жидким шлаком. Линия Ь—с показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии с жидким шлаком и твердым оксидом кобальта. Область III демонстрирует составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твердым СоО. На линии b-d определены составы медного расплава, равновесные с твердыми оксидами меди и кобальта.

На рис. 2 приведены результаты проведенных нами экспериментов, а также данные экспериментов других авторов [8, 9]. Составы оксидных фаз в наших экспериментах, рассчитанные по данным о содержании меди в оксидной фазе, приведены в табл. 3.

Выводы

• 1.    Предложены значения термодинамических параметров, позволяющие рассчитывать равновесные составы жидкой меди и сопряженных с ней неметаллических фаз в системе Cu-Co-О для температур 1100-1300 °C.

• 2.    Посредством термодинамических расчетов построена ПРКМ системы Cu-Co-О, которая может быть использована для анализа имеющихся литературных данных, а также для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кобальта с кислородом в медном расплаве.

• 3.    Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными.

Таблица 2

Рис. 2. ПРКМ системы Си-Со-О:

1 - экспериментальные данные У. Куксманна и К. Гейсслера [8], металл в равновесии с твердым СоО, Т= 1100 °C;

2 - экспериментальные данные У. Куксманна и К. Гейсслера [8], металл в равновесии с твердым СоО, Т = 1200 °C;

3 - расчет по константе равновесия Т. Оиши и др. [9], металл в равновесии с твердым СоО, Г = 1100 °C; 4 - расчет по константе равновесия Т. Оиши и др. [9], металл в равновесии с твердым СоО, Т = 1200 °C; 5 - данные Т. Оиши и др. [9], для Г = 1300 °C; 6 - экспериментальные данные настоящей работы, Т = 1250 °C.

Температурные зависимости параметров взаимодействия в жидкой меди

	Температурная зависимость		Температурная зависимость
eg	- 630 / Т+ 0,327	ego	-550/7
ego	227/7+0,018	eg°	-300/7

Таблица 3

Составы оксидных фаз, равновесных с жидким металлом

Содержание, мол.%	Точка 1	Точка 2	Точка 3	Точка 4
[Си2О]	54,8	29,9	0,2	0,25
[СоО]	45,2	70,1	99,8	99,75

Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г.      Анализ процессов взаимодействия между медным расплавом и сопряженными неметаллическими фазами в системе Си-Со-0