Metalurgia metali nieżelaznych

Temat: Układ równowagi Cu-Fe-S

Joniec Marek

Jochymek Łukasz

Białko Krzysztof

Rok 3 Gr.1.Zespół 2

1.Wstęp:

Siarczkowe rudy miedzi po uprzednim kruszeniu i mieleniu poddaje się procesowi flotacji, którego celem jest oddzielenie od koncentratu skały płonnej. Koncentrat po wysuszeniu kieruje się do procesu wytapiania kamienia miedziowego. W wyniku tego procesu uzyskuje się dwie fazy: siarczkową i tlenkową. Fazę siarczkową stanowi kamień miedziowy, a fazę tlenkową żużel. Rozdział tych faz następuje na zasadzie różnicy gęstości, przy czym górną warstwę stanowi żużel, a dolną kamień. Do kamienia miedziowego przechodzi praktycznie cała miedź zawarta w koncentracie (przy zawartości 40℅ Cu w kamieniu miedziowym, zawartość Cu w żużlu wynosi ok. 0,4℅).

Kamień miedziowy jest stopem siarczku miedzi z siarczkiem żelaza (Cu₂S z FeS) oraz pewnej ilości trudno rozpuszczalnych domieszek tj.: Fe₃O₄, Au, Ag, As, Sb, Bi, oraz wielu innych. Zawartość miedzi w kamieniu miedziowym waha się w granicach 10÷60℅.

Skład kamieni miedziowych można wyznaczyć z układu potrójnego Cu-Fe-S przy założeniu, że w kamieniu występują tylko te trzy składniki:

Koncentraty poddawane procesowi wytopu kamienia miedziowego zawierają w sobie zawsze większą niż to jest konieczne ilość siarki. Naddatek ten zostaje jednak odprowadzony w trakcie procesu. Zawartość siarki nie może, więc przekraczać, linii Cu₂S-FeS.

Ze względu na ograniczoną rozpuszczalność w stanie ciekłym Cu₂S w czystym Cu w powyższym układzie potrójnym występuje obszar dwóch niemieszających się cieczy, z których pierwszą stanowi roztwór Cu-Fe, a drugą roztwór Cu₂S-FeS. Z przesyconego roztworu Cu-Fe może wytrącić się żelazo w postaci stałej ze względu na swą wysoką temperaturę topnienia (1539^oC).

2.Wykonanie ćwiczenia:

1. Przygotować trzy próbki o masach 3 [g] z następujących składników: Cu₂S, FeS, Cu, Fe według wyznaczonych punktów układu Cu-Fe-S podanych przez prowadzącego.

2. Przygotowane próbki umieścić w tyglu grafitowym i topić pod przykryciem w piecu w temperaturze 1200-1300 ^oC przez okres ok. 1 godziny.

3. Po stopieniu i ostudzeniu wykonać szlify metalograficzne, a następnie przeprowadzić obserwacje mikroskopowe badanych próbek.

3.Opracowanie wyników:

Wyznaczenie poszczególnych mas składników próbek:

M_Cu=63,5 [g/mol] M_Fe=55,8 [g/mol] M_S=32 [g/mol]

Próbka 1: m=3 [g] Cu=48% Fe=26% S=26%

m_Cu=1,44 [g] m_Fe=0,78 [g] m_S=0,78 [g]

Cu₂S:

2*63,5 [g] _Cu - 32 [g] _S

1,44 [g]_Cu - m_S(Cu2S)

m_S(Cu2S)= 1,44 [g]_Cu * 32 [g] _S/ 2 * 63,5 [g] _Cu

m_S(Cu2S)= 0,36[g]

m_Cu2S= m_Cu + m_S(Cu2S)

m_Cu2S= 1,44 [g] + 0,36[g]

m_Cu2S= 1,8 [g]

FeS:

m_S(FeS)= m_S - m_S(Cu2S)

m_S(FeS)= 0,78 [g] - 0,36 [g] =0,42 [g]

m_FeS= m_S(FeS) + m_Fe

m_FeS= 0,42 [g] + 0,78 [g]

m_FeS=1,2 [g]

Próbka 2: m=3 [g] Cu=15% Fe=55% S=30%

m_Cu=0,45 [g] m_Fe=1,65 [g] m_S=0,9 [g]

Cu₂S:

2*63,5 [g] _Cu - 32 [g] _S

0,45 [g]_Cu - m_S(Cu2S)

m_S(Cu2S)= 0,45 [g]_Cu * 32 [g]_S/ 2 * 63,5 [g]_Cu

m_S(Cu2S)= 0,11[g]

m_Cu2S= m_Cu + m_S(Cu2S)

m_Cu2S= 0,45 [g] + 0,11 [g]

m_Cu2S= 0,56 [g]

m_S(FeS)= m_S - m_S(Cu2S)

m_S(FeS)= 0,9 [g] - 0,11 [g] = 0,79 [g]

FeS:

55,8 [g]_Fe - 32 [g]_S

m_Fe(FeS) - 0,79 [g]_S

m_Fe(FeS) = 55,8 [g]_Fe * 0,79 [g] _S / 32 [g]_S

m_Fe(FeS) = 1,38 [g]

m_FeS = m_Fe(FeS) + m_S(FeS)

m_FeS = 1,38 [g] + 0,79 [g]

m_FeS =2,17 [g]

m_Fe = 1,65 [g] - m_Fe(FeS)

m_Fe = 1,65 [g] - 1,38 [g]

m_Fe =0,27 [g]

Próbka 3: m=3 [g] Cu=80% Fe=7% S=13%

m_Cu=2,4 [g] m_Fe=0,21 [g] m_S=0,39 [g]

FeS:

55,8 [g]_Fe - 32 [g]_S

0,21 [g]_Fe - m_S(FeS)

m_S(FeS) = 0,21 [g]_Fe * 32 [g]_S / 55,8 [g]_Fe

m_S(FeS) =0,12 [g]

m_FeS = m_Fe + m_S(FeS)

m_FeS = 0,21 [g] + 0,12 [g]

m_FeS = 0,33 [g]

m_S(Cu2S)= m_S - m_S(FeS)

m_S(Cu2S)= 0,39 [g] - 0,12 [g]

m_S(Cu2S)= 0,27 [g]

Cu₂S:

2*63,5 [g] _Cu - 32 [g]_S

m_Cu(Cu2S) - 0,27 [g]_S

m_Cu(Cu2S) = 2*63,5 [g] _Cu * 0,27 [g]_S / 32 [g]_S

m_Cu(Cu2S) = 1,07 [g]

m_Cu2S = m_Cu(Cu2S) + m_S(Cu2S)

m_Cu2S = 1,07 [g] + 0,27 [g]

m_Cu2S = 1,34 [g]

m_Cu= 2,4 [g] - m_Cu(Cu2S)

m_Cu= 2,4 [g] - 1,07 [g]

m_Cu= 1,33 [g]

4.Otrzymane wyniki: Próbka 1:

Stopiono	%	masa [g]	Otrzymano	%		masa [g]
Cu2S	60	1,8	S	12	26	0,36	0,78
FeS	40	1,2	S	14				0,42
Cu	-	-	Cu	48		1,44
Fe	-	-	Fe	26		0,78
Suma	100	3	Suma	100		3

Próbka 2:

Stopiono	%	masa [g]	Otrzymano	%		masa [g]
Cu2S	18,7	0,56	S	3,7	30	0,11	0,9
FeS	72,3	2,17	S	26,3				0,79
Cu	-	-	Cu	15		0,45
Fe	9	0,27	Fe	55		1,65
Suma	100	3	Suma	100		3

Próbka3:

Stopiono	%	masa [g]	Otrzymano	%		masa [g]
Cu2S	44,7	1,34	S	9	13	0,27	0,39
FeS	11	0,33	S	4				0,12
Cu	44,3	1,33	Cu	80		2,4
Fe	-	-	Fe	7		0,21
Suma	100	3	Suma	100		3

4.Wyniki obserwacji:

Próbka 1:

Próbka 2:

Próbka3:

6. Wnioski:

Pseudopodwójny układ równowagi Cu₂S-FeS_1,05:

Układ potrójny Cu-Fe-S pozwala na określenie rodzaju produktów powstałych w procesie wytopu kamienia miedziowego. Strukturę stopu siarczków można określić z wyżej przedstawionego układu pseudopodwójnego Cu₂S-FeS_1,05.

Procesowi wytopu kamienia miedziowego poddano trzy próbki o różnych składach chemicznych. Skład pierwszej próbki znajdował się na prostej, na której istnieją tylko siarczki metali (prosta Cu₂S-FeS). Po przetopieniu otrzymano mieszaninę Cu₄FeS₃ i FeS. Z obserwacji wynika, że z roztworu wykrystalizowała (ze względu na dużą zawartość) również miedź.

Próbka druga miała skład z zakresu współistnienia kamienia miedziowego ze stałym żelazem.

Po przetopieniu i ostudzeniu stop zawierał eutektyktykę Cu₄FeS₃ i FeS. Nadmiar żelaza został najprawdopodobniej rozpuszczony w FeS.

Skład chemiczny próbki trzeciej znajdował się w polu ograniczonym krzywą binoidalną, czyli w zakresie współistnienia dwóch niemieszających się cieczy. Ciecz górną stanowiła mieszanina siarczków Cu₄FeS₃ i Cu₂S a ciecz dolną stop Cu-Fe. Rozdział tych faz ciekłych jest możliwy ze względu na różnice w ich gęstościach. Z obserwacji wynika, że podczas krystalizacji ze stopu wytrąciła się również miedź

Praktyczny skład kamieni miedziowych jest zbliżony do składu próbki pierwszej. Ograniczoną rozpuszczalność Cu₂S w Cu, która występuje przy próbce trzeciej wykorzystuje się podczas procesu konwertorownia kamienia miedziowego, który jest kolejnym etapem w szeregu operacji mających na celu uzyskanie miedzi metalicznej o jak najniższej ilości zanieczyszczeń.

---