Kuparin pelkistys kaasuilla ja deoksidaatio kiinteillä deoksidanteilla

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-06-11
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
fi
Pages
127+65
Series
Abstract
Happi on kuparin kannalta keskeinen epäpuhtaus, joka aiheuttaa kuparissa erilaisia haitallisia ilmiöitä, mitä varten kuparimarkkinoille on kehitetty deoksidoituja ja hapettomia kuparilaatuja. Happea voidaan poistaa sulasta kuparista pelkistämällä sulaa kaasumaisilla pelkistimillä tai deoksidoimalla sulaa lisäämällä siihen deoksidaatioaineita. Näiden yksikköprosessien optimaalinen toteuttaminen ja hallinta vaativat termodynaamisten ilmiöiden ja reaktiokinetiikan tuntemista ja ymmärtämistä. Tässä diplomityössä tutkittiin kuparin pelkistystä hiilimonoksidilla ja vedyllä sekä kuparin deoksidaatiota fosforilla ja vanadiinilla. Kirjallisuusselvityksessä perehdyttiin erilaisiin kuparin pelkistys- ja deoksidaatiomenetelmiin, pelkistimien ja deoksidanttien valintaan sekä pelkistyksen ja deoksidaation termodynaamisiin ja kineettisiin perusteisiin. Kokeellinen tutkimus keskittyi pelkistys- ja deoksidaatiokinetiikan tutkimiseen. Käytetty koemenetelmä koostui viidestä päävaiheesta: näytteen sulatus pelkistimen tai deoksidantin ollessa koesysteemissä, näytteen sulapelkistys tai -deoksidointi, näytteen hidas jäähdytys, näytteen valmistelu analyysejä varten ja näytteen kemiallisen koostumuksen sekä happipitoisuuden analysointi. Kokeellisessa osuudessa hyödynnettiin FactSage 8.3 -laskentaohjelmistoa, jolla määritettiin kokeissa käytettyjä parametreja. Molemmilla tässä diplomityössä tutkituilla pelkistimillä saavutettiin tavoiteltu happipitoisuus (alle 5 ppm). Deoksidanteista fosforikuparilla saavutettiin myös alle 5 ppm happipitoisuus, mutta vanadiininäytteistä alin analysoitu happipitoisuus oli kahden analyysin keskiarvona 18 ppm. Molemmilla kaasumaisilla pelkistimillä saavutettiin tuloksien perusteella tasapainotila, mutta kiinteillä pelkistimillä tehdyissä kokeissa tasapainotilaa ei saavutettu. Työssä saavutetuissa kineettisissä trendeissä oli samankaltaisuutta aiemmin kirjallisuudessa raportoituihin trendeihin hiilimonoksidin, vedyn ja fosforin osalta. Kirjallisuudesta ei löytynyt aiempaa tutkimustietoa liittyen vanadiinin käyttöön kuparin deoksidaatioossa. Tässä työssä havaittiin, että vanadiinin avulla kuparin happipitoisuutta saadaan tehokkaasti laskettua, mutta kineettisiä reunaehtoja ja vanadiinin annostelumenetelmää tulisi tutkia lisää. Työssä havaittiin myös, että vanadiini ja happi muodostivat reaktiotuotteina oksideja VO, VO2 ja V2O3.

Oxygen can be considered one of the key impurities in copper. Oxygen causes different harmful phenomena in copper and therefore the copper industry has developed deoxidized and oxygen free copper grades. Oxygen can be removed from the melt by reduction using gaseous reductants or by deoxidizing the melt by addition of solid deoxidizers. The optimal practice and the controlling of these unit processes requires understanding of thermodynamic phenomena and reaction kinetics. In this thesis the reduction of molten copper was studied using carbon monoxide and hydrogen as reductants, and the deoxidation of copper was studied using phosphorus and vanadium as deoxidants. In the literature review the methods of reduction and deoxidation and the requirements for selecting proper reductant and deoxidizer were investigated. In addition, the fundamental aspects of thermodynamics and kinetics of reduction and deoxidation of liquid copper were covered. The experimental part of this study focused on kinetics of the reduction and deoxidation. The used study method consisted of five main steps: melting of the sample in the presence of reductant or deoxidizer, reduction or deoxidation of the sample in molten state, slow cooling of the sample, preparation of the sample for the analysis and the analysis of the sample’s chemical composition and oxygen content. In the experimental part of this work FactSage 8.3 software was used to determine some of the experimental parameters. The target oxygen concentration (below 5 ppm) was reached with both gaseous reductants studied, as well as with solid phosphorus copper deoxidant. The lowest oxygen concentration analyzed from the vanadium deoxidized samples was 18 ppm as an average of two analyses. Equilibrium was reached with both studied gaseous reductants but with the solid deoxidizers, equilibrium was not achieved. The kinetic trends achieved in this had similarities compared to the ones reported in literature regarding carbon monoxide, hydrogen and phosphorus. No previous literature was found regarding the use of vanadium as a deoxidant for copper. According to the results of this work vanadium works as a deoxidant for copper, but the kinetics and optimal dosing method require further research. It was also observed that vanadium and oxygen formed oxides as reaction products VO, VO2 and V2O3.
Description
Supervisor
Lindberg, Daniel
Thesis advisor
Klemettinen, Lassi
Ojanen, Severi
Keywords
kupari, pelkistys, deoksidointi, hapeton kupari, hiilimonoksidi, vety
Other note
Citation