銅的火法冶煉

1、火法煉銅1 .概述銅位于元素周期表第四周期舊族，是人類最早使用的金屬。銅具有優(yōu)異的性能，易于加工和廣泛的用途，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域，在我國有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁。在地殼中銅含量約0.01%,自然界中的銅多以化合物存在，銅冶金中所用的是兩種不同類型的礦石一一氧化礦和硫化礦。硫化礦物：黃銅礦(CuFeSO、斑銅礦(Cu3Fe&)、輝銅礦(CU2S)、銅藍(lán)(CuS)等；氧化礦物有：孔雀石(CuCO3Cu(OH)2)、硅孔雀石(CuSiO32H2O)、赤銅礦(Cu2。)、膽研(CuSO45H2O)等。2 .火法煉銅的工藝流程火法煉銅是當(dāng)今生產(chǎn)銅的主

2、要方法，主要原料是硫化銅精礦，銅礦石(Cu)=0.5%-2%)經(jīng)過采礦、選礦得到含銅品位較高的銅精礦(Cu)=20%-30%),然后送冶煉廠煉銅?；鸱掋~工藝流程一般有焙燒；造銃熔煉得到冰銅(Cu)=30%-50%);轉(zhuǎn)爐吹煉得到粗銅(Cu)=98.5%-99.5%);火法精煉得到陽極銅(Cu)=99%-99.8%);電解精煉得到陰極銅(Cu)=99.95%-99.997%)。2.1 焙燒焙燒分半氧化焙燒和全氧化焙燒(死焙燒)，分別脫除精礦中部分或全部的硫，同時除去部分種、睇等易揮發(fā)的雜質(zhì)。此過程為放熱反應(yīng)，通常不需另加燃料。造銃熔煉一般采用半氧化焙燒，以保持形成冰銅時所需硫量；還原熔煉采用全

3、氧化焙燒；止匕外，硫化銅精礦濕法冶金中的焙燒，是把銅轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸鹽，稱硫酸化焙燒。2.2 造銃熔煉造銃熔煉是在高溫和氧化氣氛條件下將硫化銅精礦熔化生成MeS共熔體的方法，即將精礦中的銅富集于冰銅中，而大部分鐵的氧化物與加入的溶劑造渣，也稱冰銅熔煉。造銃熔煉的目的是：(1)使?fàn)t料中的銅盡可能進(jìn)入冰銅(Cu2S+FeS熔體，也稱銃)，部分鐵以FeS形式也進(jìn)入冰銅；(2)使大部分鐵氧化成FeO與脈石礦物造渣(SiO2,FeO,CaO,MgO,Al2O3);(3)使冰銅與爐渣分離。造銃熔煉基本原理：造銃熔煉所用的爐料主要是硫化銅精礦和含銅的返料，除含有Cu、Fe、S等元素外，還有一定量的脈石成分。

4、需要先進(jìn)行氧化焙燒，脫去部分硫然后熔煉,才能獲得要求品位的冰銅。高溫下，銅對硫的親和力大于鐵；而鐵對氧的親和力大于銅。能按以下反應(yīng)使銅硫化：(1)反應(yīng)自由能:：G0=-35000.6T(2)FeS(l)Cu2O(l)FeO(l)Cu2S(l)Cu2sFeO(3)(4)平衡常數(shù)：K-:lgK=：G04.576TCu2O-FeS在熔煉溫度1200c下，可計算得K=104.2,平衡常數(shù)非常大。說明Cu2O幾乎完全被FeS硫化。實踐證明，不論銅的氧化物成什么形態(tài)，反應(yīng)都能進(jìn)行。銅硫化物原料造銃熔煉時，只要氧化氣氛控制得當(dāng)，保證有足夠的FeS存在，就可使銅以Cu2s形態(tài)進(jìn)入冰銅。冰銅含銅量取決于精礦品位

5、和焙燒熔煉過程的脫硫率，生產(chǎn)高品位冰銅，可更多地利用硫化物反應(yīng)熱，還可縮短下一工序的吹煉時間。熔煉爐渣含銅與冰銅品位有關(guān)，棄渣含銅一般在0.4%0.5%。熔煉過程主要反應(yīng)為：2CuFeS-Cu2S+2FeS+SCuzO+FeS-Cu2S+FeO2FeS+3Q+SiO2-2FeO?SiO2+2SO22FeO+SiO2-2FeO?SiO2造銃熔煉的傳統(tǒng)設(shè)備為鼓風(fēng)爐、反射爐、電爐等，新建的現(xiàn)代化大型煉銅廠多采用閃速爐。造銃煉銅可以使礦物中任何形態(tài)的銅化合物，幾乎完全以穩(wěn)定的Cu2s形式富集在冰銅中。冰銅密度比爐渣大，且兩者不互溶，從而分離。得到的冰銅進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)爐吹煉。冰銅的形成基于兩點(diǎn)：a）FeS

6、能與許多金屬硫化物形成低熔點(diǎn)共熔體，在熔煉高溫下兩種或以上均為液相，完全互溶為均質(zhì)溶液，且是穩(wěn)定的，不會進(jìn)一步分解產(chǎn)生金屬與鐵并析出硫蒸氣。b）不同金屬對S和O的親和力的差別：Cu,Ni對硫的親和力大；Fe對O的親和力大，即以下反應(yīng)在熔煉溫度下能自發(fā)正向進(jìn)行，使Cu優(yōu)先進(jìn)入銃相，F(xiàn)e優(yōu)先進(jìn)入渣相：Cu2O+FeS=Ci2S（M）+FeOs。2.3 冰銅的轉(zhuǎn)爐吹煉冰銅吹煉是利用硫化亞鐵比硫化亞銅易于氧化的特點(diǎn)，在臥式轉(zhuǎn)爐中，往熔融的冰銅中鼓入空氣，使硫化亞鐵氧化成氧化亞鐵，并與加入的石英熔劑造渣除去，同時部分脫除其他雜質(zhì)，而后繼續(xù)鼓風(fēng)，使硫化亞銅中的硫氧化進(jìn)入煙氣，得到含銅98%99%的粗銅，貴

7、金屬也進(jìn)入粗銅中。冰銅是Cu-Fe-S體系，主要成分是Cu2s和FeS,止匕外，還有少量的PbS、ZnS、Ni3s2、Fe3O4等。吹煉的目的：通過氧化除去冰銅中的Fe和S以及部分其他有害雜質(zhì)，從而將冰銅轉(zhuǎn)變成粗銅。吹煉是周期性作業(yè)：造謂期一一FeS強(qiáng)烈氧化生成FeO,并放出SO2氣體，冰銅（Cu2s和FeS等）變成白冰銅（Cu2S）;造銅期一一Cu2s氧化成CuO,并與為氧化的Cu2s反應(yīng)生成金屬Cu和SO2。2.3.1 造渣反應(yīng)將FeS氧化成FeO,造渣除去，得到白冰銅（CS）,冶煉溫度1150c1250C。首先將FeS氧化造渣并放出大量熱：2FeS+3A2FeO+2SO22FeO+SiO

8、2-2FeOSiO2FeO還會被氧化成FesO4進(jìn)而造渣：6FeO+O2-2FeO43Fe3O4+FeS+5SQ-5（2FeOSiO2）+SO22.3.2 造銅反應(yīng)造謂反應(yīng)階段除渣后,得到白冰銅,在冶煉溫度1200c1280C下將白冰銅按以下反應(yīng)進(jìn)一步吹煉成粗銅：2Cu2S+3O2-2Cu2O+2SO2Cu2S+2Cu2O-6Cu+SO2吹煉后的爐渣含銅較高，一般為2%5%,返回熔煉爐或以選礦、電爐貧化等方法處理。吹煉煙氣含SO2濃度較高，一般為8%12%,可以制酸。經(jīng)冰銅轉(zhuǎn)爐吹煉得到的粗銅還含有其它的少量雜質(zhì)元素，如FePb、Zn、Ni、As、Sb、S、Au、Ag等，因此，需進(jìn)一步進(jìn)行火法精

9、煉，制成陽極銅以便電解。2.4 粗銅的精煉粗銅的精煉分為火法精煉和電解精煉。火法精煉的產(chǎn)品叫火精銅，一般含銅99.5%以上，電解精煉產(chǎn)出含銅99.95%以上的電銅。2.4.1 粗銅的火法精煉火法精煉原理：粗銅中多數(shù)雜質(zhì)對O的親和力大于Cu對O的親和力，而且，雜質(zhì)氧化物在Cu中的溶解度非常小，因此，雜質(zhì)以氧化物爐渣的形式除去。同時氧化過程的進(jìn)行使銅中產(chǎn)生過量的氧化銅，最終需要還原得到粗銅。即粗銅的火法精煉分為氧化過程和還原過程(1)氧化過程(氧化除渣階段)空氣進(jìn)入銅熔體，首先與銅反應(yīng)生成CU2O,再與其它金屬雜質(zhì)作用使雜質(zhì)氧化，化學(xué)反應(yīng)式如下：4Cu+O2-2CU2OCu2O+Me-MeO+Cu

10、反應(yīng)式中的Me代表金屬雜質(zhì)。(2)還原過程(還原得到陽極銅)氧化除渣后銅液中的CU2O,用還原劑進(jìn)行還原：CU2O+H2-2CU+H2OCU2O+CO-2CU+CO2CU2O+C-2CU+CO還原劑有：重油、天然氣、液化石油氣、木炭等。得到的陽極銅送電解車問進(jìn)行電解精煉。2.4.2 銅的電解精煉銅的電解精煉，是將火法精煉的銅澆鑄成陽極板，用純銅薄片作為陰極片，相間地裝入電解槽中，用硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液，在直流電的作用下，陽極上的銅和電位較負(fù)的金屬溶解進(jìn)入溶液，而貴金屬和某些金屬(硒、確)不溶，成為陽極泥沉淀于電解槽底，溶液中的銅在陰極上優(yōu)先析出，而其他電位較負(fù)的金屬不能在陰極上析出。這

11、樣，陰極上析出的金屬銅純度很高，稱為陰極銅或電解銅。電解精煉過程：陽極：火法精煉銅；陰極：電解銅；電解液：硫酸銅和硫酸的水溶液。引入直流電，陽極銅溶解，在陰極析出純銅，雜質(zhì)進(jìn)入陽極泥或電解液，從而實現(xiàn)銅和雜質(zhì)的分離。(1)陽極反應(yīng)電解液中含有H+、Cu2+、SO42和水分子，當(dāng)通入直流電時，在陽極上可能的氧化反應(yīng)為：c2+CuWeCu2+MeW門Me22SO42-2e-SO3+I/2O2H2O-2e-2H+1/2O2Me指Fe、Pb、Ni、As、Sb等，電極電位比銅負(fù)，與銅一起溶解進(jìn)入電解液；SO42"和和H2O電極電位比銅正得多，在陽極上不可能進(jìn)行反應(yīng)。因此，陽極的主要反應(yīng)是Cu溶解形成Cu2+0(2)陰極反應(yīng)陰極上可能進(jìn)行的反應(yīng)為：Cu2+2e-Cu+2H+2e-H2Me2+2e-Me在這些反應(yīng)中，只有電極電位比銅更正的金屬離子能夠優(yōu)先還原。因此，陰極的主要反應(yīng)是銅離子的還原得到電銅。參考文獻(xiàn)1許并社，李明照.銅冶煉工藝M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.2