氧化氣氛

近年來, 作為鍊鋼原料的廢鋼, 其中有害殘餘元素越來越高, 一旦進入鋼的冶煉環節, 用常規方法難以去除, 嚴重影響鋼的質量, 其中銅的影響最為嚴重。研究如何有效去除並回收廢鋼中有害殘餘元素銅的方法已引起世界各國冶金工作者的關注。

傳統的廢鋼脱銅方法有稀釋法、優先熔化法和物理分離法。近年來, 冶金工作者又提出一些新方法, 如氣—固反應法、融鋁去銅法、冰銅反應法, 以及日本東京工業大學松丸等人提出的O2 -Cl2 混合氣體去除廢鋼中銅等方法。

根據氯化冶金原理, 以空氣(Air)-氯氣(Cl2)混合氣體為氯化劑處理含銅廢鋼, 進行了一系列實驗室研究, 取得較為滿意的效果。將對氧化氣氛下銅的氯化機理進行分析, 獲得基本的動力學參數 ^[1]  。

在一定温度下, 將28mm×10mm ×3mm 的紫銅板(8 g)放入可控温電阻爐恆温區, 保持Air 和Cl2 以相同的壓力進入混氣球, 並控制Air 和Cl2 流量比, 將其混合後通入爐膛中, 反應到一定的時間後迅速取出, 通高純N2 保護並冷卻至室温, 用大量清水浸泡試樣, 使粘附其上的銅的氯化物溶解, 乾燥後稱重。

實驗現象:在反應過程中, 爐內排出大量棕黃色氣體, 並可觀察到尾氣管道內壁粘附有大量棕黃色粉末狀物質, 長時間置於空氣中, 此棕黃色粉末逐漸變為白色, 並進一步變為淡綠色, 將其熔於水, 溶液呈淡蘭色, 並在實驗過程中發現爐管開口處有液態CuCl ^[2]  。

銅在氧氣的作用下生成CuO , 並進一步氯化成CuCl(l)。在高温下, 生成的CuCl(l)具有很高蒸汽壓, 生成的Cu-Cl3(g)隨爐氣排出反應體系, 所以氧化氣氛下銅的氯化可視為一級不可逆反應。因此, 可利用含Cl2 的氧化性氣體, 控制適當的氧勢和氯勢處理含銅廢鋼, 使鐵生成不易與Cl2(g)反應的氧化物薄層, 而銅生成具有高揮發性的銅的氯化物, 實現銅與廢鋼的分離。

(1)氧化氣氛下銅的氯化歷程為:銅在氧氣的作用下生成CuO , 並進一步氯化成CuCl(l), 在高温下,CuCl(l)蒸發成Cu3Cl3(g)。

(2)氧化氣氛下銅的氯化過程是以O2 為催化劑的循環催化反應。

(3)氧化氣氛下銅的氯化反應為一級不可逆反應, 其表觀反應級數為1 , 表觀活化能為3 460J/mol , 表觀頻率因子為1 .9 ×10-3kg/m2·s 。

(4)利用氧化氣氛下, 銅氯化成具有高揮發性的銅的氯化物的特點, 控制適當的氧勢和氯勢, 可實現銅與廢鋼的分離。

(5)通過線性迴歸獲得了銅在氧化氣氛下氯化過程的速率方程式為:υ=1 .9 ×10-3 exp(-3460/(RT))(VCl2 %), 為分析廢鋼脱銅的動力學奠定了基礎 ^[3]  。