Wydział: MetalI NIEŻELAZNYCH		Data wykonania ćwiczenia: 19.03.2012
KIERUNEK: METALURGIA		NR ĆWICZENIA: 2
TYTUŁ ĆWICZENIA: Układ równowagi Cu-Fe-S
Grupa nr II/zespół nr 4 1. Paweł Gaś 2. Marcin Głodzik 3. Michał Kwiatkowski	Data oddania sprawozdania: 01.04.2012 r.		Data zaliczenia sprawozdania:
		Data oddania sprawozdania do poprawy:		Data zaliczenia ćwiczenia:

1. Wprowadzenie teoretyczne.

W skład kamienia miedziowego wchodzą głównie siarczki miedzi oraz żelaza, oprócz tego w kamieniu miedziowym znajdują się też inne siarczki, a także zanieczyszczenia niemetaliczne. Trzy główne pierwiastki, czyli: miedź, żelazo i siarka składają się na około 85-90% masy kamienia miedziowego.

W uproszczeniu kamień miedziowy można przedstawić jako układ pseudopodwójny Cu₂S-FeS co ilustruje rys. 1. Jest to prosty układ eutektyczny o stosunkowo niskiej temperaturze eutektycznej, przy czym położenie linii równowag w stanie stałym nie zostało dokładnie określone. W praktyce przemysłowej układ ten nigdy nie występuje, ponieważ:

- piece do przetopu kamienia miedziowego pracują zawsze z atmosferą utleniającą, co sprawia, że część siarki ulega utlenieniu i wobec tego zawsze mamy mniej siarki, aniżeli wynikałoby to ze stechiometrii Cu₂S i FeS,

- koncentraty miedzi zawsze zawierają siarczki innych metali (np. PbS, ZnS, Ag₂S, CoS).

Rys. 1 Pseudopodwójny układ równowagi Cu₂S-FeS

Rzeczywisty układ Cu-Fe-S przedstawia rys. 2. Charakteryzuje się on dwiema bardzo istotnymi cechami:

- w miarę zmniejszania się stężenia siarki pojawia się druga faza bogata w metal. Ta cecha jest prawdziwa dla każdego stosunku Cu do Fe, włączając w to czyste siarczki,

- przy normalnym ciśnieniu i w temperaturze 1200^oC każdy nadmiar siarki ponad to, co zawiera układ pseudopodwójny Cu₂S-FeS zostanie odpędzony. Ciśnienie siarki nad takim układem jest większe od 1 atm. Stąd rzeczywiste składy kamieni miedziowych mieszczą się w wąskim pasku pomiędzy obszarami, które zawierają dwie fazy, a układem pseudopodwójnym Cu₂S-FeS. Kamienie miedziowe otrzymywane w praktyce charakteryzują się deficytem siarki z uwagi na wspomniane powyżej warunki utleniające w piecach do przetopu koncentratów miedzi.

Rys. 2 Układ równowagi Cu-Fe-S

W przypadku stopów siarczku żelazawego z siarczkiem miedziawym maksymalna zawartość siarki jest określona przy pomocy prostej FeS-Cu₂S, co oznacza, że powyżej tej prostej wydzieli się nadmiar siarki (punkt FeS odpowiada maksymalnej zawartości siarki w kamieniu). Pomiędzy składnikami Fe-FeS-Cu₂S-Cu tworzą się cztery pary mieszanin podwójnych. Trzy z nich (Cu-Fe, Fe-FeS, FeS-Cu₂S) charakteryzują się całkowitą wzajemną rozpuszczalnościąw stanie ciekłym (powyżej T_t), natomiast Cu-Cu₂S to układ z ograniczoną rozpuszczalnością, charakteryzujący się tym, że w stanie ciekłym tworzy (w określonym zakresie temperatur) dwie warstwy cieczy - górna Cu₂S z rozpuszczoną w niej miedzią oraz dolna Cu z rozpuszczonym Cu₂S.

2. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z właściwościami układu Cu-Fe-S.

3. Część eksperymentalna.

1) przygotowanie dwóch próbek o masie 5 g o składzie odczytanym z punktów zaznaczonych na układzie równowagi przez prowadzącego przy pomocy: Cu₂S, FeS, proszku Fe i proszku Cu,

2) dokładne zmieszanie dobranych wcześniej składników,

3) umieszczenie składników w tyglu grafitowym,

4) topienie próbek w piecu (T = 1300^oC, t = 45 min),

5) ostudzenie próbek i ich rozbicie.

4. Obliczenia.

Skład przygotowywanych próbek:

PRÓBKA 1:

__________________

Cu: 25% = 1,25 g

S: 30% = 1,5 g

Fe: 45% = 2,25 g c

159,1 - 2*63,55 - 32

Cu₂S - Cu - S

X - 1,25 g - Y

• Reszta siarki:

1,19 g S - Z g Fe

32 g S - 55,85 g Fe

• Reszta żelaza:

Tabela 1. Masy substratów wchodzących w skład próbki nr 1

	Masa obliczona [g]
Cu2S	1,56
FeS	3,27
proszek Fe	0,17
proszek Cu	-

PRÓBKA 2:

__________________

Cu: 75% = 3,75 g

S: 10% = 0,5 g

Fe: 15% = 0,75 g v

0,75 g Fe - X g S

55,85 g Fe - 32 g S

• Reszta siarki:

0,07 g S - Y g Cu

32 g S - 2*63,55 g S

• Reszta miedzi:

Tabela 2. Masy substratów wchodzących w skład próbki nr 2

	Masa obliczona [g]
Cu2S	0,35
FeS	1,18
proszek Fe	-
proszek Cu	3,47

5. Obserwacje.

Rys. 3 Próbki - od lewej nr 1 i 2

Próbka nr 1 to jednorodny kamień miedziowy, natomiast w przypadku próbki nr 2 możemy zaobserwować podział na dwie fazy: czystą miedź oraz kamień miedziowy. Rozdział ten jest możliwy ponieważ skład próbki znajdował się w obszarze krzywej binoidalnej charakteryzującej się ograniczoną rozpuszczalnością jednego składnika w drugim.

6. Wnioski.

Układ potrójny Cu-Fe-S to układ pozwalający na określenie składu i rodzaju produktów powstałych podczas wytopu kamienia miedziowego. Dzięki temu możemy swobodnie dobierać skład wsadu, tak aby otrzymać interesujące nas produkty. Możliwy jest rozdział na dwie fazy czystą miedź oraz kamień miedziowy.

7. Literatura.

1. Marian Kucharski „Pirometalurgia miedzi”, Wyd. AGH, Kraków 2003

6

2

1

---