Phase equilibria of selected sulfide impurity systems at elevated temperatures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-05-16
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
104
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 52/2014
Abstract
More complex ore bodies have to be utilized in order to meet the increasing demand for metals in the World. Together with growing use of secondary raw materials, metal production feeds are containing higher impurity levels than the processes are originally designed to operate with. Common to all impurities is the fact that they need to be eliminated from the product in an effective way. Phase diagram information and thermodynamic descriptions of phases in complex sulfide systems at elevated temperatures will help in the development of pyrometallurgical processes. In this thesis, phase stability information about the FeS-PbS, Cu2S-PbS, Fe-O-S, Cu2S-PbS-ZnS, As2S3-Cu2S, As2S3-PbS and As2S3-Cu2S-PbS systems above 500 ºC has been measured using isothermal equilibration-quenching experiments. The main interests in the experiments were in the formation of liquid phase. Based on these results and literature information where available, phase diagrams of these systems have been estimated. Thermodynamic descriptions in a wide temperature and composition range for phases of the FeS-PbS, Cu-Pb-S, PbS-ZnS and Cu2S-PbS-ZnS systems have been derived applying the CALPHAD method and MTDATA software, using the experimental data found during the work of this thesis and critically evaluated literature information. The association solution model was used for the molten phase and the experimental data was fitted by the least squares method. The new experimental data presented within this thesis enables a more accurate description of the systems studied and provides new information about phase stabilities in these systems. The created thermodynamic assessments allow accurate predictions of phase equilibria and thermodynamic properties. The phase equilibria information provided in this thesis may be used to evaluate and give more accurate knowledge of different pyrometallurgical processes, including evaluation of molten phase formation in impure zinc sulfide roasting and component distributions copper smelting and refining.

Epäpuhtauksien määrä metallinvalmistusprosessien syötteissä on kasvanut kun käyttöön on otettu monimutkaisempia rikasteita sekä sekundäärisiä raaka-aineita usein korkeammalle tasolle kuin prosessit on alun perin suunniteltu operoitavaksi. Kehitettäessä prosesseja hallitsemaan epäpuhtauksien poisto tehokkaammin sekä ympäristöystävällisemmin on hyödyllistä olla systeemin faasipiirrosten sekä termodynaamisten ominaisuuksien tuntemusta. Tässä työssä määritettiin kokeellisesti vakiolämpötilassa suoritetuilla tasapainotuskokeilla systeemien FeS-PbS, Cu2S-PbS, Fe-O-S, Cu2S-PbS-ZnS, As2S3-Cu2S, As2S3-PbS ja As2S3-Cu2S-PbS faasitasapainoja yli 500 ºC lämpötiloissa keskittyen erityisesti sulan faasin muodostumiseen. Näiden kokeiden sekä kirjallisuudesta löytyvän aikaisemman kokeellisen tutkimustiedon perusteella luotiin systeemeille faasitasapainopiirrokset. Kokeellisen työn lisäksi suoritettiin CALPHAD-metodia hyödyntäen MTDATA-ohjelmistolla termodynaamiset kuvaukset systeemeistä FeS-PbS, Cu-Pb-S, PbS-ZnS ja Cu2S-PbS-ZnS laajalla lämpötila- sekä koostumusalueella. Sovituksissa käytettiin sulan faasin kuvaukseen assosiaattimallia ja sovitus tehtiin pienimmän neliösumman menetelmällä perustuen tämän työn kokeellisiin tuloksiin sekä kriittisesti arvioituun kirjallisuudessa esitettyyn kokeelliseen tietoon. Tässä työssä esitetty kokeellinen tieto sekä tehdyt termodynaamiset sovitukset tarjoavat tutkittujen sulfidisysteemien aikaisempaa tarkemman faasitasapainokuvaukset sekä mahdollistavat systeemien termodynaamisten ominaisuuksien ennustamisen. Faasitasapainoja osassa tutkituista systeemeistä ei ole aikaisemmin kuvattu kirjallisuudessa. Esitettyä tasapainopiirrostietoa voidaan käyttää hyödyksi kehittäessä ja analysoitaessa metallurgisia prosesseja ja ilmiöitä, mukaan lukien sulafaasin muodostuminen epäpuhtaan sinkkisulfidin pasutuksessa sekä epäpuhtauksien käyttäytyminen kuparin pyrometallurgisessa valmistuksessa.
Description
Supervising professor
Taskinen, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Taskinen, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Keywords
thermodynamics, equilibration experiment, arsenic sulfide, copper sulfide, lead sulfide, iron sulfide, zinc sulfide, termodynamiikka, tasapainotuskoe, arseenisulfidi, kuparisulfidi, lyijysulfidi, rautasulfidi, sinkkisulfidi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hannu Johto, Pekka Taskinen, ”Experimental research and thermodynamic model of the FeS-PbS system”, In: Proceedings of European Metallurgical Conference 2011 (EMC), Düsseldorf, June 26- 29, 2011, Volume 4, ISBN 978-3-940276-39-1 (pp. 1127-1136).
  • [Publication 2]: Hannu Johto, Pekka Taskinen, ”Phase stabilities and thermodynamic assessment of the system Cu-Pb-S”, Minerals Engineering 42 (2013) 68–75.
  • [Publication 3]: Hannu Johto, Hector M. Henao, Evgueni Jak and Pekka Taskinen, “Experimental study on the phase diagram of the Fe-O-S system”, Metallurgical and Materials Transactions B 44, 6 (2013), 1364-1370.
  • [Publication 4]: Hannu Johto and Pekka Taskinen,”Phase diagram of the system Cu2S-PbS-ZnS at 873-1273 K”, Canadian Metallurgical Quarterly, 2013, DOI 10.1179/1879139513Y.0000000105
  • [Publication 5]: Hannu Johto and Pekka Taskinen, ”Phase diagram of the system As2S3-Cu2S-PbS at 773-1173 K”, Accepted for publication in Canadian Metallurgical Quarterly.
Citation