Влияние кинетики высокотемпературного окисления меди на электротехнические свойства расплава

Кинетика высокотемпературного окисления меди различного химического состава кислородом газовой фазы протекает по параболическому закону окисления в температурном интервале 350–1050 °С. Для специалистов, занимающихся теорий и практикой огневого рафинирования, интересна кинетика высокотемпературного окисления меди в более широком температурном диапазоне 350–1160 °С, в пределах которого осуществляются окисление твердой меди и ее плавление, окисление жидкой меди кислородом воздуха, вводимого в расплав, растворимость в ней кислорода, процесс шлакообразования. Продолжительность высокотемпературного взаимодействия меди с кислородом оказывает большое влияние на технико-экономические показатели анодной плавки и электротехнические свойства меди. Поэтому исследование кинетики высокотемпературного окисления меди и влияния ее на электротехнические свойства металла имеет принципиальное значение для оптимальной организации огневого рафинирования. В температурном интервале 1100–1200 °С окисление меди осуществляется преимущественно за счет кислорода воздуха, вводимого в расплав. Образовавшийся оксид меди (I) перемещается из зоны непосредственного контакта с газообразным кислородом в глубину расплава c низкой концентрацией кислорода и диссоциирует на медь и кислород, что способствует повышению концентрации кислорода в расплаве. Переокисление меди и чрезмерное насыщение анодного металла газами приводят к переводу ее в шлак в виде оксидов, перерасходу материальных ресурсов и огнеупорных материалов и оказывают отрицательное влияние на электротехнические свойства металла. Для поиска оптимальных режимов окисления и оценки влияния кинетики окисления меди на электротехнические свойства расплава проведен сопоставимый анализ кинетических закономерностей окисления твердой и жидкой меди различного химического состава, полученной в одинаковых условиях эксперимента, методом дифференциально-термогравиметрического анализа (ДТА) и путем поверхностного обдува воздушной смесью медного расплава. Проведенные исследования показали, что образцы меди окисляются практически с одинаковой скоростью и наличие примесей не влияет на этот процесс. Весь кислород, предназначенный для образования оксида меди (I), растворяется в нем до предела термодинамического ограничения (до 12 % Cu2O). Установлено, что наличие кислорода в расплаве больше 0,06 % отрицательно влияет на электротехнические свойства меди. 

1. Белоусов В.В., Климашин А.А. Высокотемпературное окисление меди. Успехи химии. 2013;3:3—6.

2. Белоусов А.А., Пастухов Е.А., Алешина С.Н. Влияние температуры, парциального давления кислорода на кинетику окисления жидкой меди. Расплавы. 2003;2:3—6.

3. Лисиенко В.Г., Холод С.И. Чесноков Ю.Н., Рогачев В.В., Киселев В.В. Устройство для производства анодной меди: Патент 2779418 (РФ). 2022.

4. Жуков В.П., Холод С.И., Демин А.И., Меньшиков В.А. Исследование кинетики окисления меди методом дифференциально-термографического анализа. В сб.: Современные тенденции в области теории и практики добычи и переработки минерального и техногенного сырья (06—07 ноября 2024) г. Екатеринбург: АО «Уралмеханобр», 2024. С. 284—287.

5. Ферапонтов Ю.А., Путин С.Б., Ферапонтова Л.Л., Путин П.Ю. Исследование кинетики топохимических процессов неизотермическом режиме дериватографическим методом. Вестник ТГТУ. 2009;15(14):826—834.

6. Иванич Л., Кочовски Б. Исследование кинетики переноса кислорода в меди. Цветные металлы. 1997;9:24—25.

7. Сафаров Д. Д. Кинетика окисления сплавов на основе меди газовой фазой переменного состава: Дис. канд. хим. наук. Свердловск: ИМЕТ УрО РАН, 1983.

8. Martin T., Utigard T. The kinetigs and mechanism of molten copper oxidation by top blowing of oxygen. Journal of Metals. 2005;2:58—62.

9. Barton R.G., Вrimасоmbе J.K.. Influence of surface tensiоп-drivеn flоw оf the kinetics of охуgеn absorption in molten copper. Metallurgical Transactions A. 1977;8 В:417—427.

10. Лямкин С.А., Танутров И.Н., Свиридова М.Н. Кинетика окисления расплавленной меди кислородом газовой фазы. Расплавы. 2013; 2: 83 — 89.

11. Gerlach J., Schneider N., Wuth W. Oхуgеn absorption during blowing of molten Cu. Journal of Metals. 1972;25(11):1246—1251.

12. Аветесян А.А., Чатилян А.А., Харатян С.Л. Кинетические особенности начальных стадий высокотемпературного окисления меди. Химический журнал Армении. 2013;3:407—415.

13. Ловшенко Г. Ф., Хина Б. Б. Макрокинетическая математическая модель внутреннего окисления сплавов на основе меди при отжиге механически легированных композиций системы Cu—Al—CuO. Вестник Белорусско-Российского университета. 2006;4(13):119—127.

14. Warrczok A., Thorstein A. Reaction rate between carbon dioxide and graphite. Steel Research International. 2000;71(8):277—280.

15. Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах. М.: Металлургия, 1980. 712 с.

16. Брюквин В.А., Задиранов А.Н., Леонтьев В.Г., Цыбин О.И. Взаимодействие расплавов металлической меди с паровоздушными газовыми смесями применительно к задачам технологии их рафинирования от примесей. Цветные металлы. 2003;5:34—36.

17. Davenport W.G., King M., Schlesinger M., Biswas A.K. Extractive metallurgy of copper. Oxford: Elsever Sciense Ltd., 2002;452.

18. Biswas A.K., Davenport W.G. Extractive metallurgy of copper. Oxford: Pergamon, 1996. 441 p.

19. Gerlach J., Herfort P. The rate of oxyden uptake by molten copper. Journal of Metals. 1968;22(11):1068—1090.

20. Gerlach J., Schneider N., Wuth W. Oxyden absorption during blowing of molten Cu. Journal of Metals. 1972;25(11):1246—1251.

21. Frohne O., Rottmann G. Wuth W. Processing speeds in the pyrometallurgical refining of Cu by the top-blowing process. Journal of Metals. 1973;27(11):1112—1117.

22. Вольхин А.И., Елисеев Е.И., Жуков В.П., Смирнов Б.Н. Анодная и катодная медь. Челябинск: Юж.-Ур. кн. изд-во, 2001. 431 с.

23. Аглицкий В.А. Рафинирование меди. М.: Металлургия, 1971. 184 с.

24. Coursol Р., Valencia C.N., Mackey V.Р., Bell S., Davis B. Minimizationof copper losses in copper smelting slag during electric furnace treatment. Journal of Metals. 2012;64(11):1305—1313. https://doi.org/10.1007/s11837-012-0454-6

25. Namil Um, Seon-Oh Park, Cheol-Woo Yoon, Tae-Wan Jeon. A pretreatment method for effective utilization of copper product manufacturing waste. Environmental Chemical Engineering. 2021;9(4):105—109.

26. Задиранов А.Н., Мещеряков А.В., Малькова М.Ю., Нурмагомедов Т.Н., Дегтярев С.В., Григорьевская И.И., Грушева Т.Г., Ерошенко В.О. Обеспечение эффективности рафинирования расплава медных ломов паровоздушной смесью на основе математического моделирования и экспериментальных исследований. Металлург. 2023;3:101—107. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_03_101