1、銅冶金學第5章2022/7/25銅冶金學第5章.1 概 述 硫化銅精礦經(jīng)過造锍熔煉產(chǎn)出了銅锍。 銅锍是金屬硫化物的共熔體。主要成分除了Cu、Fe、S外，還含有少量Ni，Co，Pb，Zn，Sb，Bi，Au，Ag，Se等及微量SiO2，此外還含有2% 4%的氧，銅锍中的Cu，Pb，Zn，Ni等重有色金屬一般是以硫化物的形態(tài)存在，鐵的物相主要是FeS，也有少量以FeO、Fe3O4形態(tài)存在。 吹煉目的：除去銅锍中的鐵和硫以及其它雜質(zhì)，獲得粗銅。 銅锍是貴金屬的良好捕集劑。 在吹煉過程中，金、銀及鉑族元素等貴金屬幾乎全部富集于粗銅中。銅冶金學第5章表1 部分熔煉方法的銅锍化學組成銅冶金學第5章 銅锍的吹

2、煉設(shè)備有： 臥式側(cè)吹轉(zhuǎn)爐 諾蘭達連續(xù)吹煉轉(zhuǎn)爐 澳斯麥特爐 三菱法連續(xù)吹煉爐 反射爐式的吹煉爐（也稱連吹爐） 閃速吹煉爐 用臥式側(cè)吹轉(zhuǎn)爐吹煉其過程是間歇式的周期性作業(yè)。吹煉溫度在1150 1300。5.2 銅锍吹煉的工藝銅冶金學第5章 整個過程分為兩個周期。 在吹煉的第一周期，銅锍中的FeS與鼓入空氣中的氧發(fā)生強烈的氧化反應(yīng)，生成FeO和SO2氣體。FeO與加入的石英熔劑反應(yīng)造渣，故又叫造渣期。造渣期完成后獲得了白锍(Cu2S)，繼續(xù)對白锍吹煉，即進入第二周期。 銅冶金學第5章 在吹煉的第二周期，鼓入空氣中的氧與Cu2S（白锍）發(fā)生強烈的氧化反應(yīng)，生成Cu2O和SO2。Cu2O又與未氧化的Cu2

3、S反應(yīng)生成金屬Cu 和SO2，直到生成的粗銅含Cu98.5%以上時，吹煉的第二周期結(jié)束。 銅锍吹煉的第二周期不加入熔劑、不造渣，以產(chǎn)出粗銅為特征，故又叫造銅期。 銅冶金學第5章 圖5.1轉(zhuǎn)爐渣吹煉工藝流程轉(zhuǎn)爐渣粗銅轉(zhuǎn) 爐銅冶金學第5章.3 銅锍吹煉的基本原理.3.1 吹煉過程中的主要物理化學變化 銅锍的銅品位通常在30%65%之間，其主要成分是FeS和Cu2S。此外，還含有少量其它金屬硫化物和鐵的氧化物。硫化物的氧化反應(yīng)可用下列通式表示: MeS+2O2=MeSO4 (.1) MeS+1.5O2=MeO+SO2 (.2) MeS+O2=Me+SO2 (.3)銅冶金學第5章MeSO4在吹煉溫度下

4、不能穩(wěn)定存在，即硫化物不會按 MeS+2O2=MeSO4 （.1）反應(yīng) MeS+O2=Me+SO2 (.3)是一個總反應(yīng)，實際上，它是分兩步進行的，即：第一步：MeS+1.5O2=MeO+SO2 (.2)第二步：2MeO+MeS=3Me+SO2 (.4)銅冶金學第5章圖.2硫化物與氧反應(yīng)的G0 T關(guān)系5.3.2銅锍吹煉時FeS、Cu2S氧化順序銅冶金學第5章 從圖.2看出，F(xiàn)eS氧化反應(yīng)的標準吉布斯自由能G0最負，所以在锍吹煉的初期，它優(yōu)先于Cu2S氧化。隨著FeS的氧化造渣，它在锍中的濃度降低，而Cu2S的濃度提高，二者同時氧化的趨勢增長。 在FeS濃度未降到某一數(shù)量時，即使Cu2S能氧化成

5、Cu2O ，它也只能是氧的傳遞者，按下列反應(yīng)進行著循環(huán)： Cu2S+ 1.5O2 = (Cu2O) + SO2 (5.5) (Cu2O) + FeS = Cu2S + (FeO) (5.6)銅冶金學第5章 Cu2S與FeS共同氧化時的濃度關(guān)系 從熱力學條件分析是下列兩反應(yīng)的吉布斯自由能變化相等： FeS + 1.5O2= (FeO) +SO2 Cu2S +1.5O2 = (Cu2O) + SO2銅冶金學第5章 當 GFeS=GCu2S時，得到FeS和Cu2S共同氧化時的濃度（摩爾分數(shù)）關(guān)系： 由此關(guān)系式計算得出不同溫度下Cu2S與FeS的濃度比值：溫度（K） 1273 1373 1473 15

6、73Cu2S/FeS 2.5104/1 1.62104/1 1.1104/1 7.8103/1銅冶金學第5章計算結(jié)果表明，在吹煉溫度下，只有當熔體中Cu2S濃度約為FeS濃度的250007800倍時，Cu2S 才能與FeS共同氧化或優(yōu)先氧化。工業(yè)實踐中，白锍中的Fe含量降到1%以下，也就是要等锍中的FeS幾乎全部氧化之后，Cu2S才開始氧化。 以上分析的硫化物氧化順序說明了在間斷吹煉銅锍時嚴格地可分為兩個周期的根據(jù)。銅冶金學第5章吹煉過程中會有金屬鐵出現(xiàn)嗎？鐵的化合物不會按反應(yīng)(.5） 2FeO+FeS=3Fe+SO2發(fā)生生成金屬鐵。圖.3硫化物與氧化物交互反應(yīng)的G0 T關(guān)系銅冶金學第5章5.

7、3.3 Cu2S 的氧化與粗銅的生成 吹煉進入造銅期后，發(fā)生Cu2S與Cu2O的反應(yīng)： 2Cu2O+ Cu2S=6Cu+SO2生成金屬銅，但并不是立即出現(xiàn)金屬銅相，該過程可以用Cu-Cu2S-Cu2O體系狀態(tài)圖5.4說明。銅冶金學第5章圖.4Cu-Cu2S-Cu2O 系狀態(tài)圖L1： 溶解有少量Cu2S的銅相L2： 溶解有少量銅的Cu2S相，銅冶金學第5章Cu2S + Cu過吹CuCu + Cu2SCu含 Cu2O Cu2SCu2S+CuCu+ Cu2S銅冶金學第5章5.3.4 Fe3O4 的生成與破壞 在吹煉的第一周期是FeS的氧化，氧化產(chǎn)物可以是FeO，也可以是Fe3O4，從FeS氧化的標準

8、吉布斯自由能變化（表.2）可以看出生成Fe3O4的條件。 銅冶金學第5章表.2化學反應(yīng)標準吉布斯自由能變化化學反應(yīng)反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化（kJ）10001200140016001. 2/3FeS+O2=2/3FeO+2/3SO2 G0=-303557+52.71T-236.5-225.9-215.4-204.82. 3/5 FeS+O2=1/5Fe3O4+3/5SO2G0=-362510+86.07T-252.9-235.7-218.6-201.33. 6FeO+O2=2 Fe3O4 G0=-809891+342.8T-373.5-304.9236.4167.84. 9/5 Fe3O4+3

9、/5FeS=6FeO+3/5SO2G0=5305577-300.24T148.488.328.3-3185. 2FeO+SiO2=2FeOSiO2G0=-99064-24.79T-130.6-135.6-140.5-145.56. 3 Fe3O4+ FeS+5 SiO2=5(2FeOSiO2) + SO2G0=519397-352.13T71.10.71-69.7-140.1銅冶金學第5章 Fe3O4會使爐渣熔點升高、粘度和密度也增大，結(jié)果既有不利之處，也有有利的作用。轉(zhuǎn)爐渣中Fe3O4含量較高時，會導(dǎo)致渣含銅顯著增高，噴濺嚴重，風口操作困難。在轉(zhuǎn)爐渣返回熔煉爐處理的情況下，還會給熔煉過程帶來

10、很大麻煩。 利用Fe3O4的難熔特點，可以在爐壁耐火材料上附著成保護層，利于爐壽命的提高。在實踐生產(chǎn)上，稱之為掛爐作業(yè)。銅冶金學第5章控制Fe3O4的措施和途徑。 （1）轉(zhuǎn)爐正常吹煉的溫度在12501300之間。在兼顧爐子耐火材料壽命的情況下，適當提高吹煉溫度。（2）保持渣中一定的SiO2含量。（3）勤放渣。銅冶金學第5章 總結(jié)以上分析，得出在吹煉溫度下，Cu和Fe硫化物的氧化反應(yīng)是：造渣期造銅期FeS + 1.5O2 = FeO + SO2FeO + SiO2 = 2FeOSiO2Cu2S +1.5O2 = Cu2O + SO22Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2 因為以上反應(yīng)的

11、存在，得以實現(xiàn)用吹煉的方法將锍中的Fe與Cu分離，完成粗銅制取的過程。銅冶金學第5章.吹煉過程中雜質(zhì)元素的行為及其在產(chǎn)物中的分配.1.吹煉過程中雜質(zhì)元素的行為 一般銅锍中的主要雜質(zhì)有Ni、Pb、Zn、Bi及貴金屬。它們在P-S轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的行為分述如下：銅冶金學第5章（1）Ni3S2在吹煉過程中的變化Ni3S2是高溫下穩(wěn)定的鎳的硫化物。當熔體中有FeS存在時，NiO能被FeS 硫化成Ni3S2： 3NiO(s) + 3FeS(l) + O2 = Ni3S2 (l) +3FeO(l) +SO2 只有在FeS濃度降低到很小時，Ni3S2才按下式被氧化：Ni3S2+3.5O2=3NiO+2SO2

12、+1186kJ 氧化反應(yīng)的速度很慢，NiO不能完全入渣。銅冶金學第5章（在造銅期）當熔體內(nèi)有大量銅和Cu2O時，少量Ni3S2 可按下式反應(yīng)生成金屬鎳： Ni3S2(l) + 4 Cu(l) = 3Ni + 2 Cu2S(l) Ni3S2(l) + 4 Cu2O（l） = 8 Cu(l) +3Ni + 2SO2 在銅锍的吹煉過程中，難于將鎳大量除去，粗銅中Ni含量仍有0.5%0.7%。銅冶金學第5章（2）CoS在吹煉過程中的變化CoS只在造渣末期，即在FeS含量較低時才按下式被氧化成CoO： CoS+1.5O2=CoO+SO2生成的CoO與SiO2結(jié)合成硅酸鹽進入轉(zhuǎn)爐渣。 當硫化物熔體中含鐵約

13、10%或稍低于此值時，CoS開始劇烈氧化造渣。在處理含鈷的物料時，后期轉(zhuǎn)爐渣含鈷可達0.4%0.5%或者更高一些。因此常把它作為提鈷的原料 銅冶金學第5章（3）ZnS在吹煉過程中的變化在銅锍吹煉過程中，鋅以金屬Zn、ZnS和ZnO三種形態(tài)分別進入煙塵和爐渣中。以ZnO 形態(tài)進入吹煉渣： ZnS +1.5 O2 = ZnO +SO2 G=-521540+120T (J) ZnO +2SiO2 =ZnO2SiO2 ZnO +SiO2 =ZnOSiO2 銅冶金學第5章在銅锍吹煉的造渣期末造銅期初，由于熔體內(nèi)有金屬銅生成，將發(fā)生下面的反應(yīng)： ZnS+2Cu=Cu2S+Zn(g)在各溫度下該反應(yīng)的鋅蒸汽

14、壓如下所示： 溫度（） 1000 1100 1200 1300 PZn (Pa) 6850 12159 25331 46610 由于轉(zhuǎn)爐煙氣中鋅蒸氣的分壓很小,所以金屬Cu與ZnS的反應(yīng)能順利地向生成鋅蒸氣的方向進行。生產(chǎn)實踐表明，锍中的鋅約有70%80%進入轉(zhuǎn)爐渣，20%30%進入煙塵。銅冶金學第5章（4）PbS在吹煉過程中的變化在锍吹煉的造渣期，熔體中PbS的25%30%被氧化造渣，40%50%直接揮發(fā)進入煙氣， 2530%進入白銅锍中。PbS的氧化反應(yīng)在FeS之后、Cu2S之前進行，即在造渣末期，大量FeS被氧化造渣之后，PbS才被氧化，并與SiO2造渣。 PbS+1.5O2=PbO+S

15、O2 2PbO+SiO2=2PbOSiO2由于PbS沸點較低（1280）， 在吹煉溫度下，有相當數(shù)量的PbS直接從熔體中揮發(fā)出來進入爐氣中。 銅冶金學第5章（5）Bi2S3在吹煉過程中的變化Bi2S3易揮發(fā)。锍中的Bi2S3在吹煉時被氧化成Bi2O3： 2 Bi2S3 +9O2= 2Bi2O3+6SO2 生成的Bi2O3可與Bi2S3 反應(yīng)生成金屬鉍： 2Bi2O3 + Bi2S3 = 6Bi + 3SO2 在吹煉溫度下鉍顯著揮發(fā)，大約有90%以上進入煙塵，只有少量留在粗銅中。銅冶金學第5章（6）砷，銻化合物在吹煉過程中的變化 在吹煉過程中砷和銻的硫化物大部分被氧化成As2O3、Sb2O3揮發(fā)

16、, 少量被氧化成As2O5、Sb2O5進入爐渣。 只有少量砷和銻以銅的砷化物和銻化物形態(tài)留在粗銅中。銅冶金學第5章（7）貴金屬在吹煉過程中的變化 在吹煉過程中金、銀等貴金屬基本上以金屬形態(tài)進入粗銅相中 只有少量隨銅進入轉(zhuǎn)爐渣中。銅冶金學第5章.2雜質(zhì)元素在吹煉產(chǎn)物中的分配表.雜質(zhì)元素在吹煉產(chǎn)物的分配比例元素分配比例粗銅/半粗銅1爐渣煙氣P-S轉(zhuǎn)爐諾蘭達爐P-S轉(zhuǎn)爐諾蘭達爐P-S轉(zhuǎn)爐諾蘭達爐閃速吹煉2Cu94.73.91.4S4.01.694.4Pb522.21066.18511.794.5/0Ni7555.12542.61.4Bi564.51.69533.963/30Sb2083.72015.

17、4601.401.2/2.5Se6027.1304.91068Te6047.2306.31046.5As1599.0100.90750.1031.2/20Zn00.167097.0302.4貴金屬390101.半粗銅為諾蘭達爐所產(chǎn)，入爐锍品位為71.9%；2.包括Au、Ag和鉑族元素；3.入爐锍品位為70%，符號/之左為模擬預(yù)測值，符號/之右為試驗值。銅冶金學第5章.側(cè)吹臥式(P-S)轉(zhuǎn)爐吹煉.1 側(cè)吹臥式轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)爐爐殼是由厚2025mm的鍋爐鋼板焊接成的園筒。圓筒的兩端分為平板型和球型（圖5.6 ）兩種。前者與圓筒焊接為一體。后者有彈簧拉桿工字鋼固定。 在爐殼兩端不遠處各有一個滾圈。在一

18、個滾圈的外側(cè)，還有一個大齒輪，它是轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)機構(gòu)的從動輪，與傳動系統(tǒng)的小齒輪嚙合。銅冶金學第5章 當傳動系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)動時，小齒輪帶動大齒輪使轉(zhuǎn)爐作回轉(zhuǎn)運動。 中小型轉(zhuǎn)爐的大齒輪一般是整圈的，轉(zhuǎn)爐可以轉(zhuǎn)動360o。 大型轉(zhuǎn)爐的大齒輪一般只是爐殼周長的3/4，轉(zhuǎn)爐只能轉(zhuǎn)動270o 銅冶金學第5章 圖.6 平端蓋的轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)1.爐殼，2.滾圈3.U-風管4.集風管5.擋板6.隔熱板7.冠狀齒輪8.活動蓋9.石英槍. 10.填料盒11.閘板12爐口13.風嘴14.托輪15.油槽16.電動機17.變速巷18.電磁制動器銅冶金學第5章圖5.7 轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)現(xiàn)場銅冶金學第5章.2 轉(zhuǎn)爐吹煉實踐5.3.2.1作業(yè)過

19、程 在吹煉操作時，把爐子轉(zhuǎn)到停風位置，裝入第一批銅锍，邊旋轉(zhuǎn)邊吹風，吹煉數(shù)分鐘后加石英熔劑。 再吹煉一段時間，當爐渣造好后，旋轉(zhuǎn)爐子，當風口離開液面后停風倒出爐渣。之后再加銅锍。依此類推，反復(fù)進行進料、吹煉、放渣，直到爐內(nèi)熔體所含銅量滿足造銅期要求時為止。這時開始篩爐，即最后一次除去熔體內(nèi)殘留的FeS，倒出最后一批渣。銅冶金學第5章 在造銅期，隨著Cu2S的氧化，爐內(nèi)熔體的體積逐漸減小，到造銅期終點出銅。 出銅后迅速捅風眼，清除結(jié)塊。然后裝入銅锍，開始下一爐次的吹煉。銅冶金學第5章5.3.2.2爐料 吹煉低品位銅锍 ，熱量 充足，為了維持一定的爐溫，需要添加冷料來調(diào)節(jié)。 吹煉高品位銅锍時， 熱

20、量 不足， 可適當添加一些燃料（如焦碳、塊煤等）補充熱量。 銅锍吹煉過程中，為了使FeO造渣，需要 添加石英石 。由于轉(zhuǎn)爐爐襯為堿性耐火材料，熔劑含SiO2較高時，對爐襯腐蝕加快，降低爐壽命。通常熔劑的SiO2含量宜控制在75%以下。銅冶金學第5章 5.3.2.4轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)物銅锍轉(zhuǎn)爐吹煉的產(chǎn)物有: 粗銅 轉(zhuǎn)爐渣 煙塵 煙氣。表5.3為粗銅成分實例。表5.4為轉(zhuǎn)爐渣成分實例。銅冶金學第5章表.粗銅成分序號 Cu%Fe%S%Pb%Ni%Au(g/t)Ag(g/t)198.50.01-0.030.01-0.40.1-0.20.21502500299.30.10.20.020.05399.1-99.3

21、0.010.10.003-0.030.03-0.315160499.30.0160.0220.01-0.130400599.650.00140.060.033698.50.060.10.120.08551000799.140.030.0220.041銅冶金學第5章表.轉(zhuǎn)爐渣成分序號Cu%Fe%SiO2%S%Co%12.755.0636.210.62212405025280.51.0335222262.541.52.04550222551.52.0455025262.50.20.462.53.045502874.551.6211.2銅冶金學第5章表.煙氣成分轉(zhuǎn)爐容量t煙氣量km/臺h煙氣溫度漏風

22、率%煙氣成分%SO2SO3O2H2O1518205001004.214.51.92023243004001502.55.514.550385606001507.511.2503540630100571517805054330937.59.5100300320808101112銅冶金學第5章5.3.3 吹煉過程的技術(shù)經(jīng)濟指標表5.6銅锍轉(zhuǎn)爐吹煉的各項技術(shù)經(jīng)濟指標指標名稱轉(zhuǎn)爐容量（t）581520505080100銅锍品位(Cu%)30-3525-3037-4228-3220-2130-4050-5555送風時率（%）7675-808077-888580-8570-8080-85同直收率（%）90

23、-95959680-85909593.594熔劑率（%）182316-1818-202016-188-106-8冷料率（%）251510-157-1025-3026-6330-37磚耗（kg/t）2419.725607-14045-6015-304-52-5爐壽命（t/爐期）150015001500120022001757026400水耗（m3/tCu）130電耗（kWh/tCu）350-400650-700(50-60)(40-50)銅冶金學第5章 造渣期熱平衡計算條件：1.銅锍溫度1100； 2.鼓風溫度60；3.熔劑的溫度25； 4.白锍的溫度1250；5.轉(zhuǎn)爐渣溫度1200 6.煙氣離

24、爐時溫度1000。以100kg銅锍為計算基礎(chǔ)的造渣期熱平衡列于表5.7 。表5.8 為造銅期熱平衡表。 5.4 轉(zhuǎn)爐吹煉熱平衡銅冶金學第5章表.銅锍造渣期熱平衡表項目kJ%項目kJ%熱收入熱支出熱銅锍帶入熱9240039.3留在白锍的熱600025.8鼓風帶入熱3697.981.58轉(zhuǎn)爐渣帶走的熱5952025.46熔劑帶入熱257.460.11煙氣帶走的熱704030.13FeS氧化熱130933.3056.04爐體熱損失3823.731.4造渣熱6395.472.74爐口熱損失9978.524.27剩余熱29681.9612.70共計233734.21100.00共計233734.21100.00銅冶金學第5章表.造銅期熱平衡表項目kJ%項目kJ%熱收入熱支出白锍帶入熱6030039.59粗銅帶走熱25363.816.65空氣帶入熱4217.462.77煙氣帶走的熱10773670.73Cu2S氧化熱87796.857.64爐體散熱損失4248.592.79爐口散熱損失12565.598.25剩余熱2400.281.58共計152314.26100共計152314.26100.00銅冶金學第5章5.5 其它吹煉方法5.5.1 諾蘭達連續(xù)吹煉轉(zhuǎn)爐 在諾蘭達技術(shù)發(fā)展早期，就直接生產(chǎn)過粗銅