有色冶金概论-铜冶金课件

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1、第二章铜冶金,2.1 概述 2.1.1 铜的性质和用途 1）物理性质 铜是玫瑰红色的金属，展性和延性良好。可拉成0.0799毫米的细丝，或薄片。 2）化学性质 原子量63.54， 一价和二价，一价化合物高温稳定，而二价的化合物则相反。 铜与硫化合生成硫化亚铜Cu2S和硫化铜CuS. 3）铜的用途,硫化矿：黄铜矿（CuFeS2）, 斑铜矿（Cu3FeS3）, 辉铜矿（Cu2S）, 铜蓝（CuS） 氧化矿：孔雀石（CuCO3.Cu(OH)2）, 硅孔雀石（CuSiO3.2H2O）, 兰铜矿（2CuCO3.Cu(OH)2）, 赤铜矿（Cu2O）, 胆矾（CuSO4.5H2O）,2.1.2 炼铜原料,

2、2.1.3铜的生产方法 1）火法炼铜 火法炼铜占铜生产量的90%，主要处理硫化矿。设备鼓风炉、反射炉、电炉、闪速炉和连续炼铜炉等。 2）湿法炼铜 湿法炼铜占铜生产量的10%，主要用以处理氧化矿，也有的处理硫化矿。,2.2火法炼铜的基本理论,2.2.1火法炼铜的基本原理 火法炼铜的目的:(1) 使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜,同时使炉料中的氧化物和氧化产生的铁氧化物形成炉渣.(2)使冰铜与炉渣分离。 为达到这两个目的，火法炼铜必须遵循两个原则：（1）必须使炉料有相当数量的硫来形成冰铜。（2）使炉渣含二氧化硅接近饱和，以便冰铜和炉渣不致混溶。,FeS（液）+Cu2O （液） =FeO （液） +C

3、u2S （液） 反应 G0=-35000+4.6T,2.2.2 铜熔炼的冰铜 1. 冰铜的成分 冰铜：是由Cu2S和FeS组成的合金，其中可能还有少量其他硫化物如Ni3S2、Co3S2、PbS和ZnS等，但铜铁硫的含量占总量的8595%。 2. 冰铜的性质 熔点：9001050。比重：4.85.3 冰铜是贵金属的良好捕集剂。 液体冰铜遇水容易发生爆炸。,2.2.3 铜熔炼的炉渣,1. 炉渣的成分 炉渣是由各种金属和非金属氧化物的硅酸盐组成的合金。 主要组成：SiO2、FeO和CaO（三者总量8590） 硅酸度是指炉渣中酸性氧化物SiO2的含氧量与碱性氧化物含氧星展和的比值，用K表示。,2. 炉

4、渣的性质,(1)炉渣的熔点（1050-1100 ）,影响炉料的溶化速度和燃料消耗; (2)粘度,影响炉渣与冰铜的分离和流动性，影响炉渣的排放性质、化学反应速度和传热效果; (3)炉渣的比重（3.3-3.6 ）, 炉渣和冰铜的沉清分离,冰铜与炉渣比重差应大于1; (4)炉渣的导电率（电炉）。,3. 渣含铜损失,占总铜重的12%，损失的三种类型： 化学损失，指铜以Cu20形态造渣引起的损失。 物理损失，指铜以Cu2S形态溶解于炉渣中引起的损失。（酸性炉渣溶解Cu2S较少，而FeO含量高的炉渣对Cu2S溶解度大 ）,机械损失，由于冰铜颗粒未能从炉渣中沉清所引起。它是炉渣中铜损失最大部分。一般占50%

5、以上。 主要原因： 炉渣本身的性质不良；炉渣与冰铜的沉清条件不好；由于化学反应不完全 ；冰铜颗粒太细，来不及结合成大颗粒沉降；操作因素，如在放渣时带走冰铜和生料等。,4. 渣型的选择,(1)铜炉渣应有适当的熔点一般是10501100，生产中炉渣还要保证100-150过热。 (2)铜炉渣要粘度小，流动性好，以便与冰铜分离。 (3)铜炉渣的比重不应太大，冰铜和炉渣的比重差在1-2之间。 (4)铜炉渣的表面张力要大，进而减少冰铜的悬浮。 (5)电炉熔炼时，炉渣的导电性要适当。 (6)铜炉渣对冰铜溶解度要小。 (7)造渣所配入的熔剂要少。,2.3 铜精矿的密闭鼓风炉熔炼,鼓风炉熔炼是在竖式炉子中依靠炉

6、料与上升热炉气对流加热进行熔炼，在历史上此法最早曾应用于从氧化铜矿石生产扔铜。 自从五十年代末期以来，出现了直接处理精矿的密闭鼓风炉熔炼法。它是将精矿加水混捏提高粘性，加入鼓风炉进行熔炼。炉顶为密封式，炉气用于制酸。目前鼓风炉熔炼还在生产上采用，我国约40%的铜是用这种方法冶炼的。,2.3.1密闭鼓风炉熔炼的原理,1炉料、炉气和温度在炉内的分布 炉料：混捏铜精矿、熔剂（石灰、石英石）和转炉渣组成。块料容积要占炉料容积的50%。炉气：周边行程。炉料的分布不均也使鼓风炉内温度分布不均，炉子两侧温度高，中心低。,2、鼓风炉内的物理化学过程,由上到下发生各种物理化学变化，按炉子高度分三个区域，如： （

7、1）预备区 温度区间：250600到10001100 主要物理化学变化：1）预热、干燥、脱水。2）高价硫化物和石灰石分解。3）硫化物被氧化。 4）精矿粉料的固结和烧结。 （2）焦点区 焦点区是进行激烈化学反应和熔化过程的区段。在风口上方一米左右的地方，最高温度达12501350 。,在焦点区内主要物理化学变化： 1）炉料熔化，完成造渣和造冰铜。 2）熔融硫化物的氧化。 3）焦炭的燃烧。 被氧化的主要是FeO，产出的FeO与炉料中的SiO2造渣，总反应如下： 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 此外，转炉渣中的Fe3O4 也直接与SiO2和FeS作用造渣，其

8、反应为： 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 焦炭几乎全部在焦点区被鼓入的空气燃烧： C + O2 = CO2 + 405.85 kJ,(3) 炉缸区（本床区） 位于焦点区下面，温度1200 1250。 主要物理化学变化： 1）炉渣与冰铜成分的调整。 2）少量Cu2O的再硫化 Cu2O + FeS = Cu2S +FeO 炉缸中汇集的液体产物，连续或间断地流入前床，进行沉清分离。,铜精矿的密闭鼓风炉熔炼流程图,2.4 铜精矿的闪速熔炼,闪速熔炼的优点： （1）充分利用铜精矿的表面积，将焙烧和熔炼两个工序在一次作业中完成，流程短生产率高。 （2）充

9、分利用精矿中硫和铁的氧化热，因此热效率高，燃料消耗少。 （3）烟气含SO2高，有利于制造硫酸，减少污染。 （4）脱硫率容易控制，冰铜品位高，减少吹炼时间。,闪速熔炼的缺点：,（1）精矿要充分干燥，熔剂必须粉碎。 （2）氧化气氛强，反应时间短，炉内易生成四氧化三铁炉结，渣含铜高，必须进一步贫化处理。 （3）烟尘率高，给余热锅炉等的操作带来困难。 （4）投资大，辅助设备多，因此还只限于大型工厂采用，目前大型闪速炉熔炼厂年产铜量达24万吨。,2.4.1 闪速熔炼的原理,1. 炉内的主要反应 1） 分解反应包括： FeS2 = FeS + 1/2S2 FenSn+1 = nFeS + 1/2S2 2C

10、uFeS2 = Cu2S +2FeS + 1/2S2 2CuS=Cu2S + 1/2S2 2）氧化反应是闪速熔炼的代表性反应，主要包括： FeS + 3/2O2 = FeO + SO2 3FeS +5O2 = Fe3O4 + 3SO2 6FeO + O2 = 2Fe3O4 Cu2S + 3/2O2 = Cu2O + SO2 S + O2 = SO2,3）一部分高价硫化物直接氧化和造渣的反应： 2CuFeS2 + 5/2O2 = Cu2S.FeS + 2SO2 + FeO 2FeS2 + 7/2O2 = FeS + FeO + 3SO2 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 4）相互反

11、应在熔池中进行，主要反应如下： 3Fe3O4+ FeS= 10FeO+ SO2 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5（2FeO.SiO2） + SO2 Cu2O + FeS = Cu2S + FeO 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2,2. 闪速熔炼的热工特点,闪速熔炼的热消耗一般仅为反射炉熔炼的1/2到1/3。除利用氧化和造渣反应热外，可以用补加燃料或者采用氧气自热来解决，前者称为奥托昆普闪速熔炼，后者称为氧气闪速熔炼。,闪速炉图,2.5冰铜的吹炼,2.5.1冰铜的吹炼的原理 1. 第一周期的反应和造渣过程 2FeS + 3O2=2FeO + 2SO2 2FeO +

12、SiO2 = 2FeO.SiO2 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 在转炉强氧化和搅动条件下，部分FeO能够继续被氧化： 3FeO + 0.5O2 = Fe3O4,在冰铜吹炼条件下，反应： 3Fe3O4 + FeS = 10FeO + SO2 进行很微弱，即使有SiO2存在， 反应：3Fe3O4 + FeS + SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 也受到温度低的限制，故进行的程度也是有限的。因此转炉渣中常常含1020%Fe3O4它使炉渣粘度和比重增加、熔点升高。转炉渣含铜高达23%，必须返回熔炼或单独处理。第一周期的产品主要是白冰铜。,2

13、、第二周期的主要反应和造铜过程,2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2 Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2 3Cu2S+3O2=6Cu+3SO2,2.6粗铜的火法精炼 火法精炼的实质是在液体铜中供入空气，使铜里的铁、铅、锌、铋、镍、砷、锑、硫等杂质氧化而除去，然后将还原剂加入铜里除氧，最后得到化学成分和物理规格符合电解精炼要求的阳极铜。,2.6.1粗铜的火法精炼的原理,1. 火法精炼的氧化过程 氧化过程开始是铜先氧化成Cu2O: 4Cu + O2 = 2Cu2O Cu2O溶解在铜中,其溶解度随温度升高而增加: 温度（） 1100 1150 1200 1250 溶解度（%） 5 8.3 12

14、.4 13.1,溶解的Cu2O和铜中的杂质金属（Me）发生反应: Cu2O + Me = 2Cu + MeO 反应的平衡常数： 因为MeO在铜里的溶解度很小，容易达到饱和；而铜的浓度很大，杂质氧化时几乎不发生变化，故都可视为常数，因此上式可写成： K= Cu2O Me 或,所以，Cu2O的浓度愈大，杂质金属Me的浓度就愈小。因此，为了迅速完全地除去铜中的杂质，必须使铜里的Cu2O达到饱和。 2. 火法精炼的还原过程 Cu2O + H2 = 2Cu + H2O Cu2O + CO = 2Cu + CO2 Cu2O + C = 2Cu + CO 4Cu2O + CH4 = 8Cu + CO2 +

15、2H2O,2.7 铜的电解精炼,铜的电解精炼是以火法精炼的铜为阳极，电铜为阴极，在硫酸铜和硫酸电解液中通直流电电解，根据电化学性质的不同，杂质进入阳极泥或保留在电解液中，而在阴极产出纯铜。,2.7.1 电解精炼的电极反应,阳极反应：阳极可能进行的反应如下： Cu 2e = Cu2+ E0Cu/Cu2+ = 0.34伏 Me 2e = Me2+ E0Me/Me2+0.34伏 H2O 2e=2H+ 1/2O2 E0H2O/O2 = 1.229伏 SO2-4 2e = SO3 + O2 E0SO2-4/O2 = 2.42伏,阴极反应：阴极上可能进行的反应：,Cu2+2e=Cu E0Cu/Cu2+=0.34 伏 2H+2e=H2 E0H+/H2=0伏 Me2+2e=Me E0Me/Me2+0.34伏 在这些反应中，根据标准电位次序表，只有标准电位大的金属离子能够优先进行还原，但这些金属在阳极不溶解，因此只有铜离子还原是阴极的主要反应。,2.7.2铜电解精炼的条件控制,1、电解液成分 2、电流密度 3、槽电压 4、电流效率,2.7.3铜电解精炼的设备和指标,1、设备 铜电解槽 2、指标 直流电耗230260千瓦小时/吨铜 直接回收率85% 电解总回收率99.9% 硫酸消耗45公斤/吨铜 蒸汽消耗