Wydział Metali Nieżelaznych

Kierunek Metalurgia

Rok 4

Zespół 3

Metalurgia metali ciężkich

Temat: Konwertorowanie stopu Cu-Fe-Pb

Marczewski Maciej

Majchrzycki Adam

Kałwa Grzegorz

Wstęp:

Stop Cu-Pb-Fe musi być konwertorowany celem utlenienia ołowiu i żelaza, aby uzyskać miedź blister o zawartości ołowiu poniżej 0,3%. Dąży się do tego, aby proces polegał na utlenianiu ołowiu i żelaza w obecności krzemionki, w efekcie czego otrzymywano miedź blister oraz żużel, który zawierał około 90% ołowiu zawartego w pierwotnym stopie. Miedź blister zawierała także 1_2% arsenu, który musiał być usunięty w następnym etapie procesu otrzymywania miedzi, jakim jest rafinacja ogniowa.

Obecnie metoda konwertorowania składa się z dwóch integralnych etapów.

W pierwszym etapie następuje utlenianie żelaza, ołowiu, miedzi i arsenu zgodnie z reakcjami:

[Fe]_CuPbFe + 0,5O₂ = (Feo)_żużel

3(FeO)_żużel + 0,5O₂ = (Fe₃O₄)_żużel

[Pb]_CuPbFe + 0,5O₂ = (PbO)_żużel

2[Cu]_CuPbFe + 0,5O₂ = (Cu₂O)_żużel

2[As]_CuPbFe + 2,5O₂ = (As₂O₅)_żuęl

Obecność dodanego CaO ułatwia tworzenie się żużla zasadowego, który posiada bardzo pożądane własności. Żużel tego typu rozpuszcza mniej Cu i Pb aniżeli żużel krzemianowy, a równocześnie arsen przechodzi do niego w znacznych ilościach. W obecności żużla zasadowego (ferrytowego) i koksu następuje redukcja utlenionych uprzednio: ołowiu, żelaza i miedzi, przy czym - ze względu na lotność - Pb i PbO przechodzą w dużym stopniu do pyłów:

(PbO) + C = {Pb} + {CO}

(Cu₂O) + C = 2[Cu]_Cu + {CO}

(FeO) + C = [Fe]_Cu + {CO}

Drugi etap konwertorowania zaczyna się wówczas, gdy stężenie ołowiu zbliża się do takiej wartości, że coraz więcej miedzi ulega utlenieniu. Wówczas zlewa się żużel z pierwszego etapu i dodaje piasku kwarcytowego celem obniżenia aktywności PbO w żużlu i tym samym stworzenia warunków do obniżenia koncentracji ołowiu w miedzi do poziomu poniżej 0,3%.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Odważyć 1000g stopu Cu-Fe-Pb o znanym składzie i wprowadzić go do nagrzanego wcześniej tygla umieszczonego w pionowym piecu sylitowym nagrzanym do 1250 - 1300^oC

2. Obliczyć ilość powietrza potrzebną do utlenienia ołowiu oraz żelaza przyjmując 30% jego nadmiar w stosunku do ilości teoretycznej

3. Obliczyć ilość krzemionki - piasku, (z uwzględnieniem jego składu) potrzebną do związania tlenków ołowiu oraz żelaza zakładając, że produktami są: krzemian PbO*SiO₂ oraz fajalit 2FeO*SiO₂

4. po stopieniu stopu Cu-Fe-Pb pobrać kwarcową rurką próbkę stopu i wykonać szlif metalograficzny, który następnie należy oglądnąć pod mikroskopem, oraz wykonać próbkę twardości na zginanie

5. przez zanurzoną w topie lancę wdmuchiwać obliczoną ilość powietrza utrzymując jego przepływ w ilości 1- 2 l/min.,

6. odważoną ilość krzemionki podzielić na cztery porcje i wprowadzić je do topu w równych odstępach czasu

7. w trakcie utleniania w równych odstępach czasowych (przed dodaniem kolejnej porcji krzemionki) pobrać cztery próbki stopu, wykonać szlify i oglądnąć je pod mikroskopem, oraz wykonać próbę twardości na zginanie

8. po zakończeniu konwertorowania wyjąć z metalu lancę a następnie wyjąc tygiel z pieca i po ostudzeniu przeprowadzić identyfikację produktów

Obliczenia:

Skład stopu Cu-Fe-Pb:

Cu - 85,50%

Pb - 5,00%

Fe - 6,5%

S - 0,25%

Skład krzemionki:

SiO₂ - 92,0%

Fe₂O₃ - 5,0%

Al₂O₃ - 2,0%

Inne -1,0%

Obliczenie ilości powietrza potrzebnej do przeprowadzenia procesu konwertorownia stopu Cu-Fe-Pb

Zachodzące reakcje utleniania:

S+O₂= SO₂

Pb + ½ O₂ = PbO

Fe + ½ O₂ = FeO

1. Masa tlenu potrzebna do utlenienia siarki:

S + O₂ = SO₂

• - 32

2,5 - x x = 2,5

2. Masa tlenu potrzebna do utlenienia ołowiu:

Pb + 1/2O₂ = PbO

• - 16

50 - x x = 3,86

3. Masa tlenu potrzebna do utlenienia żelaza:

Fe + 1/2O₂ = FeO

55,8 - 16

65 - x x = 18,63

Masa tlenu potrzebna do przeprowadzenia procesu:

m_O2=2,5+3,86+18,63=24,99 [g]

32 - 22,4

24,99 - x x = 17,5 [dm³] - ilość O₂

21 - 17,5

79 - x x = 65,8 [dm³] - ilość N₂

Tlen = O₂ + N₂ = 17,5 + 65,8 = 83,3 dm³

Tlen z nadmiarem 30 %:

83,3 - 100%

x - 30% x = 24,99

Tlen (130%) = 83,3 + 24,99 = 108,3 - Ilość powietrza potrzebna do przeprowadzenia próby

Obliczenie ilości krzemionki potrzebnej do przeprowadzenia tlenków żelaza i ołowiu do żużla w postaci krzemianów:

Zachodzące reakcje:

PbO + SiO₂ = PbO.SiO₂

2FeO + 2SiO₂ = 2FeO.SiO₂

Pb + 1/2O₂ = PbO

207 - 223

50 - x x = 53,86g

Fe + 1/2O₂ = FeO

55,8 - 71,8

65 - x x = 83,6g

1. Masa krzemionki potrzebna do związania tlenku ołowiu:

223 [g]_PbO - 60 [g]_SiO2

53,86 [g]_PbO - x[g] _SiO2

m _{SiO2 (PbO. SiO2)} = 14,49[g]

2. Masa krzemionki potrzebna do związania tlenku żelaza:

55,8 [g]_FeO - 60 [g]_SiO2

83,6[g]_FeO - x[g] _SiO2

m_{SiO2 (2FeO.SiO2)} = 69,86[g]

3. Całkowita masa krzemionki potrzebna do przeprowadzenia procesu:

m _SiO2 = 14,49[g] _SiO2 + 69,86[g] _SiO2

m _SiO2 = 84,35 [g]

84,35 - 92%

x - 100% x = 91,7g = 92 g - ilość krzemionki którą musimy dodać

Etapy konwertorowania:

1. próbka - krucha (brak krystalizacji, występują wydzielenia)

2. próbka - krucha ( podobna do próbki poprzedniej)

3. próbka - bardzo krucha

4. próbka - łatwo łamliwa o szarym przekroju

5. próbka - krucha o szarym przekroju

6. próbka - krucha o szarym przekroju, nadal widoczne wydzielenia

Zmiana entalpii swobodnej dla reakcji :

a) Utleniania miedzi

4Cu + O2(g) = 2Cu2O		deltaS	deltaG	K	Log(K)
T	deltaH
C	kcal	cal/K	kcal
1200,000	-91,042	-42,451	-28,505	1,695	4,229
1210,000	-90,988	-42,415	-28,081	1,375	4,138
1220,000	-90,933	-42,377	-27,657	1,118	4,048
1230,000	-90,876	-42,339	-27,233	9,118	3,960
1240,000	-90,817	-42,300	-26,810	7,458	3,873
1250,000	-59,786	-21,842	-26,518	6,386	3,805
1260,000	-59,709	-21,792	-26,300	5,615	3,749
1270,000	-59,633	-21,742	-26,082	4,945	3,694
1280,000	-59,556	-21,692	-25,865	4,364	3,640
1290,000	-59,480	-21,643	-25,648	3,857	3,586
1300,000	-59,404	-21,595	-25,432	3,415	3,533
Formula	FM	Conc.	Amount	Amount	Volume
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
Cu	63,546	88,819	4,000	254,184	28,368 ml
O2(g)	31,999	11,181	1,000	31,999	22,414
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
Cu2O	143,091	100,000	2,000	286,183	47,697 ml

b)Utleniania ołowiu

2Pb + O2(g) = 2PbO		deltaS	deltaG	K	Log(K)
T	deltaH
C	kcal	cal/K	kcal
1200	-88,243	-33,681	-38,626	538139,211	5,731
1210	-88,156	-33,622	-38,290	439201,377	5,643
1220	-88,069	-33,563	-37,954	359501,219	5,556
1230	-87,982	-33,506	-37,619	295106,427	5,470
1240	-87,896	-33,448	-37,284	242925,607	5,385
1250	-87,809	-33,391	-36,950	200520,895	5,302
1260	-87,723	-33,335	-36,616	165963,928	5,220
1270	-87,637	-33,279	-36,283	137724,807	5,139
1280	-87,550	-33,223	-35,950	114586,195	5,059
1290	-87,464	-33,168	-35,618	95576,681	4,980
1300	-87,379	-33,113	-35,287	79918,908	4,903
Formula	FM	Conc.	Amount	Amount	Volume
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
Pb	207,2	92,831791	2	414,4	36,530 ml
O2(g)	31,9988	7,1682092	1	31,9988	22,4136 ml
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
PbO	223,1994	100	2	446,3988	46,841 ml

c)reakcji tworzenia krzemianu PbSiO₃

PbO + SiO2 = PbSiO3		deltaS	deltaG	K	Log(K)
T	deltaH
C	kcal	cal/K	kcal
1200,000	-2,571	2,005	-5,525	6,604	0,820
1210,000	-2,589	1,993	-5,545	6,564	0,817
1220,000	-2,608	1,981	-5,565	6,526	0,815
1230,000	-2,626	1,968	-5,585	6,488	0,812
1240,000	-2,645	1,956	-5,605	6,450	0,810
1250,000	-2,663	1,944	-5,624	6,413	0,807
1260,000	-2,682	1,931	-5,643	6,376	0,805
1270,000	-2,701	1,919	-5,663	6,339	0,802
1280,000	-2,720	1,907	-5,682	6,303	0,800
1290,000	-2,739	1,895	-5,701	6,268	0,797
1300,000	-2,758	1,883	-5,720	6,233	0,795
Formula	FM	Conc.	Amount	Amount	Volume
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
PbO	223,199	78,790	1,000	223,199	23,420 ml
SiO2	60,084	21,210	1,000	60,084	23,109 ml
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
PbSiO3	283,284	100,000	1,000	283,284	0 ml

d) reakcji tworzenia krzemianu FeSiO₃

FeO + SiO2 = FeSiO3		deltaS	deltaG	K	Log(K)
T	deltaH
C	kcal	cal/K	kcal
1200,000	-4,545	-1,733	-1,992	1,975	0,296
1210,000	-4,533	-1,725	-1,975	1,954	0,291
1220,000	-4,521	-1,717	-1,957	1,934	0,287
1230,000	-4,508	-1,708	-1,940	1,915	0,282
1240,000	-4,496	-1,700	-1,923	1,896	0,278
1250,000	-4,483	-1,692	-1,906	1,877	0,274
1260,000	-4,470	-1,683	-1,889	1,859	0,269
1270,000	-4,457	-1,674	-1,873	1,842	0,265
1280,000	-4,443	-1,666	-1,856	1,825	0,261
1290,000	-4,429	-1,657	-1,839	1,808	0,257
1300,000	-4,415	-1,648	-1,823	1,792	0,253
Formula	FM	Conc.	Amount	Amount	Volume
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
FeO	71,846	54,458	1,000	71,846	11,9744 ml
SiO2	60,084	45,542	1,000	60,084	23,109 ml
	g/mol	wt-%	mol	g	l or ml
FeSiO3	131,931	100,000	1,000	131,931	0 ml

Bilans materiałowy

Przychód [g]	Rozchód [g]
Stop Cu-Fe-Pb 1000 Krzemionka 92 Powietrze 154,7	Cu konwertorowa 842,3 Pyły 2,5 Żużel 257,92 Gazy 124 Różnica 20
Suma 1246,7	1246,7

Wnioski:

Po przeprowadzeniu procesu konwertorownia stopu Cu-Fe-Pb uzyskano miedź blister oraz żużel. Stopień wykorzystania tlenu z powietrza był mniejszy niż założyliśmy. Podczas całego tego ćwiczenia nie przereagował wszystek Pb.

---