Термодинамика фазовых равновесий в системе Cu-Fe-S-O при температурах 1100-1300 °С

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 газа. Поэтому проведение термодинамического анализа системы Cu-Fe-S-O, 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 Cu-Fe-S-O. 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 Cu-Fe-S-O для температур 1100, 1200 и 1300 °C.

Таблица 1 Температурные зависимости констант равновесия реакций взаимодействия

' компонентов медного расплава

Таблица 2 Температурные зависимости параметров взаимодействия

На рис. 1 изображен разрез ПРКМ системы Cu-Fe-S-O для температуры 1100 °C. 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 (CuFeO2). В области Ш в равновесии с жидкой медью находится твердый магнетит (Ге3О4), а в области IV - твёрдый вюстит (FeO).

В области V металл находится в равновесии с неметаллическим расплавом оксидов и сульфидов

меди и железа, а в области VI, при низких концентрациях железа в металлической меди, металл находится в равновесии с газом, преобладающей составляющей которого является SO2. В области VII фазой, равновесной с жидкой медью, является твёрдый сульфид железа (FeS), а в области VIII -твёрдый сульфид меди (Cu2S).

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-Fe-S-O для Т= 1200 °C. Исчезли области И, VII и VIII, поскольку температура плавления веществ, соответствующих этим областям, ниже 1200 °C. Существенно расширилась область неметаллических расплавов - V. Несколько увеличилась и область VI.

В ходе дальнейшего повышения температуры исчезает (при Т= 1240 °C) еще одна твердая оксидная фаза - куприт (Си₂О). ПРКМ системы при Т= 1300 °C 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 Cu-Fe-S-O. 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.