Wstęp
Temperatura zapłonu koncentratów miedzi stanowi bardzo interesujące zagadnienie zarówno z punktu prowadzenia procesów technologicznych ich przetopu, jak również, transportu i składowania koncentratów na hałdach i w zbiornikach. Temperatura zapłonu nierozłącznie związana jest z reakcją utleniania. Utlenianie siarczków jest procesem heterogenicznym, egzotermicznym, związanym z wydzieleniem dużych ilości ciepła, co pozwala na autogeniczne, lub pół autogeniczne prowadzenie procesów otrzymywania miedzi. Każdemu siarczkowi odpowiada własna temperatura zapłonu charakteryzująca pod względem kinetycznym reakcję jego utleniania. Temperatura zapłonu zależy, bowiem od całego szeregu czynników. W pierwszym rzędzie od właściwości budowy siarczku, stopnia uporządkowania struktury, ilości dyslokacji i innych defektów na powierzchni, od rozmiarów ziarna siarczku, od pojemności cieplnej, przewodnictwa cieplnego a także gęstości utlenianego materiału i warstewki powstałych produktów utleniania. Na temperaturę zapłonu siarczków mają też wpływ i inne, pozornie nieistotne czynniki. Nawilgocenie powietrza prowadzi do obniżenia temperatury zapłonu. Obecność w powietrzu dwutlenku siarki natomiast powoduje podwyższenie temperatury zapłonu siarczków i znacznego obniżenia szybkości ich utleniania po zapaleniu, gdyż wydzielający się jako produkt dwutlenek siarki utrudnia dyfuzję tlenu do powierzchni reakcji.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie temperatury zapłonu polskich koncentratów miedzi w zależności od ich składu, frakcji ziarnowej oraz wilgotności.
Wykonanie ćwiczenia
Podczas wykonywania ćwiczenia wykorzystywany był koncentrat o następującym składzie:
Cu = 20,4%, Fe = 4,26%, Sorg = 10,81%, SiO2 = 18,25%, MgO = 3,65%, Al2O3 = 6,58%, CaO = 9,6%, Zn = 0,77%, As = 0,1%.
Koncentrat został przesiany dla ujednolicenia frakcji, oraz pobrana została próbka do oznaczenia wilgotności o masie 50g, próbka została umieszczona w suszarni w temperaturze 1000C.Po wyjęciu z suszarni próbka została ponownie zważona i na podstawie zmiany masy określona zostanie wilgotność koncentratu.
Wyznaczenie wilgotności koncentratu:
masa początkowa próbki– 50,081g
masa próbki po wysuszeniu – 48,704g
ubytek masy – 1,377g
wilgotność koncentratu = 2,75%
Z tego samego koncentratu przygotowana została kolejna próbka o masie około 504,5g, która została umieszczona w metalowym pojemniku wyłożonym ceramiczną matą. W próbce umieszczone zostały dwie termopary w celu rejestracji zmian temperatury. Termopara nr 1 została umiejscowiona w okolicach środka próbki, zaś termopara nr 2 została umiejscowiona pod powierzchnią próbki.
Tak przygotowany zestaw umieszczony został w piecu w temperaturze 1500C, gdzie nastąpiło wygrzewanie z okresowym wzrostem temperatury.
Poniższy wykres przedstawia zależność zmiany temperatury od czasu
Wnioski i obserwacje
Do utleniania koncentratu niezbędny jest tlen, w tym przypadku wykorzystywany jest tlen zawarty w powietrzu, w górnej części próbki dostęp tlenu jest łatwy i utlenianie zachodzi na całej powierzchni kontaktu próbki z atmosferą, tlen z powietrza dyfunduje do wnętrza próbki i tam gdzie dotrze może zajść reakcja utleniania. Do dna próbki dotarło niewiele tlenu i dlatego reakcja utleniania mogła zajść tu w znikomym stopniu.
Jak widać na wykresie w początkowym temperatura próbki wzrasta w miarę równo, jednakże powierzchnia próbki nagrzewała się trochę szybciej. Po przekroczeniu temperatury zapłonu koncentratu reakcja utleniania będzie zachodziła samoczynnie, ponieważ temperatura próbki będzie wzrastać, ponieważ reakcja utleniania siarczków metali jest reakcją egzotermiczną. Wzrost ten w początkowym okresie także jest zbliżony na powierzchni próbki oraz w jej wnętrzu, jednakże po pewnym czasie na skutek różnicy temperatur (próbka w tym czasie posiada wyższą temperaturę niż wnętrze pieca) powierzchnia próbki będzie oddawać ciepło do wnętrza pieca i dlatego na wykresie obserwujemy charakterystyczny „pik”. Temperatura wnętrza próbki będzie nadal wzrastać tak długa jak długo zachodzić będzie reakcja utleniania, następnie ustabilizuje się, a po zakończeniu utleniania koncentratu zacznie spadać i temperatura wnętrza próbki powróci do temperatury otoczenia.
cycu83