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1、第一篇重金属冶金第一篇重金属冶金第第2 2章铜冶金章铜冶金2.1 2.1 绪论绪论2.22.2 造锍造锍( (冰铜冰铜) )熔炼的基本原理熔炼的基本原理2.32.3冰铜熔炼的方法冰铜熔炼的方法2.4 2.4 冰铜吹炼冰铜吹炼2.5 2.5 粗铜火法精炼粗铜火法精炼2.6 2.6 铜的电解精炼铜的电解精炼2.7 2.7 铜的湿法冶金铜的湿法冶金22.1 2.1 绪论绪论2 2.1.1 .1.1 发展简史发展简史l铜是人类最早发现和使用的金属之一（石器时代之后便是青铜是人类最早发现和使用的金属之一（石器时代之后便是青铜器时代）；铜器时代）；l中国是世界上最早使用铜器的国家之一（铜钱、铜鼎）；中国是
2、世界上最早使用铜器的国家之一（铜钱、铜鼎）；l1717世纪发明现代炼铜法后，铜产量才明显增加；世纪发明现代炼铜法后，铜产量才明显增加；l目前的产铜大国：美国、智利、日本、中国。目前的产铜大国：美国、智利、日本、中国。32 2.1.1.2 2 铜的性质铜的性质n物理性质物理性质玫瑰红色，柔软，玫瑰红色，柔软，具有展性具有展性，易于锻造和压延。，易于锻造和压延。导电性和导热性导电性和导热性仅次于仅次于仅次于仅次于银银银银，如果把银的电导率和热导率看作，如果把银的电导率和热导率看作100%100%，则铜的电导率和热导率分别为，则铜的电导率和热导率分别为93%93%和和73.2%73.2%。由于热导率
3、。由于热导率高，铜不易局部加热至高温，因此较难焊接。高，铜不易局部加热至高温，因此较难焊接。铜的主要物理性质见下表：铜的主要物理性质见下表：4铜原子的电子层结构如下表：铜原子的电子层结构如下表：问题：铜有几种价态？为什么？问题：铜有几种价态？为什么？ 3d3d与与4s4s能能级级相相近近，铜铜不不仅仅能能失失去去4s4s上上的的电电子子，也也可可能能失失去去3d3d上上的一个电子，因此其形成化合物时有的一个电子，因此其形成化合物时有+1+1和和+2+2两种价态。两种价态。5n化学性质化学性质铜在干燥的空气中常温时稳定，加热生成黑色铜在干燥的空气中常温时稳定，加热生成黑色CuOCuO；在含在含C
4、OCO2 2的潮湿空气中，其表面生成铜绿的潮湿空气中，其表面生成铜绿Cu(OH)Cu(OH)2 2COCO3 3 ；铜绿有毒，因此纯铜不要用作食具，用之前必须镀锡；铜绿有毒，因此纯铜不要用作食具，用之前必须镀锡；铜绿有毒，因此纯铜不要用作食具，用之前必须镀锡；铜绿有毒，因此纯铜不要用作食具，用之前必须镀锡；铜属正电性金属，电位序中位于氢之后，不能从酸中置换氢；铜属正电性金属，电位序中位于氢之后，不能从酸中置换氢；u铜及其化合物与各种溶剂的作用情况见下表：铜及其化合物与各种溶剂的作用情况见下表：62 2.1.1.3 3 铜的用途铜的用途72 2.1.1.4 4 铜的冶金原料铜的冶金原料铜在地壳中
5、的含量很低（约为铜在地壳中的含量很低（约为0.01%0.01%），个别矿床中可达），个别矿床中可达3%3%5%5%。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿，其中自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿，其中硫化铜矿占硫化铜矿占80%80%以上（一般含铜以上（一般含铜2%2%3% 3% ）。自然界中铜矿物有自然界中铜矿物有240240种，其中有工业开采价值的铜矿仅有种，其中有工业开采价值的铜矿仅有1010余种（见余种（见下页）下页）世界铜资源主要分布在北美、拉丁美洲和中非，世界已探明储量约世界铜资源主要分布在北美、拉丁美洲和中非，世界已探明储量约3.53.5亿万吨，其中美洲占亿万吨，其中美
6、洲占60%60%；我国铜生产主要集中于华东地区，其中安徽和江西两省约占我国铜生产主要集中于华东地区，其中安徽和江西两省约占30%30%；我国可供开采的铜矿很少，有江西德兴铜矿、西藏裕龙铜矿、玉龙铜矿、我国可供开采的铜矿很少，有江西德兴铜矿、西藏裕龙铜矿、玉龙铜矿、新疆阿舍勒铜矿。新疆阿舍勒铜矿。89p目前工业开采的铜矿石目前工业开采的铜矿石一般含铜一般含铜 0.4%0.4%0.5%0.5%，火法冶金时，必须进行火法冶金时，必须进行选矿以提高铜矿的品位选矿以提高铜矿的品位；p湿法冶金时，不进行选矿，而是直接浸出提取铜。湿法冶金时，不进行选矿，而是直接浸出提取铜。铜精矿生产的工艺流程图铜精矿生产的
7、工艺流程图10选矿后所得铜精矿的品位可达选矿后所得铜精矿的品位可达10%10%30% 30% 。112 2.1.1.5 5 铜的冶炼方法铜的冶炼方法n总体分为火法和湿法，火法占总体分为火法和湿法，火法占80%80%。火法的优点：适应性强，能耗低，生产效率高；火法的优点：适应性强，能耗低，生产效率高；湿法的优点：可处理氧化矿，低品位难处理矿。湿法的优点：可处理氧化矿，低品位难处理矿。12火法炼铜的原则工艺流程图火法炼铜的原则工艺流程图13.9湿法炼铜的原则工艺流程图湿法炼铜的原则工艺流程图142.2 2.2 造锍熔炼的基本原理造锍熔炼的基本原理2 2. .2 2.1 .1 造锍熔炼的目的造锍熔炼
8、的目的l什么叫锍？什么叫锍？u铁的硫化物铁的硫化物FeSFeS在高温下能与许多重金属硫化物形成共熔体即在高温下能与许多重金属硫化物形成共熔体即锍锍锍锍，如如铜锍（又称冰铜）铜锍（又称冰铜）、镍锍镍锍等。等。l什么叫造锍熔炼（冰铜熔炼）？什么叫造锍熔炼（冰铜熔炼）？u在高温和氧化气氛条件下将铜精矿熔化生成在高温和氧化气氛条件下将铜精矿熔化生成MeSMeSMeSMeS共融体共融体共融体共融体，又称之为，又称之为造造造造锍熔炼锍熔炼锍熔炼锍熔炼。造锍熔炼的目的是造锍熔炼的目的是将精矿中的铜富集于冰铜中，而大部分铁将精矿中的铜富集于冰铜中，而大部分铁的氧化物与加入的熔剂造渣。的氧化物与加入的熔剂造渣。
9、152 2. .2 2. .2 2 造锍造锍( (冰铜冰铜) )熔炼时的反应熔炼时的反应u造锍熔炼的原料主要是硫化铜精矿和含铜的返料，主要含造锍熔炼的原料主要是硫化铜精矿和含铜的返料，主要含CuCu、FeFe、S S，还有一定量脉石。熔炼过程中的理化变化如下：还有一定量脉石。熔炼过程中的理化变化如下：(1)各各类类高价化合物及碳酸高价化合物及碳酸盐盐的分解的分解 1200 以上，所有高价化合物均会以上，所有高价化合物均会发发生离解反生离解反应应，常，常见见的的为为： 16（2）硫化物的氧化）硫化物的氧化 1200 以上，所有高价化合物均会以上，所有高价化合物均会发发生离解反生离解反应应，常，常
10、见见的的为为： 强强氧氧化化性性气气氛氛下下某某些些高高价价硫硫化化物物未未分分解解前前即即有有一部分被氧化一部分被氧化（3）铁铁氧化物及脉石造渣反氧化物及脉石造渣反应应 （4）燃料的燃）燃料的燃烧烧反反应应 17通通入入适适量量氧氧气气使使冰冰铜铜品品位位达达到到要要求求，且且渣渣中中含含铜铜量量不不会会太太高高是是熔熔炼炼工工艺的关键。艺的关键。 18Me-S-O系硫位系硫位-氧位氧位图图Cu-Fe-S-O-SiO2系硫位系硫位-氧位氧位图图2.2.3 造锍造锍(冰铜冰铜)熔炼的流程熔炼的流程u在高温和在高温和氧化气氛氧化气氛氧化气氛氧化气氛下将硫化铜精矿熔化生成下将硫化铜精矿熔化生成Me
11、S共融体，流程包括：共融体，流程包括：(1) 熔炼炉中空气与精矿、熔剂接触，使部分硫化物快速氧化。熔炼炉中空气与精矿、熔剂接触，使部分硫化物快速氧化。 放热反应，可充分利用反应热，甚至实现自热熔炼。放热反应，可充分利用反应热，甚至实现自热熔炼。(2) 冰冰铜铜穿穿过过渣渣层层沉降到下面的冰沉降到下面的冰铜层铜层。 沉降期间，冰铜中的沉降期间，冰铜中的FeS和渣中的和渣中的Cu2O发生如下反应：发生如下反应： FeS + Cu2O = FeO + Cu2S （吸热反应）（吸热反应）(3) 通通过过出出铜铜口和出渣口周期性地放出冰口和出渣口周期性地放出冰铜铜和渣。和渣。 熔炼炉的加料和烟气回收均连
12、续进行，但冰铜和渣层间歇放出。熔炼炉的加料和烟气回收均连续进行，但冰铜和渣层间歇放出。19此反应可此反应可减少铜的减少铜的损失损失2 2. .2 2. .4 4锍锍( (冰铜冰铜) )的形成及其特性的形成及其特性Cu2S-FeS二元系二元系相图相图熔炼温度熔炼温度20n 锍是怎么形成的？锍是怎么形成的？FeS-MeS二元系的液相二元系的液相线线 FeS-MeS共共熔熔的的特特性性是是重重金金属属矿矿物物原原料料造造锍锍熔熔炼炼的依据。的依据。21n冰铜的组成冰铜的组成主体成分为主体成分为Cu2S和和FeS，还溶解了少量其它氧化物和硫化物，如，还溶解了少量其它氧化物和硫化物，如Ni3S2、CoS
13、、PbS、ZnS等；等；Au、Ag及铂族元素几乎全部进入冰铜；及铂族元素几乎全部进入冰铜；Se、Te、As、Sb、Bi等元素部分进入冰铜。等元素部分进入冰铜。冰铜最重要的参数：冰铜最重要的参数：品位品位品位品位。u冰铜组成一般为冰铜组成一般为Cu 30%-55%，Fe 30%-45%，S 22%-25%，O2 2%-3%，熔点：，熔点：1223-1327 K。其中。其中O是有害成分是有害成分22冰铜是贵冰铜是贵金属的良金属的良好捕集剂好捕集剂Cu2S-FeS-FeO三元系相图三元系相图 氧氧氧氧是是冰冰铜铜中中的的有有害害成成份份，应应尽尽量量减少其含量减少其含量。氧氧 的的 存存 在在形形式
14、式：FeO和和Fe3O4。23l 冰冰铜铜中中溶溶解解氧氧 主主 要要 是是 FeS对对FeO的的溶溶解解，而而 Cu2S对对 FeO几乎不溶解。几乎不溶解。 低低品品位位冰冰铜铜溶氧能力溶氧能力强强。FeO在在Cu2S-FeS系冰系冰铜铜中的溶解度中的溶解度24l 除除冰冰冰冰铜铜铜铜品品品品位位位位外外外外，炉炉炉炉渣渣渣渣成成成成分分分分对对冰冰铜铜的的溶溶氧氧量也有影响。量也有影响。n冰铜品位的选择冰铜品位的选择u冰铜品位太低，吹炼时渣量大，转炉寿命一般降低冰铜品位太低，吹炼时渣量大，转炉寿命一般降低10多炉次；多炉次；u高品位冰铜可降低吹炼时的熔剂消耗，减少脱硫量，增大烟气中高品位冰
15、铜可降低吹炼时的熔剂消耗，减少脱硫量，增大烟气中SO2浓度；浓度；u 冰铜品位升高也使得熔炼渣中铜含量增加；冰铜品位太高使得吹冰铜品位升高也使得熔炼渣中铜含量增加；冰铜品位太高使得吹炼时氧化反应产生的热量不足，吹炼难以进行。炼时氧化反应产生的热量不足，吹炼难以进行。u 冰铜的品位一般为冰铜的品位一般为30%55% (较合理为较合理为37% 42%)，当冰铜品，当冰铜品位高于位高于60%时，渣中含铜量迅速增加。时，渣中含铜量迅速增加。分配定律：在一定温度下，如果一种物质溶解在两个互不相溶的分配定律：在一定温度下，如果一种物质溶解在两个互不相溶的液相里，平衡时该物质在此两相中的浓度比是一常数，即：
16、液相里，平衡时该物质在此两相中的浓度比是一常数，即：2526铜铜溶解溶解损损失与失与锍锍品位的关系品位的关系u 冰铜品位的选择取决于炉料的性质和成分、熔炼特性和经冰铜品位的选择取决于炉料的性质和成分、熔炼特性和经济条件；济条件；u 冰铜品位一般不能在大范围内变动，可用冰铜品位一般不能在大范围内变动，可用预焙烧预焙烧预焙烧预焙烧来调整；来调整；u 冰铜品位越低，吹炼时间越长，消耗电能越多，炉衬消耗冰铜品位越低，吹炼时间越长，消耗电能越多，炉衬消耗越快。越快。272.2.5 炉渣的组成及性质炉渣的组成及性质uu 组成：组成：组成：组成：冰铜熔炼的炉渣是一种氧化物熔体，通常包括：冰铜熔炼的炉渣是一种氧化物熔体，通常包括：FeO、SiO2、CaO、Al2O3和和MgO。2829FeO-SiO2-CaO系状系状态图态图u 熔融炉渣分子熔融炉渣分子结结构按氧化物可分构按氧化物可分为为三种：三种：酸性渣、碱性渣、中性渣；酸性渣、碱性渣、中性渣；u 酸性氧化物酸性氧化物SiO2对对炉渣的性炉渣的性质质影响最大影响最大，其含量越高炉渣的黏度越大，其含量越高炉渣的黏度越大，流流动动性越差。性越差。Al2O
