冶金概論-6銅冶金課件

第六章銅冶金

第六章銅冶金

§6-1概述一、性質(zhì)1．物理性質(zhì)

顏色：銅是玫瑰紅色的金屬，延展性：固體銅具有良好的展性和延性，熔點1083℃，沸點2310℃，比重8.89。導(dǎo)電和導(dǎo)熱性：銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性漢次于銀。機械加工性能：銅的機械加工性能優(yōu)于鋁。2．化學(xué)性質(zhì)銅原子序數(shù)29，原于量為63．54，有兩種不同的化合價: 350℃<t<350℃Cu2O t>350℃CuO“銅綠”：堿式碳酸銅CuCO3Cu(OH)2，銅不能溶于稀硫酸和鹽酸，但能溶于具有氧化作用的酸中（硝酸、王水），也能溶于氨水中。§6-1概述一、性質(zhì)二.用途1.電器（導(dǎo)電）2熱交換器（導(dǎo)熱）3.器皿（耐蝕）4.構(gòu)件（延展性）5.合金：黃銅（銅鋅合金），青銅（銅錫合金）、白銅（銅鎳合金）6.軍工。二.用途1.電器（導(dǎo)電）§6-2原料、煉銅方法及工藝流程一、原料地殼含銅：0.001％銅礦：0.4％，露天礦：0.2％銅礦物：硫化物、氧化物，少量自然銅。常見銅礦物：硫化物：黃銅礦（CuFeS2）、斑銅礦（Cu3FeS3）、輝銅礦（Cu2S）、銅籃（CuS）等，90％氧化物：孔雀石、硅孔雀石（CuSiO3·2H2O）、籃銅礦（2CuCO3·Cu(OH)2）、赤銅礦（Cu2O）、膽礬（CuSO4·5H2O）等。10％自然銅：少量選礦粒度：0.074mm銅含量：10～30％§6-2原料、煉銅方法及工藝流程一、原料選礦二、煉銅方法1、火法冶金：>80%主要用于處理硫化礦，火法煉銅是將銅精礦熔煉成冰銅然后將冰銅吹煉成粗銅。優(yōu)點：得到的粗銅比較純，損失于爐渣中的銅比較少，熱能消耗少，而銅的生產(chǎn)率和回收率比較高。造锍熔煉：在熔煉溫度下，使銅精礦中的脈石及部分鐵氧化造渣而銅和其它貴金屬富集在冰銅（銅锍－CuS+FeS）中。吹煉：在轉(zhuǎn)爐中吹入壓縮空氣，鐵被氧化，硫生成SO2，產(chǎn)物為粗銅。二、煉銅方法1、火法冶金：>80%火法煉銅工藝流程圖造锍熔煉吹煉火法煉銅工藝流程圖造锍熔煉吹煉濕法流程2.濕法冶金主要用于處理氧化礦，15％。主要由2個過程構(gòu)成：1）銅的浸出

2）電積或置換提取銅。濕法流程2.濕法冶金§6-3火法煉銅的基本理論一、火法煉銅的基本原理目的：1、使原料中的銅盡可能全部進入冰銅，同時使原料中的氧化物和氧化產(chǎn)生的鐵氧化物形成爐渣；2、實行冰銅與爐渣的分離。火法煉銅的2個原則：1、爐料中要有足夠的硫來形成冰銅；2、爐渣中SiO2接近飽和，以便分離冰銅和爐渣。§6-3火法煉銅的基本理論一、火法煉銅的基本原理火法煉銅反應(yīng)：FeS(l)+Cu2O(l)=FeO(l)+Cu2S(l)△G0=-35000+4.6Tcal/mol△G0=-RTlnK1200℃，K＝15.8，CuO2幾乎都被FeS硫化?；鸱掋~反應(yīng)：FeS(l)+Cu2O(l)=FeO(l)+C硫化物與氧化物分離SiO2的作用原理：分離冰銅和爐渣。硫化物與氧化物分離SiO2的作用原理：二、冰銅1、冰銅成分主成分：Cu2S、FeS85~95%其它成分：Ni3S2、Co3S2、PbS、ZnS等二、冰銅1、冰銅成分三、爐渣1、爐渣成分主成分：SiO2、FeO、CaO占85～90％三、爐渣1、爐渣成分硅酸度2.爐渣性質(zhì)1）熔點：是最重要的性質(zhì)，1050～1100℃2）粘度：重要的性質(zhì)，<0.5帕.秒，極易流動，0.5～1帕.秒，流動性較好，1～2帕.秒，粘稠，>2帕.秒，極粘稠3）比重：爐渣的比重直接影響爐渣和冰銅的沉淀分離.4）導(dǎo)電率：爐渣的導(dǎo)電率對電爐熔煉有很重要的影響（溫度）。定義：渣中酸性氧化物SiO2含氧量與堿性氧化物含氧量總和之比。硅酸度2.爐渣性質(zhì)定義：渣中酸性氧化物SiO2含氧量與堿性氧§6-4鼓風(fēng)爐熔煉鼓風(fēng)爐熔煉是在豎式爐子中依靠爐料與上升熱爐氣對流加熱進行熔煉。反射爐、鼓風(fēng)爐、電爐熔煉－－－傳統(tǒng)造锍工藝優(yōu)點：是爐床能力大，熱效率高。缺點：1.只能處理塊狀物料，精礦粉必須預(yù)先燒結(jié)或制團；

2.爐氣量大，含SO2濃度低，不易回收，造成污染；

3.要求用貴重的焦炭作燃料，能耗高。自從五十年代末期以來，出現(xiàn)了直接處理精礦的密閉鼓風(fēng)爐熔煉法。它是將精礦加水混捏提高粘性，加入鼓風(fēng)爐進行熔煉。爐頂為密封式，爐氣用于制酸。目前鼓風(fēng)爐熔煉還在生產(chǎn)上采用，我國約40％的銅是用這種方法冶煉的?！?-4鼓風(fēng)爐熔煉鼓風(fēng)爐熔煉是在豎式爐子中依靠爐料與上升密閉鼓風(fēng)爐構(gòu)造豎式矩形爐子，由爐缸、爐身和爐頂?shù)炔糠纸M成。密閉鼓風(fēng)爐構(gòu)造豎式矩形爐子，由爐缸、爐身和爐頂?shù)炔糠纸M成。一、密閉鼓風(fēng)爐熔煉的原理1.爐料運動和爐氣分布密閉鼓風(fēng)爐的爐料：1.混捏銅精礦2.石英溶劑3.轉(zhuǎn)爐渣4.焦炭，10～12％由于偏析作用，細的精礦在爐了中心部分形成料柱，而料柱的兩側(cè)為塊料所填充，造成爐內(nèi)爐料分布的不均勻狀態(tài)，這是密閉鼓風(fēng)爐爐料分布的特點。由于于爐內(nèi)爐料分布的不均勻特點，造成了爐氣的分布不均勻，即爐中間透氣性差，爐氣壓力大，而爐壁附近則相反，因此形成了鼓風(fēng)爐爐氣的周邊行程。一、密閉鼓風(fēng)爐熔煉的原理1.爐料運動和爐氣分布2.主要化學(xué)反應(yīng)半自熱氧化熔煉，熱量主要由硫化物的氧化和焦炭燃燒提供。可分為三個區(qū)域。1）預(yù)熱區(qū)在爐子上部，在250～1100℃的溫度范圍內(nèi)。預(yù)熱干燥和脫水．高價硫化物(黃鐵礦、和黃銅礦)發(fā)生分解，以及硫化物的氧化脫硫；下部溫度較高區(qū)，發(fā)生石灰石分解，銅精礦固結(jié)和燒結(jié)作用，并有一部分初始冰銅和爐渣生成。2.主要化學(xué)反應(yīng)半自熱氧化熔煉，熱量主要由硫化物的氧化和焦炭主要化學(xué)反應(yīng)2FeS2+5.5O2=Fe2O3+SO23FeS2+8O2=Fe3O4+6SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO23Fe2O3+5FeS=7Fe3O4+SO2CaCO3=CaO+CO2主要化學(xué)反應(yīng)2FeS2+5.5O2=Fe2O3+SO22）焦點區(qū)焦點區(qū)位于風(fēng)口以上約1m左右，最高溫度1300℃，這一區(qū)內(nèi)為強氧化氣氛，主要是進行激烈的氧化反應(yīng)。同時完成爐料熔化造渣和造冰銅的過程。燃燒反應(yīng)：CO＋O2＝CO2硫化亞鐵氧化造渣：2FeS＋3O2＋SiO2＝2FeO·SiO2+2SO2

3Fe3O4+FeS+5SiO2＝5（2FeO·SiO2）+SO22）焦點區(qū)焦點區(qū)位于風(fēng)口以上約1m左右，最高溫度13003）本床區(qū)（爐缸區(qū)）位于焦點區(qū)下方，溫度1200～1250℃爐渣、冰銅匯集，渣中少量Cu2O硫化進入冰銅。Cu2O+FeS=Cu2S＋FeO爐渣、冰銅匯集后，直接放出，在爐外沉淀池進一步澄清分離，產(chǎn)出冰銅和爐渣。3）本床區(qū)（爐缸區(qū)）位于焦點區(qū)下方，溫度1200～1250℃§6-5銅精礦的反射爐熔煉反射爐熔煉是隨近代浮選精礦產(chǎn)量的增長而發(fā)展起來，它在靜態(tài)的爐膛中依靠燃料燃燒加熱進行熔煉。優(yōu)點：1.原料適應(yīng)性強，生精礦、燒結(jié)礦；

2.操作簡單；

3.燃料適應(yīng)性強。缺點：1.燃料消耗大，熱效率低

2.爐氣中SO2不能利用，造成污染?！?-5銅精礦的反射爐熔煉反射爐熔煉是隨近代浮選精礦產(chǎn)量的一、反射爐構(gòu)造由爐基、爐底、爐墻、爐頂和支架等組成。反射爐結(jié)構(gòu)圖一、反射爐構(gòu)造由爐基、爐底、爐墻、爐頂和支架等組成。反射爐結(jié)1.爐基爐基是反射爐的基礎(chǔ)，它承受爐子和爐料的總負荷。它由混凝土、碎石、爐渣等組成，而混凝土和其他材料的混合爐法最為常用。2.爐底爐底直接砌筑在爐基上，舊式反射爐在爐基上鋪一層耐火泥后，砌兩層耐火磚，即可在其上填筑石英砂和耐火泥，最后經(jīng)過燒結(jié)而形成爐底，此法在國外多采用。近來，新式爐子都是用鎂砂和氧化鐵粉燒結(jié)爐底，它比石英燒結(jié)爐底壽命長，不易被侵蝕。3.爐墻

砌在爐基上，爐墻外為粘土磚，在熔池面以下為鎂磚或鉻鎂磚。4.爐頂：是反射爐重要部分，一般有兩種形式，一種是拱式一種是吊式。大多數(shù)反射爐采用吊式。反射爐其它部分還有煙道、加料裝置、加固裝置、燃燒裝置、冰銅放出口、爐渣放出口和預(yù)熱鍋爐等。1.爐基二、熔煉原理反射爐熔煉實質(zhì)是將爐料加到爐子前半部的料坡上，在高溫（1400～1500℃）的作用下使之熔化，熔化后的爐料在流入熔池的過程中，其各組分之間發(fā)生物理化學(xué)變化，最后在熔池中形成冰銅和爐渣，二者因比重不同分層，分別由冰銅口和渣口放出。二、熔煉原理反射爐熔煉實質(zhì)是將爐料加到爐子前半部的料坡上，在1．爐內(nèi)的燃料燃燒和熱交換熔煉生精礦熱消耗：4.184～6.276兆焦／kg爐料，熔煉焙燒礦熱消耗：2.9288～4.184兆焦／kg爐料?？糠瓷錉t前端的燒嘴燃燒燃料(天然氣、粉煤、油)來供給的。熔煉高溫區(qū)：通常占爐長l／2或2／3左右，大部分爐料也都加在這個區(qū)內(nèi)。爐尾：這里主要是冰銅和爐渣的沉情分離，離爐氣體溫度一般為1250～1350℃，比爐渣溫度約高100℃，以便使?fàn)t渣充分過熱，保證冰銅與爐渣分離良好。余熱利用：采用余熱鍋爐加以利用煙氣的余熱。1．爐內(nèi)的燃料燃燒和熱交換熔煉生精礦熱消耗：4.184～2．爐料的熔化和冰銅、爐渣的形成1)爐料的熔化：是在爐料表面進行，爐氣從爐料表面掠過而不直接與之作用。爐料熔化速度除與爐氣溫度有關(guān)外，還與爐料成分和它的混合均勻程度有關(guān)。爐渣熔點必須適當(dāng)。2)冰銅的形成：冰銅的形成過程是在料坡上首先生成易熔的硫化物共晶，當(dāng)這些共晶沿著料坡流下時，不斷與其接觸的爐料發(fā)生溶解和相互作用，形成初期冰銅；它流人熔池中與爐渣繼續(xù)反應(yīng)，形成最終冰銅。冰銅的品位取決于爐料中含硫量和反射爐的脫硫率。3)爐渣的形成：爐渣的形成過程與冰銅相相似，當(dāng)料坡面上受熱時，首先生成易熔的氧化物共晶體，此共晶體繼續(xù)與游離的Si02、CaO、FeO作用形成初期爐渣，此爐渣在熔池中繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)形成最終爐渣，爐渣與冰銅在爐尾熔池中按比重不同沉清分離。2．爐料的熔化和冰銅、爐渣的形成1)爐料的熔化：3．爐內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)爐料加入到反射爐后，首先發(fā)生脫水、分解的過程，然后發(fā)生熔化和相互反應(yīng)。因為反射爐內(nèi)的氧化氣氛不強，故氧化反應(yīng)不很顯著。

1）硫化物分解

FeS2=FeS+1/2S2 FenSn+1=nFeS+1/2S2 2CuFeS2=CuS2+2FeS+1/2S2 CuS2=CuS+1/2S2 2Cu3FeS3=3Cu2S+2FeS+1/2S23．爐內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)爐料加入到反射

2)鐵的高價氧化物和硫化物之間的反應(yīng)在低溫(500～600℃)開始進行： FeS2+16Fe2O3=11Fe3O4+2SO2 FeS+10Fe2O3=7Fe3O4+2SO2 當(dāng)有SiO2存在時: FeS+3Fe3O4+5SiO2=5[(2FeO.SiO2)]+SO23)銅的氧化物與FeS的反應(yīng)： Cu2O+FeS=Cu2S+FeO這個反應(yīng)可保證所有爐料中的銅進入冰鋼，因而也是一個重要的反應(yīng)。4）鋅等化合物在熔煉中的行為硫化鋅為難熔物質(zhì)，硫化鋅分配于冰銅和爐渣產(chǎn)品中，它使?fàn)t渣熔點升高，粘度增大；它也容易隨溫度降低而結(jié)品析出，生成爐結(jié)和中間層，妨礙冰銅的放出和沉清。爐料含鋅會增加爐渣的粘度，這種爐渣必須揮發(fā)再處理。

4．轉(zhuǎn)爐渣的貧化作用轉(zhuǎn)爐渣成分： Cu SiO2 FeO+Fe2O3

1.5~324~2665~75目的：1.提取銅；

2.利用渣中鐵作為溶劑。

5.冰銅和渣的形成整個熔煉過程，爐料中的硫化亞銅維持不變，硫化亞鐵一部分以FeO進入爐渣，另一部分以FeS進入冰銅，冰銅中溶解有：PbS、ZnS、Ni3S7、Au、Ag、Pt、Se(硒）、Te（碲）等。進入爐渣的有：FeO、SiO2、CaO、Al2O3和少量ZnS、CuS2、Cu2O.爐內(nèi)形成液態(tài)的冰銅和爐渣，互不溶解，比重不同分離。渣中含有銅0.3％。

4．轉(zhuǎn)爐渣的貧化作用三、操作開爐、停爐、正常生產(chǎn)操作1.開爐開爐前準備：原理準備烘爐：石英堆成500～600mm料坡，保護爐墻不受堿性爐渣侵蝕。第一階段：木材加熱，17～20hr，15℃/h，300℃。第二階段：20℃/h，14～15h，600℃。第三階段：25℃/h，8h，800℃。第四階段：燃燒器加熱，18～21hr，33℃/h，1500℃延續(xù)3～4hr。建立料坡：三、操作開爐、停爐、正常生產(chǎn)操作2.停爐停爐前加Na2SO4、蘇打（Na2CO3)使?fàn)t結(jié)溶解和爐坡熔化。放出熔體，以便大修。3.生產(chǎn)操作放出冰銅和爐渣。2.停爐§6-6閃速爐熔煉反射爐和鼓風(fēng)爐的缺點：1.生產(chǎn)能力不大；2.銅精礦要制粒或混捏。閃速爐熔煉是將干精礦與氧氣、預(yù)熱空氣或二者的混合氣體一起吹入一個高溫反應(yīng)器內(nèi)，硫化物顆粒立即與氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱，提供熔煉所需的大部分或全部能量。形成的冰銅和爐渣落入沉淀池，完成造冰銅和造渣過程，最后分離分別從冰銅口和渣口放出?！?-6閃速爐熔煉反射爐和鼓風(fēng)爐的缺點：閃速爐優(yōu)缺點：優(yōu)點：1、流程短，生產(chǎn)率高；2、熱效率高，燃料消耗少；3、煙氣SO2高，可制硫酸；4、冰銅品位高。缺點：1、精礦要干燥，熔劑要粉碎；2、氧化氣氛強、反應(yīng)時間短，爐內(nèi)易生成Fe3O4爐結(jié)，渣含銅高，需貧化處理；3、煙塵大、給余熱鍋爐等操作帶來困難；4、投資大、輔助設(shè)備多，限于大型工廠采用。閃速爐優(yōu)缺點：優(yōu)點：一.閃速爐構(gòu)造組成：反應(yīng)塔、沉淀池、煙道、精礦噴嘴一.閃速爐構(gòu)造二.主要化學(xué)反應(yīng)

1.分解反應(yīng)FeS2=FeS+1/2S2FenSn+1=nFeS+1/2S22CuFeS2=2FeS+1/2S22CuS=Cu2S+1/2S2

2.氧化反應(yīng):是閃速熔煉的代表反應(yīng)，主要包括：FeS+3/2O2=FeO+SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO26FeO+O2=2Fe2O3Cu2S+3/2O2=Cu2O+SO2S+O2=SO2二.主要化學(xué)反應(yīng)

1.分解反應(yīng)3.高價硫化物直接氧化和造渣反應(yīng)氧化反應(yīng)的同時，部分高價硫化物直接氧化和造渣：2CuFeS2+5/2O2=Cu2S·FeS+FeO+2SO22FeS2+7/2O2=FeS+FeO+3SO22FeO+SiO2=2FeO·SiO24.氧化物與硫化物反應(yīng)Fe3O4+FeS=10FeO+SO23Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2Cu2++FeS=Cu2S+FeO3.高價硫化物直接氧化和造渣反應(yīng)氧化反應(yīng)的同時，部分高價硫化三、操作1.配料與干燥配料使?fàn)t料成分均勻穩(wěn)定。閃速爐對爐料的干燥要求嚴，水<0.3％2.熱平衡控制與選定的冰銅品位、熱風(fēng)溫度及空氣過剩系數(shù)有關(guān)。冰銅品位高熱風(fēng)溫度要低，但冰銅吹煉比較困難。3.爐渣處理閃速爐爐渣含銅較高（1～1.5％），需處理，有電爐貧化法和選礦法2種方法。三、操作1.配料與干燥§6-7轉(zhuǎn)爐吹煉向冰銅中噴吹空氣，使冰銅中的FeS氧化變成FeO進入渣中，Cu2S經(jīng)氧化與Cu2S相互反應(yīng)變成粗銅。溫度1200～1250℃，靠氧化反應(yīng)供熱。吹煉可分為二各周期：第一周期：造渣期，主要是FeS的氧化造渣，結(jié)果形成Cu2S熔體，稱為白冰。第二周期：造銅期，主要是Cu2S氧化變成Cu2O與未氧化的Cu2S相互作用生成金屬銅（粗銅），在這一周期，無爐渣形成。吹煉過程還可除去少量揮發(fā)性雜質(zhì)如鉛、鋅、錫、砷、銻、鉍等，而貴金屬則熔解富集在粗銅中?！?-7轉(zhuǎn)爐吹煉向冰銅中噴吹空氣，使冰銅中的FeS氧化變成一.原理1.第一周期（造渣期）2FeS+3O2=2FeO+2SO22FeO+SiO2=2FeO·2SO22FeS+3O2+SiO2=2FeO·SiO2+2SO2部分FeO氧化成高價氧化鐵Fe3O43Fe3O4+FeS＝10FeO+SO23Fe3O4+FeS+SiO2=5（2FeO·SiO2）+SO2CuS的氧化一.原理1.第一周期（造渣期）2.第二周期（造銅期）2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2Cu2S+2Cu2O=6Cu+3SO23Cu2S+3O2=6Cu+3SO2在第一周期接近終點時，這些反應(yīng)便開始進行，當(dāng)放出最后一批爐渣之前，在轉(zhuǎn)爐底部有時可見到少量金屬銅。2.第二周期（造銅期）2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO二.轉(zhuǎn)爐構(gòu)造臥式堿性轉(zhuǎn)爐，40～130t粗銅。爐殼：20～25mm鍋爐鋼板。內(nèi)部：鎂磚、鎂鋁磚或鉻鎂磚。二.轉(zhuǎn)爐構(gòu)造臥式堿性轉(zhuǎn)爐，40～130t粗銅。1.爐口： 轉(zhuǎn)爐中部設(shè)有爐口。爐口為長力形，總面積為吹煉時熔地面積的20～25％，爐門略向爐后傾斜，由于容易損壞，做成容易拆卸的活爐口。 作用：裝冰銅，倒出爐渣和粗銅，排出爐氣。2.風(fēng)口： 爐子內(nèi)側(cè)有一徘風(fēng)口，直徑38～50mm，風(fēng)口與U形配風(fēng)管相聯(lián)，保證風(fēng)壓均勻。供風(fēng)常用渦輪式鼓風(fēng)機，風(fēng)口做成球閥式以防止漏風(fēng)。3.煙罩：轉(zhuǎn)爐爐氣含SO2濃度第一切期為5～6％，第二周期為8～9％ 可制硫酸。為防止?fàn)t氣被稀釋和便于收塵，一般采用水封式密閉煙罩，可升降。4.加熔劑設(shè)備： 爐口溜槽或石英槍。1.爐口：定義：火法精煉的實質(zhì)是在液體銅中供入空氣，使銅里的鐵、鉛、鋅、鉍、鎳、砷、銻、硫等雜質(zhì)氧化而除去，然后加入還原劑除氧，最后得到電解精煉要求的陽極銅。一、原理1、氧化過程 4[Cu]+O2+=2[Cu2O] [Cu2O]+[Me]=(MeO)+2[Cu]§6-8粗銅的火法精煉為了迅速完全地除去雜質(zhì)，銅中Cu2O需飽和。氧化期，溫度1150～1170℃，w[Cu2O]sat約為8％。定義：火法精