Solubility of high melting temperature oxides (CaO, Al2O3, Cr2O3) in copper oxide liquid

Abstract

Thermodynamic databases consisting of carefully acquired phase equilibrium and thermochemical data for oxide systems are an invaluable tool towards optimization and improved control of current copper making processes. Fluxing, which is the main control procedure in copper smelting processes can be fully optimized by employing an accurate thermodynamic database. The result of optimization is a controlled process, which is both efficient in utilization of input materials and versatile to continually changing raw materials. Because a thermodynamic database for metal making processes cannot be modelled solely from first principle calculations, experimental phase equilibrium data is critical in obtaining a consistent database relevant for industrial applications. In this study, an equilibration and quenching technique was adapted to acquire experimental phase equilibria data for selected systems in temperature and composition ranges either poorly known or not previously investigated. For the system Cu-O-CaO in oxidizing conditions, new experimental liquidus data between 1300 and 1500 deg C are presented in this study. In the system Cu-O-CaO-Al2O3, experimental phase equilibria of the triple points of the system by the quenching technique are presented for the first time. Prior to this study, phase equilibria of the system Cu-O-CaO-Al2O3 has not been experimentally studied, otherwise equilibria of the system was estimated by extrapolations. The liquidus of the system Cu-O-Cr2O3 has also been investigated by the equilibration technique for the first time. Experimental results of this thesis reveal that liquidus data for simple oxide systems of copper are poorly known and currently insufficient to accurately predict higher order systems. The experimental phase equilibria data acquired in this dissertation will improve prediction of high order oxide systems for process metallurgy.

Termodynaamiset tietokannat, jotka sisältävät huolellisesti mitattua faasitasapainodataa ja termodynaamisia ainearvoja oksidisysteemeille, ovat korvaamattomia työkaluja kuparin valmistusmenetelmien optimoinnissa ja prosessin parantamisessa. Fluksaus, joka on kuparin sulatuksen pääasiallinen hallintamenetelmä, voidaan optimoida käyttämällä näitä tarkkoja termodynaamisia tietokantoja. Optimoinnin tuloksena saavutetaan hallittu valmistusmenetelmä joka on sekä tehokas syötemateriaalin käytössä, että joustava pystyen vastaamaan jatkuvasti vaihtuviin raaka-aineisiin. Koska termodynaamista tietokantaa metallinvalmistusmenetelmiä varten ei voida mallintaa puhtaasti laskennallisesti, kokeellinen faasitasapainodata on kriittistä yhtenäisen, teollisille sovelluksille merkityksellisen tietokannan kehittämiselle. Tässä työssä sovellettiin tasapainotus- ja sammutusmenetelmää faasitasapainodatan mittaamiseksi valituille systeemeille ennestään tuntemattomilla lämpötila- ja koostumusalueilla. Tässä työssä on mitattu uusia tasapainoarvoja Cu-O-CaO-systeemissä hapettavissa olosuhteissa lämpötilavälillä 1300 deg C - 1500 deg C. Cu-O-Al2O3-CaO-systeemin faasitasapainoa kolmoispisteissä mitattiin tässä työssä ensimmäistä kertaa sammutusmenetelmällä. Aikaisemmissa malleissa systeemin faasitasapainot on arvioitu ekstrapoloimalla kokeellisen tiedon puutteen takia. Myös Cu-O-Cr2O3-systeemin likvidusta on tutkittu sammutus- ja tasapainotusmenetelmällä ensimmäistä kertaa. Väitöstyön kokeelliset tulokset paljastavat, että yksinkertaisten kuparioksidisysteemien likvidus on huonosti tunnettu ja tällä hetkellä riittämätön mahdollistaakseen monikomponenttisten systeemien tarkan ennustamisen. Tässä väitöstyössä saadut tulokset parantavat monikomponenttisten oksidisysteemien ennustuksen luotettavuutta prosessimetallurgiassa.