Reduction of cuprous oxide by hydrogen

Abstract

This thesis examines the reduction of cuprous oxide by hydrogen. Cuprous oxide (CU₂O) is an intermediate product derived from the HydroCopper&#174 process. The goal of this thesis was to determine the optimal reduction time and temperature from an industrial and economic perspective. In addition, the properties of cuprous oxide and copper powders were researched using flow, apparent density, compressibility and sintering tests.

The theoretical section of the thesis reviews the properties of cuprous oxide and earlier studies related to this subject. In addition, it reviews the HydroCopper&#174 process as well as the thermodynamic and kinetic properties of the chemical reaction. The tests used in the experimental part are also discussed.

The experimental section discusses the powders and equipment used in the tests, the test processes itself, and the results that were obtained. Furnace tests were carried out at a temperature of 300-550°C and a reaction time of 1-6 hours. The particle size of the powders used was between 10-40 µm. The tests revealed that most of the reduction occurred in the first hour. The reduction rate grew when the temperature was increased, as did the hardness of the formed agglomerates. Agglomerates that were formed at temperatures of over 450°C were very hard so ideal reduction temperature should be below it.

The copper was analysed to determine its flow rate, apparent density and compressibility as well as its sinter ability in an Ar+H₂ atmosphere. The results were then compared to those presented in the literature. The copper powder had a poor flow rate, which was due to its small particle size and irregular particle shape. The measured apparent density was close to those values found in the literature. During sintering, residual oxygen from pressed samples was reduced and the samples expanded. According to the results, it is possible to manufacture copper powder in industrial scale by this method. However reduced powder requires more after treatment before using in traditional powder metallurgy applications.

Tässä diplomityössä on tutkittu HydroCopper&#174-prosessissa välituotteena syntyvän kupari(I)oksidin (CU₂O) pelkistystä vedyllä. Työn tavoitteena oli löytää kuparioksidin pelkistymiselle optimaalinen pelkistyslämpötila- ja aika tuotannolliselta ja taloudelliselta kannalta. Lisäksi tutkittiin kuparioksidijauheen ja pelkistämällä valmistetun kuparijauheen ominaisuuksia juoksevuus-, näennäistiheys-, puristuvuus- ja sintrautuvuustestein.

Työn alussa kirjallisessa osassa käsitellään kuparioksidin ominaisuuksia ja aikaisempia aiheeseen liittyviä tutkimuksia. Lisäksi käydään lävitse HydroCopper&#174 -prosessia ja käsitellään reaktioon liittyvää termodynamiikkaa ja kinetiikkaa. Lopuksi käsitellään kokeellisessa osassa käytettyjä testejä.

Diplomityön kokeellisessa osassa käsitellään kokeissa käytettyjä jauheita ja laitteistoa. Lisäksi kerrotaan kokeiden suorittamisesta ja saaduista tuloksista. Uunikokeet tehtiin lämpötilassa 300-550 °C ja reaktioaika vaihteli 1-6 tuntia. Kokeissa käytettyjen jauheiden partikkelikoko oli välillä 10-40 µm. Tutkimuksessa havaittiin, että suurin osa pelkistymisestä tapahtui ensimmäisen tunnin aikana. Lisäksi pelkistymisaste suureni lämpötilan kasvaessa, kuten myös syntyneiden agglomeraattien kovuus. Yli 450 °C lämpötilassa muodostuneet agglomeraatit olivat jo hyvin kovia, joten ideaalinen pelkistyslämpötila olisi alle sen.

Kuparijauheesta mitattiin juoksevuus, näennäistiheys ja puristuvuus. Lisäksi tutkittiin kuparijauheen sintrautuvuutta Ar+H₂ atmosfäärissä dilatometrissä. Tutkimuksesta saatuja tuloksia verrattiin kirjallisuusarvoihin. Jauheilla havaittiin olevan huono juoksevuus, joka johtuu niiden pienestä partikkelikoosta ja epäsäännöllisestä partikkelimuodosta. Mitattu kuparijauheen näennäistiheys oli lähellä kirjallisuudessa olevia arvoja. Mitattaessa sintrautuvuutta puristetuista näytenapeista, jäljellä ollut happi pelkistyi ja nappien koko kasvoi. Kuparijauhetta pystytään tulosten mukaan valmistamaan teollisuusmittakaavassa, mutta pelkistetty jauhe vaatii lisää jälkikäsittelyä ennen käyttöä jauhemetallurgisissa sovelluksissa.