铜金属基础知识.

《铜金属基础知识.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铜金属基础知识.（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、铜金属基础知识,熔炼车间 刘飞,2015年12月,一 铜及其化合物的性质,二 铜矿物及精矿的组成和分类,四 铜金属的主冶炼方法,1 概述 2 火法炼铜工艺简介 3 传统熔炼工艺 4 强化熔炼工艺 4.1 强化熔炼工艺特点 4.2 主要强化熔炼工艺应用情况 4.3 主要强化熔炼工艺比较 4.4 闪速熔炼工艺 4.5 浸没喷枪顶吹技术 4.6 三菱连续炼铜工艺 5 吹炼工艺 5.1 P-S转炉吹炼 5.2 冰铜连续吹炼 6 精炼工艺 7 再生铜冶炼工艺,三 铜金属的用途和产销状况,铜是元素周期表中第一副族元素，在地壳中含量为十万分之三。其重要物理常数如下。 表1 铜的物理性质,一 铜及其化合物的性

2、质,1 铜的性质,铜的沸点较高，冶炼中挥发损失不大。铜的比重随温度升高而降低。导电性能仅次于银，远超过其它金属，但导电率随温度升高而降低。 铜在熔点(1083)时的蒸汽压低于1.310-1 Pa，因此，在冶炼温度下，铜几乎不挥发。,熔融铜能溶解H2、O2 、SO2 、CO 、CO2和水蒸汽等气体。溶解的气体对铜的机械性质和电工性质均有影响。当铜液凝固时，溶解的气体又能从铜中逸出，造成铜铸在185之下，铜在干燥空气中不与氧反应。但在潮湿空气中，有CO2存在时，表面易生成一层“铜绿”称作碱式碳酸铜的物质。 铜绿有毒，故纯铜不宜用作食具。,铜在空气中加热至185即开始与氧作用，表面生成一层暗红色的铜

3、氧化物；当温度高于350时，铜的颜色逐渐由玫瑰色变黄铜色，最后变成黑色CuO外层，中间层为Cu2O，内层则仍是金属铜。 铜的电位序位于氢位置下，属正电性元素，不能从酸中置换出氢，因此不溶于盐酸，在无氧化剂的硫酸中也不溶解，能溶于硝酸和有氧化剂存在的硫酸中。铜能溶解于氨水中，铜能与氧、硫、卤素等元素直接化合。,铜能与多种元素形成合金，从而大大改善铜的性质，使之易于进行冷、热加工，并增加抗疲劳强度和耐磨性能。目前已能制备1600多种铜合金，主要系列有： 黄铜为铜锌合金，含Zn5%50%，若黄铜含Sn为1%、含Zn30%40%则称为锡黄铜，这种合金抗蚀能力强，广泛应用于船舶制造。 青铜为铜锡合金，含

4、Sn1%20%，常含Zn1%3%，若合金中含一定量的P或Si，则可称为磷青铜、硅青铜。青铜在机械制造、电器等各行业中有广泛的用途。 此外还有白铜（铜镍合金）、锰铜（锰铜合金）、铍铜合金等等。,表1-3 铜的合金种类,表2 铜的合金种类,1)氧化铜(CuO)自然界中以黑铜矿存在，黑色无光泽，氧化铜是不稳定化合物，加热时依下式分解： 4CuO=2Cu2 O + O2 反应的氧压如下： 温度 845 900 960 1000 1060 1105 压力 103pa 1.63 1.68 6.67 15.73 50.65 101.32 氧化铜易被H2 、CO、C、CxHy 等还原为金属。在冶金过程中，还可

5、被其它硫化物和较负电性金属如锌、铁、镍还原。 氧化铜不溶于水但溶于FeCl2、 FeCl3、Fe2(SO4)3、(NH4) CO3中且易与各种稀酸起作用。,2 铜的化合物性质,2)氧化亚铜(Cu2O)自然界中以赤铜矿形态存在，根据晶粒大小不同、颜色也不同，组织致密的呈樱红色，粉状的为洋红色。 氧化亚铜熔点为1235，高温下稳定。 Cu2O易于被C、CO、H、 CxHy ，还原成金属。 Cu2O与Cu2S共热时发生反应： 2 Cu2O +Cu2 S= 6Cu+SO2 该反应于450开始，1100完成，这是冰铜吹炼成粗铜的理论基础。 Cu2O与FeS共热时发生下列反应： Cu2O +FeS=Cu2

6、 S+FeO 该反应向右进行的趋势很大，这是冰铜熔炼的基本反应。 Cu O能溶于HCl、H2SO4、FeCl3、Fe2(SO4)3、NH4OH等溶剂中，这是氧化矿湿法冶金的基础。,3)铜的铁酸盐有两种形式：铁酸铜(CuOFe2O3)和铁酸亚铜(Cu2O Fe2O3 )。前者在低温下稳定，后者则在1100以上稳定。铜精矿焙烧时，易形成CuO Fe2O3 。 铜的铁酸盐不易溶解于水、氨及一般溶剂。在高温冶金中，易被强碱性氧化物如FeO、CaO等及硫化物所分解，也易于被SO2所还原。 4)铜的碳酸盐自然界中以孔雀石CuCO3Cu(OH)2和蓝铜矿2CuCO3Cu(OH)2) 形态存在。它们在高温下均

7、不稳定，加热到220以上时完成分解为CuO，CO2和H2O。湿法冶金中，铜的碳酸盐与各种溶剂发生类似于铜氧化物与各种溶剂所发生的反应，有CO2放出。,5)铜的硅酸盐自然界中以硅孔雀石(CuSiO32H20)和透视石(CuSiO3H20)形态存在。它们在高温下分解放出水与氧，形成在高温下稳定的硅酸亚铜(2Cu2OSiO2 )。硅酸亚铜容易被H2、C、CO还原。硅酸亚铜可溶于浓HNO3及稀CH3COOH中，微溶于H2SO4，易溶于HCl中。 6)硫化铜(CuS)自然界中呈铜蓝的硫物形态存在。CuS为不稳定物，加热时分解： 2CuS=Cu2S+1/2S2 在500时，分解的硫蒸汽压为66.66千帕(

8、500毫米汞柱)。 CuS不溶于水，溶于热硝酸和KCN溶液中。稀H2SO4和苛性钠对硫化铜不发生作用。,7)硫化亚铜(Cu2S)自然界中呈辉铜矿形态存在。高温下稳定，在l400时，离解压(Ps2)仅32帕(3.16xl0-4大气压)。 常温时Cu2S可溶解于NH4OH和稀硝酸中，也能溶于FeCl3、CuCl2、Fe2(SO4)3。与浓HCl作用时，逐渐放出H2S，与浓硫酸作用则生成CuS、CuSO4和SO2，对稀硫酸仅在有空气存在时，方能缓慢发生反应。常温下Cu2S不被空气氧化，高温下发生氧化反应生成铜和二氧化硫。 8)硫酸铜(CuSO4 )自然界中以胆矾(CuSO4 5H2 O)的矿物形态存

9、在。 硫酸铜易溶于水，用铁或锌可从CuSO4溶液中置换出金属铜。,9)氯化铜(CuCl2)自然界无氯化铜矿物存在，为人工制成物。 CuCl2很不稳定，隔绝空气加热至340离解成CuCl2 ，并放出氯气。 CuCl2易于挥发，在523.6其蒸气压达113.19千帕（849毫米汞柱）。 CuCl2可溶于水。 10)氯化亚铜(Cu2Cl2)为白色粉末，受日光作用即迅速变为暗黑色。 Cu2Cl2在390时即显著挥发，在1367时，其蒸气压达101.32千帕(760毫米汞柱)。这是氧化冶金的基础。 氯化亚铜几乎不溶于水，溶于盐酸及金属氯化物溶液中。,二 铜矿物及精矿的组成和分类,铜是一种存在于地壳和海洋

10、中的金属，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3%5%。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。 自然界已发现的含铜矿物有200多种，但重要的矿物仅20余种，根据铜化合物的性质，铜矿物分为自然铜、硫化矿和氧化矿3种类型。现在除了少量的自然铜外，主要有原生硫化铜矿物和次生氧化铜矿物，特别是硫化矿分布最广，世界矿铜产量的80%来自硫化矿。常见的具有工业开采价值的铜矿物如表所示。,表3 铜的主要矿物,除了铜的矿物资源，炼铜原料还包括其它金属矿的选矿和冶炼过程中产生的含铜中间物料及再生铜物料，其中再生铜物料占绝大多数。据不

11、完全统计，世界再生铜占铜消费总量的40%左右，再生铜中废杂铜占绝大多数。,再生铜物料来源可归纳以下几种： 有色金属加工企业产生的含铜废料。 消费产生的含铜废料。 进口废杂铜。 军工行业产生的铜废料。,铜矿石和精矿的组成，常常是决定采用何种冶炼工艺的关键因素。 硫化铜矿可选性好，易于富集，选矿后的铜精矿几乎全部采用火法冶炼工艺处理。,表4 部分矿山硫化铜精矿的主要化学成分(%),氧化铜矿的可选性差，一般难以进行选矿富集，而直接采用湿法工艺生产电积铜。 品位较高的以硅酸铜为主的难选氧化铜矿氧化后与硫化矿一起经浮选选出铜精矿再进行火法冶炼。,表4 铜精矿化学成分国家标准(%),表5 铜精矿成分,铜是

12、一种重要的有色金属，也是人类最先发现和最早使用的金属。远在史前时代，人类就开始采掘露天铜矿，并用获取的铜及其合金来制造各种劳动工具、兵器及生活用具、装饰品等。 历史上有过所谓“青铜时代”，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。当今，铜及其合金在国民经济各部门仍然起着重要的作用，其消耗量仅次于钢铁和铝。 由于铜具有良好导电性、传热性、延展性、较强的抗拉和耐腐蚀性，所以在电力工业、机械制造业、国防工业以及国民经济其它部门都有广泛的用途，特别是在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。,三 铜金属的用途和产销状况,1 铜的用途,用于各种电缆和导线，电机和变压器的开关以及印刷线路板。在

13、机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产300万发子弹，需用铜13-14吨。在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。,最近几十年，人们还发现铜有非常好的医学用途。20世纪70年代，我国医学发明家刘同庆、刘同乐研究发现，铜元素具有极强的抗癌功能，并成功研制出相应的抗癌药物“克癌7851”，在临床上获得成功。 后来，墨西哥科学家也发现铜有抗癌功能。最近，英国研究人员又发现，铜元素有很强的杀菌作用。相信不久的将来，铜元素将为提高人类健康水平做出巨

14、大贡献。 另外，硫酸铜常用来制造农药和化学药品。 总之，铜在国民经济中起着非常重要的作用，必须大力发展炼铜工业。,世界铜资源主要集中在智利、美国、赞比亚、俄罗斯和秘鲁等国。其中智利是世界上铜资源最丰富的国家，其铜金属储量约占世界总储量的1/3。但在2000年后铜消费市场的主角换成了中国、俄罗斯、印度和巴西。 我国探明的铜资源储量主要分布在江西、云南、湖北、西藏、甘肃、安徽、山西、黑龙江8 省。我国铜资源短缺， 每年均需进口大量的铜精矿，2007年我国可供使用的铜金属量为622.3万吨，其中国内铜资源占 24.6%，进口铜资源占到 75.4%。,2 铜的产销状况,铜的产量在20 世纪50 年代至

15、70 年代得到急速发展，1950 年全世界精铜产量只有315 万吨，到1974 年达770 万吨。 但两次石油危机导致了铜消费的萎缩从而使铜产量大幅下降。90 年代铜产量再次迅速增加，其中以智利最为突出。智利于1999 年超过美国成为全球最大的精铜生产国，宣告了美国在铜生产方面遥遥领先的时代的结束，2006年其产量约占全球产量的37%。 我国精炼铜产量位居世界第二，仅次于智利，2007 年产量占全球总量的 1/5。华东为主产铜矿区，其中，江西和安徽两省 2007 年精炼铜产量占到国内产量的 34%。,2006-2014中国精炼铜产量,2014年全年生产精炼铜795.86 万吨，同比增长13.7

16、2 %,表6 2014年中国各地区精炼铜产量,铜消费相对集中在发达国家和地区。西欧是世界上铜消费量最大的地区，2000 年后，发展中国国家铜消费的增长率远高于发达国家。西欧、美国铜消费量占全球铜消费量的比例呈递减趋势，而以中国、俄罗斯、印度和巴西为代表的新兴经济体的铜消费量则成为铜消费的主要增长点。中国从2002 年起超过美国成为第二大市场并且是最大的铜消费国，消费量占全球消费量的 1/3。华东和华南为主要消费区，二者消费量约占全国消费总量的 70。,表7 精炼铜产量及消费量(万吨),1 概述,四 铜金属的主冶炼方法,火法工艺（选矿-熔炼-精炼工艺）：传统炼铜工艺，适合处理硫化矿，占矿铜产量的80% 湿法工艺（浸出-萃取-电积） ：上世纪70年代中期后兴起，适合处理氧化矿和次生硫化矿，还用于处理浮选尾矿、废矿、旧矿和断裂的矿体；占矿铜产量的20%。 再生铜：1/3熔炼-精炼，2/3直接生产铜产品