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1、第四篇 重金属冶金第6章 铜冶金6.1 概述 6.1.1 世界铜生产概况铜是人类最早发现和使用的金属之一 中国是世界上最早使用铜器的国家之一中世纪铜矿的开采主要是在欧洲的西班 牙，日耳曼、英国、俄罗斯。 目前铜产量顺序为：美国、智利、日 本、中国。6.1.2 铜及其主要化合物的性质与用途 6.1.2.1铜的性质（1）物理性质颜色:玫瑰红色；延展性:柔软；导电导 热性：仅次于银，居金属的第二位元素周期表第四周期第IB族元素， 原 子序数29，原子量63.57；密度 8.96g/cm3，熔点1083.4, 沸点 2567 。（2）化学性质 6.1.2.2铜的用途(1)电气工业 48.2%(2)建筑
2、工业 16.2%(3)运输交通 6.6%(4) 通用工具 20.6%(5) 家用及其它 8.4%6.1.3 炼铜原料及方法 6.1.3.1 炼铜原料 在地壳中的丰度7.010-5（g/t) 铜矿物分为自然铜、硫化矿和氧化矿。硫化矿:Cu2S(辉铜矿),CuFeS2(黄铜矿), CuS(铜蓝)氧化矿:Cu2O(赤铜矿),CuO(黑铜矿 ),CuCO3Cu(OH)2(孔雀石)6.1.3.2 铜的生产方法（1）火法：造锍熔炼、锍的吹炼、粗铜火法精炼、阳极铜电解精炼（2）湿法:焙烧、浸出和净化、电沉积 锍：各种硫化物的混合体6.2 造锍熔炼的基本原理 6.2.1 造锍熔炼时物料的物理化学变化(1) 各
3、类高价化合物及碳酸盐的离解(1200以上）FeS2 = FeS + 0.5S2FenSn+1 = nFeS + 0.5S22CuFeS2 = Cu2S +2FeS + 0.5S22CuS = Cu2S + 0.5S22Cu3FeS3 = 3Cu2S +2FeS + 0.5S23NiS = Ni3S2 + 0.5S22CuO =Cu2O + 0.5O2CaCO3 = CaO + CO2MgCO3 = MgO + CO2 在熔炼高温下,稳定的铜化合物物为Cu2S、Cu2O; 稳定 的铁硫化物是FeS;稳定的镍硫化物是Ni3S2.（2）硫化物氧化 FeS + 1.5O2 = FeO + SO2FeS
4、2 + 2.5O2 = FeO + 2SO23FeS + 5O2 = Fe3O4 + 3SO2Cu2S + 1.5O2 = Cu2O + SO2(3)铁的氧化物及脉石造渣反应2FeO + SiO2 = 2FeOSiO23Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeOSiO2) + SO2(4) 燃料的燃烧反应C + O2 = CO22H2 + O2 = 2H2OCH4 + 2O2 = 2H2O +CO26.2.2 锍的形成及其特性 铁的硫化物FeS在高温下能与许多重金属硫化物形成共熔体即锍。 冰铜：铜以Cu2S的形态与未被氧化的 FeS及少量的其他金属硫化物形成的锍 。冰铜组成：Cu
5、2S, FeS, 少量铁的氧化 物， PbS, ZnS, Co3S, Au, Ag, 铂族 金属全部溶入冰铜，Se, Te, As, Sb, Bi等元素部分溶入冰铜。 通常冰铜中氧的质量分数约为3%， 氧在冰铜中以FeO 和Fe3O4两种形态 存在。 随着冰铜品位的升高，氧的含量降低 ；随二氧化硅含量增高，含氧量下降。6.2.3 造锍熔炼炉渣及其特性炉渣 是炉料和燃料中各种氧化物的共 熔体. 炉渣组成: FeO-SiO2-CaO、FeO- SiO2-Al2O3 和FeO-Fe2O3-SiO2渣 系。 炉渣的碱度定义：M0 = w(CaO) + w(MgO) +w(FeO)/w(SiO2 + w
6、(Al2O3) M0 = 1的炉渣为中性渣；M0 1的炉渣为碱性渣； M0 1的炉渣为酸性渣。炉渣的粘度： （1）组成炉渣的氧化物 对粘度的影 响SiO2对炉渣粘度的影响：在熔融的炉渣 中， SiO2以硅氧络阴离子形态存在。它 的最小单位是Si-O四面体结构（ SiO4-4 ）。炉渣中SiO2质量分数越高、硅氧络 阴离子的结构越复杂，离子半径越大，炉 渣的粘度越大，流动性越差。碱性氧化物对炉渣粘度的影响：使硅氧络 离子结构变得简单，减低炉渣粘度。（2）温度对炉渣粘度的影响： 造锍熔炼过程对炉渣的基本要求：（1）炉渣与冰铜不互溶，对Cu2S溶解度 小；（2）具有良好的流动性；（3）具有相对低的密
7、度；（4）具有相对大的界面张力。6.2.4 造锍熔炼过程中FeS的优先氧化 FeS是铜最终以Cu2S形态进入冰铜的 保证：造锍熔炼的物料中，主要是铜和铁 的硫化物。只要料中有FeS存在，铜的 氧化物（ Cu2O）就必然会按下式转变 成硫化物（ Cu2S）进入冰铜相。FeS(l.mt) + Cu2O = FeO(l.sl) + Cu2S(l.mt)K1473 = 2.78 104 0 = -144570 + 13.05T(J)体系中Cu2S和FeO是稳定相。6.2.5 化学位图熔炼冶金过程涉及O2S2SO2, 是Me- S-O组成的体系。 硫位-氧位图：以各种化学反应达到平衡时的热力学计 算为基
8、础绘制而成，表示在一定温度下 金属及其化合物在S2-O2-SO2气氛 下稳定存在的热力学条件。通过对硫位-氧位图的研究，能够深入 了解金属及其化合物稳定存在的条件； 可以判断在给定的条件下哪些反应可能 进行，哪些反应不能进行；采取哪些措 施改变热力学条件可以促使反应进行。造锍熔炼过程中杂质行为 （1）锍和铜是贵金属的良好捕收剂； （2）炉渣：FeO、脉石； （3）烟尘：易挥发杂质或其氧化物易挥发 。6.3 造锍熔炼方法造锍熔炼分熔池熔炼、漂浮熔炼两类。 6.3.1 熔池熔炼熔池熔炼是将氧气或富氧空气经设于侧 墙、埋于熔池中的风口或经设于反应器 顶部的喷枪直接鼓进锍层或炉渣层, 炉 料未经干燥直
9、接加到受鼓风强烈搅动的 炉池表面, 实现气液固三相反应。工业应用的有：反射炉法、诺兰达法、 瓦纽科夫法、三菱法、白银法、艾萨法 、氧气顶吹回转转炉法。6.3.2 漂浮状态熔炼漂浮状态熔炼是将几乎彻底干燥的精矿 与空气或富氧空气或预热空气一起喷入 炽热的炉子空间, 使硫化物在漂浮状态 下（流态化）进行氧化反应, 受热熔化, 以便充分利用粉状物料的巨大面积, 加 速完成初步造锍和造渣等冶金过程.烟气综合利用 工业上应用的的有: 闪速熔炼法 基夫塞特法康托普法OSS法. 闪速熔炼法:奥托昆普闪速熔炼和 印柯闪速熔炼. 6.3.3 密闭鼓风熔炼课后作业题: 1 铜矿物分几个类型? 2 铜的生产方法分几
10、类?火法炼铜的主要优点是什么? 3 火法炼铜的原料是什么?生产的主要步 骤有哪些? 4 造锍熔炼的目的是什么?何谓造锍熔炼 ?5 火法和湿法炼铜的原则流程? 6 造锍熔炼过程中物料的主要物理化学 变化?7 冰铜的概念?氧在冰铜中是以什么形态 存在的?8 冰铜中铜的品位与氧含量有什么关系?9 炉渣碱度是如何定义的?11 碱性渣和酸性渣有什么区别?12 造锍熔炼过程对炉渣的基本要求如何 ?13 为什么说造锍熔炼过程中FeS优先氧 化？14 金属热还原选择还原剂的依据是什么 ？15 造锍熔炼过程中杂质的行为如何？16 渣含氧化硅对锍与炉渣平衡有何影响 ？17 造锍熔炼过程中硫和氧的传递规律？18 何谓熔池熔炼？分几类？19 何谓漂浮状态熔炼？分几类？20 闪速熔炼分几类？奥托昆普闪速熔炼的 工作原理是什么？
