[科普中国]-氧化气氛

简介

近年来, 作为炼钢原料的废钢, 其中有害残余元素越来越高, 一旦进入钢的冶炼环节, 用常规方法难以去除, 严重影响钢的质量, 其中铜的影响最为严重。研究如何有效去除并回收废钢中有害残余元素铜的方法已引起世界各国冶金工作者的关注。

传统的废钢脱铜方法有稀释法、优先熔化法和物理分离法。近年来, 冶金工作者又提出一些新方法, 如气—固反应法、融铝去铜法、冰铜反应法, 以及日本东京工业大学松丸等人提出的O2 -Cl2 混合气体去除废钢中铜等方法。

根据氯化冶金原理, 以空气(Air)-氯气(Cl2)混合气体为氯化剂处理含铜废钢, 进行了一系列实验室研究, 取得较为满意的效果。将对氧化气氛下铜的氯化机理进行分析, 获得基本的动力学参数1。

氧化气氛实验及其结果在一定温度下, 将28mm×10mm ×3mm 的紫铜板(8 g)放入可控温电阻炉恒温区, 保持Air 和Cl2 以相同的压力进入混气球, 并控制Air 和Cl2 流量比, 将其混合后通入炉膛中, 反应到一定的时间后迅速取出, 通高纯N2 保护并冷却至室温, 用大量清水浸泡试样, 使粘附其上的铜的氯化物溶解, 干燥后称重。

实验现象:在反应过程中, 炉内排出大量棕黄色气体, 并可观察到尾气管道内壁粘附有大量棕黄色粉末状物质, 长时间置于空气中, 此棕黄色粉末逐渐变为白色, 并进一步变为淡绿色, 将其熔于水, 溶液呈淡兰色, 并在实验过程中发现炉管开口处有液态CuCl 2。

应用铜在氧气的作用下生成CuO , 并进一步氯化成CuCl(l)。在高温下, 生成的CuCl(l)具有很高蒸汽压, 生成的Cu-Cl3(g)随炉气排出反应体系, 所以氧化气氛下铜的氯化可视为一级不可逆反应。因此, 可利用含Cl2 的氧化性气体, 控制适当的氧势和氯势处理含铜废钢, 使铁生成不易与Cl2(g)反应的氧化物薄层, 而铜生成具有高挥发性的铜的氯化物, 实现铜与废钢的分离。

总结(1)氧化气氛下铜的氯化历程为:铜在氧气的作用下生成CuO , 并进一步氯化成CuCl(l), 在高温下,CuCl(l)蒸发成Cu3Cl3(g)。

(2)氧化气氛下铜的氯化过程是以O2 为催化剂的循环催化反应。

(3)氧化气氛下铜的氯化反应为一级不可逆反应, 其表观反应级数为1 , 表观活化能为3 460J/mol , 表观频率因子为1 .9 ×10-3kg/m2·s 。

(4)利用氧化气氛下, 铜氯化成具有高挥发性的铜的氯化物的特点, 控制适当的氧势和氯势, 可实现铜与废钢的分离。

(5)通过线性回归获得了铜在氧化气氛下氯化过程的速率方程式为:υ=1 .9 ×10-3 exp(-3460/(RT))(VCl2 %), 为分析废钢脱铜的动力学奠定了基础3。