有色金屬冶金概論課程教案

第1章緒論 11.1金屬及其分類 11.1.1人類使用金屬的歷史 11.1.2金屬的分類 11.2有色金屬的分類 11.3我國有色金屬的產(chǎn)量 21.4冶金和冶金方法 21.4.1冶金學發(fā)展歷史 21.4.2冶金學科分類 41.4.3提取冶金方法簡介 41.5有色金屬提取工藝的特點 81.6我國金屬礦的分布 8第2章銅冶金 112.1概述 112.1.1銅的性質(zhì) 112.1.2銅的主要化合物的性質(zhì) 112.1.3銅的用途 122.1.4煉銅原料 132.1.5銅的提取方法 132.2銅精礦的反射爐熔煉 152.2.1反射爐煉銅的理論基礎(chǔ) 152.2.2煉銅反射妒的構(gòu)造及操作實踐 182.2.3反射爐熔煉的產(chǎn)物 192.3銅精礦的密閉鼓風爐熔煉 212.3.1密閉鼓風爐煉銅的基本原理 222.3.2密閉鼓風爐的構(gòu)造及操作實踐 242.4銅精礦的閃速熔煉 252.4.1爐料干燥 262.4.2閃速熔煉的基本原理 272.4.3閃速爐的構(gòu)造及操作實踐 272.4.4閃速熔煉的其他形式 302.5銅冶金的發(fā)展 312.5.1池式熔煉 312.5.2不經(jīng)冰銅的粗銅冶煉 352.6冰銅的吹煉 362.6.1冰銅吹煉的理論基礎(chǔ) 362.6.2轉(zhuǎn)爐構(gòu)造及操作實踐 412.7粗銅的火法精煉 432.7.1銅火法精煉的理論基礎(chǔ) 432.7.2火法精煉爐構(gòu)造及操作實踐 472.8銅的電解精煉 492.8.1銅電解精煉的理論基礎(chǔ) 502.8.2銅電解精煉設(shè)備及操作實踐 522.8.3電解液的凈化 542.9銅的濕法冶金 542.9.1焙燒—浸出—電積法 542.9.2高壓氨浸法 572.9.3常壓浸出法 592.9.4細菌浸出法 59第3章氧化鋁生產(chǎn) 633.1概述 633.2鋁土礦 633.2.1鋁土礦的化學成分和礦物成分 633.2.2鋁土礦礦石結(jié)構(gòu)特點 643.2.3鋁土礦地質(zhì)成因 653.2.4我國鋁土礦資源的特點 663.2.5國外鋁土礦 663.2.6其他鋁礦資源 663.3氧化鋁生產(chǎn)方法 673.3.1電解煉鋁對氧化鋁的質(zhì)量要求 673.3.2氧化鋁生產(chǎn)方法分類 683.4鋁酸鈉溶液 693.4.1鋁酸鈉溶液的組成 693.4.2Na2O－Al2O3－H2O系 703.4.3鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性 713.5拜耳法生產(chǎn)氧化鋁 723.5.1拜耳法工藝原理及工藝流程 723.5.2鋁土礦原料準備 743.5.3鋁土礦礦漿預(yù)脫硅 743.5.4鋁土礦的溶出 753.5.5赤泥的分離與洗滌 823.5.6鋁酸鈉溶液加種子分解 833.5.7氫氧化鋁的煅燒 893.5.8分解母液蒸發(fā) 913.6燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁 923.6.1燒結(jié)法原理及工藝流程 923.6.2堿石灰鋁土礦熟料燒結(jié) 933.6.3熟料溶出與赤泥分離洗滌 993.6.4鋁酸鈉溶液脫硅 1023.6.5鋁酸鈉溶液的碳酸化分解 1063.7拜耳—燒結(jié)聯(lián)合法 1093.7.1并聯(lián)聯(lián)合法 1093.7.2串聯(lián)聯(lián)合法 1113.7.3混聯(lián)聯(lián)合法 1113.7.4石灰拜耳法 1123.7.5選礦拜耳法生產(chǎn)工藝 112第4章鋁電解 1144.1概述 1144.2鋁電解用的原料 1174.3炭陽極 1204.3.1焦炭 1214.3.2瀝青 1214.3.3自焙陽極糊 1224.3.4預(yù)熔陽極炭塊 1234.3.5炭陽極消耗指數(shù) 1244.4鋁電解槽 1244.4.1發(fā)展概況 1254.4.2工業(yè)鋁電解槽的構(gòu)造 1264.5鋁電解槽系列 1334.6鋁電解質(zhì)體系 1354.6.1NaF-AlF3二元系 1354.6.2Na3AlF6-Al2O3二元系 1374.6.3Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系 1394.6.4工業(yè)鋁電解質(zhì)（添加劑的應(yīng)用） 1394.6.5鋁電解質(zhì)的酸度 1404.7鋁電解質(zhì)的性質(zhì) 1434.7.1NaF-AlF3系 1434.7.2Na3AlF6-Al2O3體系 1444.7.3冰晶石-氧化鋁熔液的離子結(jié)構(gòu) 1454.8鋁電解的兩極反應(yīng) 1464.8.1陰極反應(yīng) 1464.8.2陽極反應(yīng) 1474.8.3氧化鋁的分解電壓 1484.8.4鋁電解中兩極副反應(yīng) 1494.8.5鋁電解的電流效率 1524.9鋁電解槽的焙燒和啟動 1544.9.1鋁電解槽焙燒 1544.9.2鋁電解槽啟動 1544.10鋁電解槽的常規(guī)作業(yè) 1554.10.1正常的生產(chǎn)特征 1554.10.2鋁電解槽正常生產(chǎn)期間所宜保持的技術(shù)條件 1554.10.3增加鋁產(chǎn)量 1594.10.4節(jié)省電能 1624.10.5鋁電解槽的能量平衡 1634.10.6鋁電解槽的計算機控制 1654.10.7鑄錠 1664.10.8降低鋁生產(chǎn)成本 1684.11煙氣凈化 1694.11.1一次煙氣凈化 1704.11.2二次煙氣凈化 1714.11.3鋁電解槽廢舊陰極內(nèi)襯的回收 1714.12鋁的電解精煉 1724.13煉鋁新方法 1744.13.1鋁礦直接還原法制取鋁硅合金 1744.13.2氯化鋁電解法制取純鋁 1754.13.3氧化鋁低溫電解法 175第5章金銀冶金 1775.1概述 1775.1.1金銀的性質(zhì) 1775.1.2金銀的用途 1785.1.3金銀原料 1785.1.5金銀提煉方法 1785.2混汞法提取金銀 1785.3氰化法提取金銀 1815.4從銀鋅殼中提取銀 1845.5從陽極泥中提取金銀 1865.5.1陽極泥脫銅脫硒 1875.5.2熔煉 1895.6金銀的電解精煉 1905.6.1銀電解精煉 1905.6.2金電解精煉 192第1章緒論1.1金屬及其分類1.1.1人類使用金屬的歷史人類最早使用的金屬—黃金。銅是人類最早發(fā)現(xiàn)和使用的金屬之一，距今8000年以前，人類已經(jīng)使用銅。鉛也是人類史前使用的金屬，煉鉛術(shù)和煉銅術(shù)大致始于同一歷史時期。錫也是古老金屬，最初是在熔煉自然銅和錫礦石或處理錫銅礦石的混合物偶然獲得錫銅合金（錫青銅）——構(gòu)成了人類古代文明的青銅器時代。鋅在古代是被人類制成黃銅作裝飾品應(yīng)用。我國是最早掌握煉鋅技術(shù)的國家，大概在北宋末年（12世紀初）已使用了金屬鋅。鎳是既古老又年輕的金屬。古代埃及、中國、巴比倫人都曾用含鎳很高的隕鐵制作器物。古代云南生產(chǎn)的白銅中含鎳很高，在歐洲曾經(jīng)稱這種白銅為“中國銀”。而到了1751年，瑞典礦物學家克朗斯塔特（A.F.Cronstedt）才分離出金屬鎳，而且鎳應(yīng)用于工業(yè)是近一百多年的事。1.1.2金屬的分類西方：鐵（FerrousMetal）和非鐵金屬（Non-FerrousMetal）。蘇聯(lián)、中國：黑色金屬和有色金屬。1）黑色金屬通常指鐵、錳、鉻及它們的合金（主要指鋼鐵）。錳和鉻主要應(yīng)用于制合金鋼，而鋼鐵表面常覆蓋著一層黑色的四氧化三鐵，所以把鐵、錳、鉻及它們的合金叫做黑色金屬。這樣分類，主要是從鋼鐵在國民經(jīng)濟中占有極重要的地位出發(fā)的。2）有色金屬通常是指除黑色金屬以外的其他金屬。1.2有色金屬的分類有色金屬可分為四類：（1）重金屬，一般是指密度在4.5g·cm-3以上的金屬，過渡元素大都屬于重金屬。主要有11種：銅Cu、鉛Pb、鋅Zn、鎳Ni、錫Sn、鈷Co、砷As、鉍Bi、銻Sb、鎘Cd、汞Hg；（2）輕金屬，密度在4.5g·cm-3以下的金屬叫輕金屬，周期系中第ⅠA、ⅡA族均為輕金屬，主要有7種：鋁Al、Mg、K、Na、Ca、鍶Sr、鋇Ba（3）貴金屬，通常是指金、銀和鉑族元素。這些金屬在地殼中含量較少，不易開采，價格較貴，所以叫貴金屬。這些金屬對氧和其他試劑較穩(wěn)定，金、銀常用來制造裝飾品和硬幣。主要有8種：銀Ag、金Au、鉑Pt、銥Ir、鋨Os、錸Rh、銠Rd、鈀Pd；（4）稀有金屬，它們難于從原料中提取，在工業(yè)上制備及應(yīng)用較晚。稀有金屬跟普通金屬沒有嚴格的界限，如有的稀有金屬在地殼中的含量比銅、汞、鎘等金屬還要多。a.高熔點稀有金屬（共8種）：W、Mo、V、Ti、Zr、Hf、Ta、Nb；b.稀散金屬（共7種）：Ga、In、Tl、Ge、Te、Se、Re；c.稀土金屬（15）：Sc（鈧）、Y（銥）、La（鑭）系元素；d.稀有輕金屬（共4種）：Li、Be、Rb（銣）、Cs（銫）；e.稀有放射性金屬（共4種）：鐳（Ra）、鈁（Fr）、錒（Ac）、鈾（U）。1.3我國有色金屬的產(chǎn)量20XX年，中國有色金屬產(chǎn)量為1012萬t，20XX年達到1182萬t，20XX年達到1398萬t，20XX年達到1631.8萬t，20XX年1917萬t，20XX年達到2361萬t，已連續(xù)6年居世界第一位。表1-1近年來我國10種常用有色金屬產(chǎn)量（單位：萬t）年份銅鋁鉛鋅鎳錫銻鎂海綿鈦汞總量20021584361292115712233648t495t20031775561582296.51010344118t610t20042066841812527.5411.712.542.64694t424t20052587802382719.5311.914.6479274t361t2006299.89934.9273.55315.3010.7713.8115.0152.4213300t1917.012007344.141228.36271.75374.8621.4014.9167.0145200t2360.521.4冶金和冶金方法1.4.1冶金學發(fā)展歷史源遠流長的冶金生產(chǎn)技術(shù)，直到18世紀末，才從近代自然科學中汲取營養(yǎng)，逐漸發(fā)育成一門近代科學──冶金學。16世紀以前，效益顯著的冶金操作大都憑個人經(jīng)驗或者依靠師徒授受。由于缺乏書本記載，加上技術(shù)保密，有些技術(shù)甚至失傳，中外歷史都提到過這種事例。從開始冶銅到16世紀，人類從事冶金活動已經(jīng)有5000多年，可是能夠煉制的金屬總共只有七、八種。冶金技術(shù)的進展是何等緩慢！16世紀中葉，歐洲最早的兩本冶金著作：意大利比林古喬的《火法技藝》和德國阿格里科拉的《論冶金》先后問世。特別是后者較完整地記載了當時歐洲的冶金技術(shù)操作，起到承先啟后的作用，這兩本書被公認是歐洲冶金文獻中的先驅(qū)，影響深遠。在中國，冶金專書的出版雖然比歐洲早得多，但很可惜，宋代張潛著的《浸銅要略》早已散佚，明代傅浚著的《鐵冶志》也未能傳世。明末宋應(yīng)星所著《天工開物》，初刊于1637年，這本書較詳細地記載了中國當時的冶金技術(shù)?？墒牵瑥哪菚r到清末將近三百年間，中國封建科舉制度的桎梏使科學技術(shù)在知識界不受重視，《天工開物》這類書在當時就很少有人問津了。在歐洲，16～18世紀是自然科學播種萌芽的時代，歐洲知識界尋求真理的思想日益活躍。17世紀初，培根（F.Bacon）（1561～1617）明確指出，認識事物要有正確的方法。數(shù)學進一步受到重視，并日益成為增進知識的重要工具，這對開拓自然科學許多領(lǐng)域起了重要作用。另一增進知識的重要工具是科學實驗設(shè)備的發(fā)明和應(yīng)用，復合顯微鏡就是詹森（Z.Jansen）在這個時期發(fā)明的。胡克（R.Hooke）于1665年用顯微鏡觀察剃刀表面的銹點和劃痕，列奧米爾（R.A.F.deRaumur）于1713～1716年用它觀察金屬斷口?；瘜W實驗手段的改進，也有利于發(fā)現(xiàn)和制取一系列新的金屬元素。鑄鋼技術(shù)于1740年被突破后，對鋼進行深入研究的條件初步具備了。這反映在兩個方面：18世紀下半葉，伯格曼（T.Bergman）對鋼進行認真分析，做出結(jié)論：“鋼是鐵與碳交互作用的產(chǎn)物。”人們對鋼的實質(zhì)才有較為正確的理解。碳的數(shù)量和形態(tài)是鋼進行金屬熱處理的依據(jù)，要制出好鋼，就必須在“碳”上做文章。從此，為鋼冶金指明了方向。氧化及其反面──還原，是冶金的化學基礎(chǔ)。如果對這兩者缺乏認識，建立冶金學科就無從談起。以前人們認為氧化和燃燒是“燃素”的轉(zhuǎn)移，直到1786年，“燃素”學說被拉瓦錫等人徹底推翻，人們對氧化和燃燒現(xiàn)象才有了正確的認識。由此可見，冶金學的序幕，在18世紀末才真正揭開。冶金學的序幕揭開的前夕，人類能冶煉的金屬種類還很少，冶金的技術(shù)手段也很有限。18世紀中葉，冶金產(chǎn)品仍只有鋼鐵和銅、鉛、錫、金、銀、鉑、鋅、汞等；銻、鉍、鈷、鎳等雖已被識別，但生產(chǎn)甚少，應(yīng)用不多。冶金手段基本上還只是氧化法（如灰吹法）和碳還原法，遠不能滿足制取新金屬的需要。19世紀末，電能登上冶金歷史舞臺，熔鹽電解法和水溶液電解法出現(xiàn)了，能產(chǎn)生高溫和控制冶煉氣氛的電爐制造出來了。從此冶金技術(shù)大步前進，發(fā)現(xiàn)并且生產(chǎn)出了一系列新的金屬和新的合金。冶金學受到其他學科的哺育而成長，冶金學也為其他學科提供了新的金屬材料和新的研究課題。金屬元素和金屬化合物的研究促進了化學的發(fā)展，金屬物理性質(zhì)（如導電性、磁性）的研究成了凝聚態(tài)物理的重要內(nèi)容。冶金學的成就：冶金學不斷地吸收自然科學，特別是物理學、化學、力學等方面的新成就，指導著冶金生產(chǎn)技術(shù)向廣度和深度發(fā)展。另一方面，冶金生產(chǎn)又以豐富的實踐經(jīng)驗，充實冶金學的內(nèi)容，發(fā)展成為兩大領(lǐng)域：即（1）提取冶金學（Extractivemetallurgy）；（2）物理冶金學（Physicalmetallurgy）。1.4.2冶金學科分類1）提取冶金學從礦石中提取金屬（包括金屬化合物）的生產(chǎn)過程稱為提取冶金學。由于這些生產(chǎn)過程伴有化學反應(yīng)，故又稱為化學冶金學。它研究火法冶煉、濕法提取或電化學沉積等各種過程及方法的原理、流程、工藝及設(shè)備，故又稱為過程冶金學，中國習慣簡稱冶金學。即狹義的冶金學指的是提取冶金學。提取冶金學的任務(wù)是研究各種冶煉及提取方法，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，改進產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，擴大品種并增加產(chǎn)量。包括鋼鐵冶煉、有色金屬冶煉和冶金過程的物理化學研究。2）物理冶金學物理冶金學是通過成型加工的研究，制備有一定性能的金屬或合金材料的學科，又稱金屬學。金屬（包括合金）的性能（物理性能及力學性能）不僅與其化學成分有關(guān)，而且被成型加工或金屬熱處理過程產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)所決定。成型加工包括金屬鑄造、粉末冶金（制粉、壓制成型及燒結(jié)）及金屬塑性加工（壓、拔、軋、鍛）。研究金屬的塑性變形理論、塑性加工對金屬力學性能的影響以及金屬在使用過程中的力學行為，則稱之為力學冶金學，也屬于物理冶金學的一個組成部分。1.4.3提取冶金方法簡介1）火法冶金（Pyro-metallurgy）利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過程。此過程沒有水溶液參加，故又稱為干法冶金?；鸱ㄒ苯鸬墓に嚵鞒桃话惴譃榈V石準備、冶煉、精煉3個步驟：（1）礦石準備選礦得到的細粒精礦不易直接加入鼓風爐（或煉鐵高爐），須先加入冶金熔劑（能與礦石中所含的脈石氧化物、有害雜質(zhì)氧化物作用的物質(zhì)），加熱至低于爐料的熔點燒結(jié)成塊；或添加粘合劑壓制成型；或滾成小球再燒結(jié)成球團；或加水混捏；然后裝入鼓風爐內(nèi)冶煉。硫化物精礦在空氣中焙燒的主要目的是：除去硫和易揮發(fā)的雜質(zhì)，并使之轉(zhuǎn)變成金屬氧化物，以便進行還原冶煉；使硫化物成為硫酸鹽，隨后用濕法浸取；局部除硫，使其在造锍熔煉中成為由幾種硫化物組成的熔锍。（2）冶煉此過程形成由脈石、熔劑及燃料灰分融合而成的爐渣和熔锍（有色重金屬硫化物與鐵的硫化物的共熔體）或含有少量雜質(zhì)的金屬液，有還原冶煉、氧化吹煉和造锍熔煉3種冶煉方式：①還原冶煉：是在還原氣氛下的鼓風爐內(nèi)進行。加入的爐料，除富礦、燒結(jié)塊或球團外，還加入熔劑（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作為發(fā)熱劑產(chǎn)生高溫和作為還原劑?？蛇€原鐵礦為生鐵，還原氧化銅礦為粗銅，還原硫化鉛精礦的燒結(jié)塊為粗鉛。②氧化吹煉：在氧化氣氛下進行，如對生鐵采用轉(zhuǎn)爐，吹入氧氣，以氧化除去鐵水中的硅、錳、碳和磷，煉成合格的鋼水，鑄成鋼錠。造锍熔煉：主要用于處理硫化銅礦或硫化鎳礦，一般在反射爐、礦熱電爐或鼓風爐內(nèi)進行。加入的酸性石英石熔劑與氧化生成的氧化亞鐵和脈石造渣，熔渣之下形成一層熔锍。在造锍熔煉中，有一部分鐵和硫被氧化，更重要的是通過熔煉使雜質(zhì)造渣，提高熔锍中主要金屬的含量，起到化學富集的作用。（3）精煉進一步處理由冶煉得到的含有少量雜質(zhì)的金屬，以提高其純度。如煉鋼是對生鐵的精煉，在煉鋼過程中去氣、脫氧，并除去非金屬夾雜物，或進一步脫硫等；對粗銅則在精煉反射爐內(nèi)進行氧化精煉，然后鑄成陽極進行電解精煉；對粗鉛用氧化精煉除去所含的砷、銻、錫、鐵等，并可用特殊方法如派克司法以回收粗鉛中所含的金及銀。對高純金屬則可用區(qū)域熔煉等方法進一步提煉。2）濕法冶金：Hydro-metallurgy濕法冶金是利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡(luò)合等化學作用，對原料中金屬進行提取和分離，得到金屬或其化合物的過程，稱為濕法冶金。由于大部分溶劑是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的優(yōu)點是環(huán)境污染少，并且能提煉低品位的礦石，但成本較高。主要用于生產(chǎn)鋅、氧化鋁、氧化鈾及一些稀有金屬。濕法冶金在機理上屬物理化學的內(nèi)容，其生產(chǎn)步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。（1）浸出選擇適當?shù)娜軇ㄈ缢帷A、氨、氰化物、氯化物、有機溶劑等）把經(jīng)處理過的礦石中的常以化合物形式存在的金屬選擇性地溶解，以便使其與其它不溶的物質(zhì)分離的過程。浸取過程常涉及到置換和氧化還原反應(yīng)，為得到所需要的產(chǎn)物，對浸取劑的酸堿度要加以控制。此外，凡影響化學反應(yīng)的因素都對浸取過程產(chǎn)生影響，一般加溫和加壓可都加速浸取過程。還可以利用細菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱為微生物冶金或細菌采礦。（2）分離：將浸取溶液與不溶的殘渣分離的過濾過程。同時還要考慮將殘渣中的溶劑和金屬離子洗滌回收。（3）富集：把分離得到的浸取液凈化和富集的過程，包括：化學沉淀、離子交換、溶劑萃取等方法：=1\*GB3①化學沉淀：可分為置換沉淀（如用鐵置換硫酸銅中的銅）、水解沉淀（如鈹?shù)柠}類化合物水解成氫氧化物）、分布結(jié)晶（如銣和鉀的草酸鹽）等種類。=2\*GB3②離子交換過程：以固相的樹脂作為離子交換劑，與液相中的離子發(fā)生可逆的離子交換過程，已用于鈾、鑭系和錒系金屬等的富集。=3\*GB3③溶劑萃?。鹤屗芤号c不溶于水的有機溶液互相接觸，把水溶液中的溶質(zhì)擇優(yōu)地轉(zhuǎn)入有機相的過程。已用于鈾、稀土、銅、鎳和鈷，等的富集。（4）提取從富集后的凈化液中獲得純金屬的過程。一般采用下面要講到的電解法。3）電冶金：Electrometallurgy利用電能從礦石或其他原料中提取、回收和精煉金屬的冶金過程。電冶金成為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的先決條件是廉價電能的大量供應(yīng)。電冶金包括電爐冶煉、熔鹽電解和水溶液電解等。（1）電爐冶煉是利用電能獲得冶金所要求的高溫而進行的冶金生產(chǎn)。如電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼，可獲得比用燃料供熱更高的溫度，且爐內(nèi)氣氛較易控制，對熔煉含有易氧元素較多的鋼種極為有利。（2）熔鹽電解是利用電能加熱并轉(zhuǎn)化為化學能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質(zhì)進行電解，自熔鹽中還原金屬，以提取和提純金屬的冶金過程，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。（3）水溶液電解是利用電能轉(zhuǎn)化的化學能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。廣義上講電冶金是指應(yīng)用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程。顯然也包括電爐冶煉。但實際工程上所提到的電冶金一般指電解（電化學）冶金，包括水溶液電解和熔鹽電解，而把電爐冶煉歸入火法冶金的范疇。①水溶液電解：以溶有金屬離子的水溶液作為電解質(zhì)，使金屬離子在陰極上析出的過程。水溶液電解過程也可以把含雜質(zhì)的金屬作為陽極，電解過程使其不斷溶解到水溶液中，并在陰極析出，叫電解精煉（可溶陽極電解），如金、銀、鈷、鎳、銅等貴重金屬大多采用電解精煉來獲得高純成分；如果陽極材料本身不參與電解過程，只是把濕法冶金中獲得的浸取液中的金屬在陰極沉淀析出的過程，則叫電解提?。ú蝗荜枠O電解），例如鋅、鉻、錳的提取。②熔鹽電解：以高導電率、低熔點的金屬熔鹽作為電解質(zhì)，使金屬離子在陰極析出的過程。主要用于不溶于水的金屬鹽類，如鋁、鎂、鈉等活潑金屬。由于金屬能溶于熔鹽，或者與高價氧化物反應(yīng)生成低價化合物重新溶入熔鹽，熔鹽電解的電流效率要低于水溶液電解。4）粉末冶金：PowderMetallurgy用濕法冶金和電冶金獲得的金屬往往是以顆粒的形式存在，要想得到大塊的致密金屬和金屬零部件，可采用粉末冶金的方法。粉末冶金由以下幾個主要工藝步驟組成：配料、壓制成型、坯塊燒結(jié)和后處理。對于大型的制品，為了獲得均勻的密度，還需要采取等靜壓（各方向同時受液壓）的方法成型。粉末冶金的生產(chǎn)工藝與陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝非常相近，將在下一部分詳細介紹。這種方法對于制造切削用的硬質(zhì)合金（碳化鎢、碳化鈦等難熔碳化物的混合物）刀頭特別重要，鎢、鈮、鉭等高熔點塊狀合金一般用粉末冶金法制造，致密的鈦零件也可用粉末冶金法生產(chǎn)。粉末冶金工藝發(fā)展很快，現(xiàn)在常常用來制作減磨材料、摩擦材料、結(jié)構(gòu)材料、刀具和模具材料、過濾材料等。粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟上有以下特點：（1）可生產(chǎn)普通熔煉方法無法生產(chǎn)的特殊性能材料，如多孔材料、復合材料等；可避免成分偏析、保證合金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能；（2）可生產(chǎn)高熔點金屬（如鎢和鉬）和不互熔的合金（如鎢-銀合金）；（3）可大量減少產(chǎn)品的后續(xù)機加工量，節(jié)約金屬材料，提高勞動生產(chǎn)率。這一點對貴重金屬尤其重要；（4）粉末冶金零件的缺點是塑性和韌性較差。以上討論了金屬材料的各種生產(chǎn)工藝。其中火法冶金大量用于鋼鐵材料的生產(chǎn)，而濕法冶金和電冶金主要用于有色金屬（除鋼鐵以外的金屬）的生產(chǎn)。許多有色合金既可以采用濕法冶金也可以采用火法冶金生產(chǎn)，可根據(jù)礦石品位、工程條件以及生產(chǎn)成本來選擇。電冶金是獲得高純度金屬的一種有效辦法，火法冶金和濕法冶金的產(chǎn)品常常是作為初級產(chǎn)品，通過電冶金工藝進一步提純。粉末冶金實際上是把金屬原料粉制成塊狀金屬和零件的過程，只涉及物理變化過程，是對其它冶金方法的一種補充，在一定程度上也可以看作是一種加工工藝。1.5有色金屬提取工藝的特點1）有色金屬礦物的品位低，成分復雜。2）提取方法多，分火法和濕法?；鸱ǎ海?）焙燒（氧化焙燒、還原焙燒、硫酸化焙燒、氯化焙燒、煅燒、燒結(jié)焙燒）；（2）熔煉（造锍熔煉、還原熔煉、氧化熔煉、熔鹽電解、反應(yīng)熔煉，吹煉）；（3）精煉（氧化精煉、氯化精煉、硫化精煉、電解精煉）。濕法：（1）浸出按浸出的溶劑分為：堿浸、氨浸、酸浸、硫脲浸出、氰化物浸出，等；按浸出的方式分為：常壓浸出、加壓浸出、槽浸、堆浸、就地浸出，等。（2）凈化：水解沉淀凈化、置換凈化、氣體還原（氧化）凈化，等。（3）沉積：置換沉積、電解沉積、氣體還原沉積。1.6我國金屬礦的分布中國已探明儲量的金屬礦產(chǎn)有54種，即：鐵礦、錳礦、鉻礦、鈦礦、釩礦、銅礦、鉛礦、鋅礦、鋁土礦、鎂礦、鎳礦、鈷礦、鎢礦、錫礦、鉍礦、鉬礦、汞礦、銻礦、鉑族金屬（鉑礦、鈀礦、銥礦、銠礦、鋨礦、釕礦）、金礦、銀礦、鈮礦、鉭礦、鈹?shù)V、鋰礦、鋯礦、鍶礦、銣礦、銫礦、稀土元素（釔礦、釓礦、鋱礦、鏑礦、鈰礦、鑭礦、鐠礦、釹礦、釤礦、銪礦）、鍺礦、鎵礦、銦礦、鉈礦、鉿礦、錸礦、鎘礦、鈧礦、硒礦、蹄礦?，F(xiàn)就主要金屬礦產(chǎn)分布簡介如下。1）鐵礦：全國已探明的鐵礦區(qū)有1834處。大型和超大型鐵礦區(qū)主要有：遼寧鞍山—本溪鐵礦區(qū)、冀東—北京鐵礦區(qū)、河北邯鄲—邢臺鐵礦區(qū)、山西靈丘平型關(guān)鐵礦、山西五臺—嵐縣鐵礦區(qū)、內(nèi)蒙古包頭—白云鄂博鐵銹稀土礦、山東魯中鐵礦區(qū)、寧蕪—廬縱鐵礦區(qū)、安徽霍丘鐵礦、湖北鄂東鐵礦區(qū)、江西新余—吉安鐵礦區(qū)、福建閩南鐵礦區(qū)、海南石碌鐵礦、四川攀枝花—西昌釩鈦磁鐵礦、云南滇中鐵礦區(qū)、云南大勐龍鐵礦、陜西略陽魚洞子鐵礦、甘肅紅山鐵礦、甘肅鏡鐵山鐵礦、新疆哈密天湖鐵礦，等等。2）錳礦：全國已探明的錳礦區(qū)共有213處，主要有：遼寧瓦房子錳礦；福建連城錳礦；湖南湘潭、民樂、瑪瑙山、響濤園等錳礦；廣東有小帶、新椿等錳礦；廣西八一、下雷、荔浦等錳礦；四川高燕和轎頂山錳礦；貴州遵義錳礦。3）鉻鐵礦：有56處產(chǎn)地，主要是新疆薩爾托海、西藏羅布莎、內(nèi)蒙古賀根山、甘肅大道爾吉等鉻礦。4）銅礦：已探明礦區(qū)910處，主要為：黑龍江省多寶山；內(nèi)蒙古自治區(qū)烏奴格吐山、霍各氣；遼寧省紅透山；安徽省銅陵銅礦集中區(qū)；江西省德興、城門山、武山、水平；湖北省大冶—陽新銅礦集中區(qū)；廣東省石菉；山西省中條山地區(qū)；云南省東川、易門、大紅山；西藏自治區(qū)玉龍、馬拉松多、多霞松多；新疆維吾爾自治區(qū)阿舍勒等銅礦。5）鋁土礦：有310處產(chǎn)地，主要為：山西省的克俄、石公、相王、西河底、太湖石、郭偏梁一雷家蘇、寬草坪；河南省的曹窯、馬行溝、賈溝、石寺、竹林溝、夾溝、支建；山東省的淄博；廣西壯族自治區(qū)的平果那豆；貴州省的遵義（團溪）、林歹、小山壩等鋁土礦區(qū)。6）鉛鋅礦：有產(chǎn)地700多處，主要為：黑龍江省的西林；遼寧省的紅透山、青城子；河北省的蔡家營子；內(nèi)蒙古自治區(qū)的白音諾、東升廟、甲生盤、炭窯口；甘肅省的西成（廠壩）；陜西省鉛硐山；青海省的錫鐵山；湖南省的水口山、黃沙坪；廣東省的凡口；浙江省的五部；江西省的冷水坑；江蘇省的棲霞山；廣西壯族自治區(qū)的大廠；云南省的蘭坪、會澤、都龍；四川省的大梁子、呷村等鉛鋅礦。7）鎳礦：有產(chǎn)地近百處。主要是吉林省的紅旗嶺、赤柏松；甘肅省的金川；新疆維吾爾自治區(qū)的喀拉通克、黃山；四川省的冷水菁、楊坪；云南省的白馬寨、墨江等鎳礦。8）鉬礦：有產(chǎn)地222處，主要是吉林大黑山；遼寧省楊家杖子、蘭家溝；陜西省金堆城；河南省欒川等鉬礦。9）鎢礦：探明產(chǎn)地252處，主要是江西省西華山、漂塘、大吉山、盤古山、畫眉坳、滸坑、下桐嶺、巋美山；福建省行洛坑；湖南省柿竹園、新田嶺、瑤崗仙；廣東省鋸板坑、蓮花山；廣西壯族自治區(qū)大明山、珊瑚；甘肅省塔兒溝等鎢礦。10）錫礦：探明產(chǎn)地293處，主要是廣西壯族自治區(qū)大廠、珊瑚、水巖壩；云南省東川；湖南省香花嶺、紅旗嶺、野雞尾等錫礦。11）汞、銻礦：探明汞產(chǎn)地103處、銻產(chǎn)地111處。主要是貴州萬山、務(wù)川、丹寨、銅仁；湖南省新晃等汞礦，湖南省錫礦山、板溪；廣西壯族自治區(qū)大廠；甘肅省崖灣等銻礦。陜西省旬陽汞銻礦。12）金礦：探明礦區(qū)1265處，主要有黑龍江省烏拉嘎、大安河、老柞山、呼瑪；吉林省夾皮溝、琿春；遼寧省五龍；河北省張家口、遷西；山東省玲瓏、焦家、新城、三家島、尹格莊；河南省文峪、桐溝、金渠、秦嶺、上宮；廣東省河臺；湖南省湘西；云南省墨江；四川省東北寨；青海省斑瑪；新疆維吾爾自治區(qū)阿希、哈密等金礦。13）銀礦，探明產(chǎn)地569處，主要有陜西省銀硐子；河南省破山；湖北省銀洞溝、白果園；四川省砷村；江西省貴溪；吉林省山門；廣東省龐西洞等銀礦。14）稀土、稀有金屬：主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)（白云鄂博、801）、山東省（微山）、江西省（贛南、宜春）、廣東省（粵北）、新疆維吾爾自治區(qū)（富蘊）等地。復習題：1.簡述金屬的分類，有色金屬的分類；2.簡述冶金學科（冶金方法）的分類；3.幾種典型提煉冶金方法的一般流程及特點；4.簡述有色金屬提取的特點；5.簡述有色金屬火法、濕法提取工藝的分類。第2章銅冶金2.1概述2.1.1銅的性質(zhì)1）物理性質(zhì)銅呈玫瑰紅色，它的物理性質(zhì)特點是展性和延性好；導電、導熱性極佳，僅次于銀；無磁性；不揮發(fā)；液態(tài)銅流動性好等。熔點：1083℃。密度：8.96g銅的蒸汽壓很小，在熔點溫度下僅為9×10-5Pa。高溫下，液體銅能溶解氫、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等氣體。凝固時，溶解的氣體又從銅中放出，造成銅鑄件內(nèi)帶有氣孔，影響銅的機械性能和電工性能。2）化學性質(zhì)銅在干燥空氣中不起變化，但在含有二氧化碳的潮濕空氣中則能氧化形成堿式碳酸銅（銅綠）的有毒薄膜。加熱至185℃，銅在空氣中開始氧化，高于350℃氧化生成Cu2O和CuO。因銅為正電性元素，故不能置換酸（鹽酸和硫酸）中的氫，而僅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化劑存在時的硫酸中。銅能溶于氨水及與氧、硫、鹵素等化合。2.1.2銅的主要化合物的性質(zhì)1）硫化銅CuS天然硫化銅為綠色或棕黑色無定形不穩(wěn)定化合物—銅藍，密度為4.68g/cm3，中性或還原性氣氛中加熱即分解為Cu2S和S2）硫化亞銅Cu2S天然硫化亞銅為輝銅礦，藍黑色無定形或結(jié)晶形，密度5.76g/cm3，熔點1135℃。它在高溫下穩(wěn)定或氧化成金屬銅，常溫下不被空氣氧化，430～680℃下則氧化放出SO2。赤熱的Cu2S可逐漸被CO2氧化和緩慢地但能完全地被H2分解。CO不能氧化Cu2S。以Cu2S和FeS為主的共熔體稱冰銅。由于銅對硫的親和力大，故在冰銅吹煉時FeS先氧化造渣，剩下的Cu2S（稱白鈹）被吹成粗銅。Cu2S不溶于水和幾乎不溶于稀硫酸，與濃硫酸作用生成CuSO4、CuS和SO2，溶解于濃鹽酸中時放出H2S。Cu2S可溶于NH4OH、HNO3、Fe2(SO4)3、FeCl3、CuCl2中。3）氧化銅CuO天然氧化銅為黑色無光澤的黑銅礦，密度6.3～6.4g/cm3。它不穩(wěn)定、遇熱即分解。CuO易被H2、C、CO、CxHy和較負電性的Zn、Fe、Ni等所還原。它不溶于水，促可溶于FeCl2、FeCl3、NH4OH、Fe2(SO4)3、(NH4)2CO3及各種稀酸中。4）氧化亞銅Cu2O天然氧化亞銅稱赤銅礦，密度6.11g/cm3，熔點1235℃。它高溫穩(wěn)定，在2200℃以上才完全分解，在l060℃以下時則部分或全部變?yōu)镃uO。Cu2O也易被H2、CO、CxH2Cu2O十Cu2S＝6Cu十SO2是冰銅吹煉成粗銅的理論基礎(chǔ)。該反應(yīng)在450℃開始至1100℃完成。吹煉時，由于銅對硫的親和力大于鐵，而鐵對氧的親和力大于銅，使反應(yīng)Cu2O+FeS＝Cu2S+FeO向右進行到底。因此在冰銅中的FeS未完全氧化造渣以前，理論上Cu2S是不會被氧化的。Cu2O也不溶于水，但溶于HCl、H2SO4、FeCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、NH4OH等溶劑中，這些反應(yīng)為濕法冶金所應(yīng)用。5）硅酸銅xCunO·ySiO2·zH2O自然界中的硅酸銅有硅孔雀石CuO·SiO2·2H2O和透視石CuO·SiO2·H2O。它們在高溫下分解成穩(wěn)定的2Cu2O·SiO2，后者易被C、CO、H2等還原，也易被FeO、CaO等強堿性氧化物和銅、鐵硫化物分解，并能溶于濃硝酸、稀醋酸、鹽酸和硫酸中。6）硫酸銅CuSO4自然界的硫酸銅為天藍色三斜晶系結(jié)晶的膽礬。無水硫酸銅為白色粉末，加熱時分解成CuO和SO3（SO2+O2）。硫酸銅易溶于水。鐵、鋅等可從硫酸銅溶液中置換銅。7）氯化銅CuCl2氯化銅無天然礦物，人造氯化銅為褐色粉末。熔點498℃。沸點低，易揮發(fā)，也易溶于水。氯化銅很不穩(wěn)定，加熱至340℃即分解生成白色粉末的氯化亞銅：2CuCl2＝Cu2Cl2+C12氯化亞銅密度3.53g/cm3，熔點按不同作用為420～440℃，易揮發(fā)，這在氯化冶金中得到了應(yīng)用。離析法就是利用食鹽將難選低品味氧化銅氯化生成氣態(tài)Cu2Cl2CuCl2+C+2H2O＝4Cu+4HCl+CO2熔融Cu2Cl2是電的良導體。Cu2Cl2幾乎不溶于水，但溶于鹽酸和金屬氯化物（如食鹽）溶液中。Cu2Cl2的食鹽溶液可使Pb、Zn、Cd、Fe、Co、Bi、Sn等金屬硫化物分解，并形成相應(yīng)的金屬氯化物和CuS。Cu2Cl2中的銅可用鐵沉淀或電積析出。另外，如銅的碳酸鹽和鐵酸鹽等，在冶金中僅占次要地位。2.1.3銅的用途由于銅具有較高的導電性、傳熱性、延展性、抗拉性和耐腐性，因此在國防工業(yè)、電氣工業(yè)、機械制造工業(yè)以及其他部門的應(yīng)用都很廣，特別在電氣工業(yè)應(yīng)用得更為廣泛。常規(guī)武器制造和空間探測都需要銅。銅的一半左右用于電器及電子工業(yè)，如制造電纜、電線、電機以及其他輸電和電訊設(shè)備。在機械制造工業(yè)中多是使用銅的合金，如黃銅、青銅、白銅、錳銅鋼、鎳銅、康銅等。膽礬（硫酸銅）則用于制造農(nóng)藥和其他化學藥品。2.1.4煉銅原料銅在地殼的含量不大，僅為0.01%，但銅常常分布較廣而富集的礦床而利于開采和利用。目前已知的含銅礦物超過240種，可是到目前為止，能作為工業(yè)開采的銅礦僅有十多種。銅礦分自然銅、硫化銅和氧化銅礦三大類。自然銅礦在自然界存在量較少，意義不大。硫化銅礦的分布最廣，應(yīng)用最多，故最有意義。目前世界上銅產(chǎn)量的90%左右來自硫化礦。在我國礦床中，氧化銅礦也常發(fā)現(xiàn)。硫化銅礦中分布最廣的是黃銅礦（CuFeS2），其次是斑銅礦（Cu5FeS4）、輝銅礦（Cu2S）和銅藍（CuS）。氧化銅礦中以孔雀石[銅綠CuCO3·Cu(OH)2]分布最廣，其次是藍銅礦[石青2CuCO3·Cu(OH)2]。銅礦石中除含銅礦物外，還伴生有其他金屬礦物和脈石礦物。如硫化銅中常含有黃鐵礦（FeS2）、磁黃鐵礦（Fe7S8），還有閃鋅礦（ZnS）、方鉛礦（PbS）等。氧化銅礦中也會含有褐鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦和其他金屬氧化礦物。銅礦石中的脈石礦物最普通的是石英，其次是方解石、長石、云母等。這些脈石礦物對火法煉銅的造渣過程以及對濕法煉銅的溶劑選擇影響很大。根據(jù)脈石的特征，有時將礦石分為酸性礦石（含SiO2高）和堿性礦石（含CaO、MgO等高）。除了主要礦物以外，銅礦中還含有少量其他金屬，如鉛、鋅、鎳、鐵、砷、鉍、硒、碲、鎢、鉬、鈷、錳等，并含有金銀等貴金屬和稀有金屬，它們在冶煉過程中分別進入不同的產(chǎn)品中，所以煉銅工廠通常設(shè)有綜合回收這些金屬的車間。進入冶煉廠的銅礦都為浮選產(chǎn)出的銅精礦，Cu的品位為10%～35%。硫化銅精礦是煉銅的主要原料。有時也處理自然銅精礦，但處于次要地位。氧化礦可與硫化礦一起處理。未經(jīng)選礦的氧化礦可直接用濕法或離析法等方法處理。我國銅資源分布很廣，幾乎遍及全國各地。一般來說，我國硫化礦的品位較低，礦石性質(zhì)也比較復雜，原生礦與次生礦交錯混雜，并有大量多金屬伴生，處理也就較復雜，且須特別重視綜合回收問題。2.1.5銅的提取方法從銅礦石或精礦提煉銅的方法較多，總括起來分為火法和濕法兩大類。火法煉銅是將銅礦（或焙砂、燒結(jié)塊等）和熔劑一起在高溫下熔化，或直接煉成粗銅，或先煉成冰銅（銅、鐵、硫為主的熔體）然后再煉成粗銅。目前世界上80%以上的銅是由火法煉得，我國也多用此法，該法除部分預(yù)備作業(yè)及電解精煉作業(yè)外，均在高溫下進行，其一般流程如圖2-1。圖2-1火法煉銅一般流程圖火法流程最大的優(yōu)點是適應(yīng)性廣，對各種不同的銅礦均能處理，特別是對一船硫化礦和富氧化礦很適用。濕法煉銅是在常溫、常壓或高壓下用溶劑使銅從礦石中浸出，然后從浸出液中除去各種雜質(zhì)，再將銅從浸出液中沉淀出來。當前世界上銅產(chǎn)量約有15%由該法制得。對氧化銅礦和自然銅礦，大多數(shù)可用溶劑直接浸出；而硫化銅礦則一般先經(jīng)焙燒，然后溶浸?；鸱掋~與濕法煉銅的根本差別，在于濕法浸出時，只有銅和少數(shù)其他成分溶解，絕大多數(shù)的脈石成分和雜質(zhì)仍留在浸出渣中。濕法過程可在常溫下進行，不需要更多的燃料；不造渣；產(chǎn)品輸送方便；勞動條件較好；無煙害。從今后銅資源的變化情況看，銅礦日益貧化，將會遇到低品位難選復合礦處理的問題更多，這會促使?jié)穹ㄒ苯鹣蚯鞍l(fā)展。然而，濕法煉銅發(fā)展至今，尚有其不足之處，諸如適用范圍還不如火法廣，一般硫化礦用廉價溶劑浸出還有困難，溶劑對設(shè)備有腐蝕，固液分離困難等，還須研究解決。總之，火法和濕法煉銅都各有利弊，選用哪種方法，應(yīng)根據(jù)礦物的特點，當?shù)氐慕?jīng)濟情況，交通運輸情況，地理條件，氣候條件，特別是應(yīng)根據(jù)礦物特點（化學成分，物相組成，含銅量，脈石組成等）和當?shù)亟?jīng)濟條件（燃料，水，電，耐火材料等）而定。2.2銅精礦的反射爐熔煉反射爐的最大特點是能處理細粒物料，所以隨著銅精礦浮選技術(shù)的發(fā)展，使它也得到了廣泛的應(yīng)用。世界上第一座反射爐煉銅始于1870年。到目前為止，反射爐熔煉仍然是火法煉銅的主要方法。它的生產(chǎn)能力占世界產(chǎn)銅的一半以上。我國從1960年起采用反射爐煉銅。反射爐是一種火焰加熱熔化精礦的爐子。它是一個用優(yōu)質(zhì)耐火材料作襯里的長方形熔煉室。爐內(nèi)熔池分熔煉區(qū)和澄清區(qū)兩部分。均勻混合的粉狀爐料從爐頂兩側(cè)加料孔加到爐內(nèi)形成料坡。在1500～1550℃高溫下熔化形成冰銅和爐渣。因為兩者密度不同，故可在澄清區(qū)內(nèi)澄清分層并分別放出。爐氣進入廢熱回收和煙道系統(tǒng)。2.2.1反射爐煉銅的理論基礎(chǔ)1）爐料的加熱和熔化燃料燃燒是反射爐熔煉的主要熱源，它占熔煉所需總熱量的85～90%。而爐料帶入的物理熱和化學反應(yīng)熱等只是小部分。上述這些熱量又只有小部分消耗于爐料熔化，大部分由散熱和爐氣帶走，致使燃料實際消耗量高出理論消耗量的1～2倍。爐氣和爐墻傳給爐料的總熱量Q為：式中：1.05—包括對流熱交換為輻射熱交換的5%時的系數(shù)；c—氣體和爐料上方爐壁的輻射系數(shù)；4.96—絕對黑體的輻射系數(shù)；4186—公熱單位千卡換算為焦耳的系數(shù)；—爐料的黑度，可取0.75；—磚壁開展度，；F料—爐料的受熱面積；F磚—磚壁的熱輻射面積；—爐氣黑度（可根據(jù)爐氣成分計算）；T氣、T料—爐氣和爐料的平局溫度，K；F—爐料及熔池的有效面積，m2。由此可見，傳熱量Q決定于爐氣和爐料溫度氣、和料、爐料及熔池的面積F和輻射系數(shù)c，而輻射系數(shù)又與爐料和爐氣黑度料和氣以及磚壁開展等因素有關(guān)。影響反射爐內(nèi)傳熱的因素雖然很多，但決定爐子生產(chǎn)率最主要的因素是燃料燃燒的溫度。它又決定于燃料的發(fā)熱量和過剩空氣系數(shù)，一般選用＝1.1～1.2。2）爐料的物理化學變化在反射爐高溫爐氣作用下，爐料受熱并進行脫水、分解、熔化、溶解，同時在料坡上進行各種化學反應(yīng)和形成初期的冰銅，分解出來的硫被氧化成SO2：生成的MO再參與造渣和造冰銅反應(yīng)。爐料中各組分的高溫行為如下：（1）鐵的化合物爐料和轉(zhuǎn)爐渣以及反應(yīng)生成的磁性氧化鐵，因其熔點高（1579℃）且密度大（5.1g/cm3），使熔渣粘度和密度增大，冰銅與爐渣分離困難，渣含銅升高。溶于冰銅的Fe3O4在反射爐爐底溫度較低的情況下析出，形成磁性底結(jié)。所以，F(xiàn)e3O4目前還沒有一種消除Fe3O4的有效方法，部分Fe3O4在高溫下被還原造渣：3Fe3O4+FeS+5SiO2＝5(2FeO·SiO2)+SO2磁性底結(jié)中的Fe3O4可用鐵球處理并使其與SiO2造渣：Fe3O4+Fe＝4FeOΔG。＝233220－27.54由此可見，鐵在反射爐熔煉時的最終產(chǎn)物是與Cu2S形成冰銅的FeS，與SiO2造渣的FeO，分配于冰銅和爐渣之間的Fe3O4，部分Fe3O4可能沉入爐底形成爐結(jié)。（2）銅的化合物各種銅的硫化物在熔煉時都轉(zhuǎn)變成Cu2S。由于大量的FeS存在，即使存在有Cu2O也都完全被硫化成Cu2S：Cu2O+FeS＝Cu2S+FeOlg＝－0.000074煉時可能生成的金屬銅亦被FeS硫化：2Cu+FeS＝Cu2S+Fe生成的金屬鐵旋即被SO2或Fe3O4氧化為FeO造渣。這樣，銅的絕大部分以Cu2S與FeS等構(gòu)成冰銅，以Cu2S和Cu2O入渣則極少。（3）鋅的化合物鋅若以ZnO、ZnO·Fe2O4、2ZnO·SiO2存在，則進入渣中。若以ZnS存在，因其熔點高（1650℃），密度又介于冰銅和爐渣之間，所以當爐料含ZnS較高時（如大于6%～7%），ZnS除在冰銅和爐渣之間分配使熔體變粘外，還可能在爐渣和冰銅之間形成難熔而粘稠的橫隔膜層，破壞它們的澄清分離，并在溫度變化時形成爐結(jié)和堵塞放出口。所以，硫化鋅是極有害的物質(zhì)。氧化鋅也是難熔化合物，但危害比硫化鋅小。當其達到飽和極限后，以固態(tài)從熔渣中析出，使渣粘度升高。（4）鉛的化合物熔煉時，PbS大部分進入冰銅，PbO則進入爐渣與其他氧化物形成低熔化合物，故鉛的揮發(fā)不大，僅占總鉛20%。此外，在熔煉時，三價的砷和銻都揮發(fā)進入煙塵，五價的砷和銻一般以砷酸鹽和銻酸鹽進入爐渣。硒和碲的化合物進入冰銅，少部分進入爐渣和煙塵。鎳以Ni3S、金銀以金屬狀態(tài)進入冰銅中。由此可見，由于反射爐熔煉爐內(nèi)氣氛為中性或弱氧化性，爐氣又只從料面掠過，所以脫硫主要靠爐料各組分之間的相互作用，與爐氣作用的脫硫程度極低。焙砂和生礦反射爐熔煉脫硫率分別為20%～30%和30%～50%。3）轉(zhuǎn)爐渣在反射爐內(nèi)的脫銅轉(zhuǎn)爐渣通常返回反射爐內(nèi)處理以回收其中的銅。轉(zhuǎn)爐渣以1150～1170℃的溫度注入反射爐后被過熱100～200℃，給澄清分離、Fe3O4被FeS還原并造渣以及Cu2O硫化進入冰銅都創(chuàng)造了良好條件，使其中75%～85%的銅可在反射爐中回收。2.2.2煉銅反射妒的構(gòu)造及操作實踐圖2-2為現(xiàn)代反射爐的一般構(gòu)造圖。爐長30～36m，寬7.5～10m，高3～4m。礫石、水泥和爐渣筑成的爐基上砌筑墻和爐底。爐墻用硅磚砌筑，厚500～565mm。渣線以下襯以防爐渣侵蝕的鎂磚或鉻鎂磚，其高約1.5m。爐底下層為耐火磚，砌磚前在爐基上鋪一層厚50～150mm的石英砂，于其上砌成倒拱形爐底以防熔體將砌磚浮起。多數(shù)反射爐都用鎂砂燒結(jié)或鎂鐵燒結(jié)的整塊爐底，以延長其壽命。爐頂有拱型和懸掛型兩種。前者用硅磚，后者用鎂磚或鉻鎂磚，厚500mm。圖2-2現(xiàn)代反射爐的一般構(gòu)造圖反射爐用粉煤、重油或天然氣加熱。粉煤價廉，但熱值低而灰分較高。燃嘴或燃燒器裝在反射爐的前墻，一般為4～6個。燃燒使離爐子前端3～8m的區(qū)域達最高溫度（1550～1600℃），爐中間處降至1300～1350℃，爐尾為1200～1250℃。因出爐爐氣溫度很高，故反射爐熱利用率很低（小于30%），用廢熱鍋爐回收余熱可使熱利用率達55%～70%。爐料用密封礦車、皮帶、刮板或鏈板運輸機等運往爐頂兩側(cè)邊的裝料漏斗經(jīng)裝料口的導管裝入爐內(nèi)。料沿爐墻堆成料坡，以防砌磚受熔渣和高溫爐氣的直接作用。裝料口間距離1.0～1.5m。液體轉(zhuǎn)爐渣由前端墻或前側(cè)墻的注入口用鑄鐵溜槽注入爐內(nèi)。熔煉產(chǎn)出的冰銅和爐渣按其積存程度從爐內(nèi)放出。冰銅送吹煉成粗銅，爐渣經(jīng)水淬或用渣包運走。爐氣以1200～1250℃的溫度經(jīng)廢熱鍋爐，然后經(jīng)煙囪向大氣排放。2.2.3反射爐熔煉的產(chǎn)物反射爐熔煉的產(chǎn)物有冰銅、爐渣、煙塵和爐氣。1）冰銅冰銅主要由Cu2S和FeS組成，并含有Fe3O4、Au、Ag、Sb、As、Bi、Se、Te以及ZnS、PbS、Ni3S2等物質(zhì)。由于冰銅中銅、鐵、硫的總和常在90%～95%范圍，所以可把冰銅視為Cu2S－FeS體系去研究。還原熔煉產(chǎn)出的冰銅可用Cu2S－FeS－Fe－Cu系去研究。氧化熔煉產(chǎn)出的冰銅不含游離的銅和鐵，所以用Cu2S－FeS假二元系來研究是符合實際的。圖2-3表明在液相線以上Cu2S與FeS完全互溶成為均勻的單一液相，這為熔渣與冰銅澄清分離創(chuàng)造了更有利條件。圖2-3Cu2S－FeS－Fe－Cu系相圖冰銅的理論成分可由純Cu2S變到純FeS，相當于含銅由79.8%變到0，含硫由20%變到36.4%。反射爐產(chǎn)出的冰銅一般含銅20%～40%，故含硫常為25%左右。冰銅中常含有氧，約為2%～4%。氧在冰銅中主要以Fe3O4存在，且品位越低則含氧越高，因Cu2S不溶解Fe3O4。由于Fe3O4在冰銅中溶解，致使實際冰銅的含硫量比Cu-Fe-S系狀態(tài)圖中表示的理論值略低影響冰銅含氧量的多少，除了冰銅品位外，還與爐渣含SiO2、CaO、Al2O3量以及溫度等因素有關(guān)。隨著渣SiO2含量的減少和CaO、Al2O3含量的增加，冰銅含氧量則增大。溫度對冰銅含氧的影響不大。Fe3O4在冰銅中大量溶解，容易在反射爐底溫度較低的情況下析出，形成磁鐵底結(jié)。冰銅是金銀等貴金屬的良好捕集劑。工廠冰銅熔點為950～l050℃，密度約為5.0g/cm3，粘度很低，在熔煉溫度下都小于0.12）爐渣爐渣似乎是冶煉的廢料。但是只有煉好爐渣才有可能獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標。對煉銅來說，由于爐料的銅品位不高（精礦品位為15%～30%，礦石品位0.4%～2%），熔煉產(chǎn)出的冰銅率（冰銅占爐料重的百分數(shù)）不大，而渣率（爐渣占爐料重的百分數(shù)）卻很高，通常為50%～100%或更高。所以，爐渣構(gòu)成了熔煉產(chǎn)物的基體，爐渣的性質(zhì)決定著熔煉過程的特征。爐渣的理論在有色冶金原理課程中討論過。有色爐渣的大多數(shù)是屬于FeO－CaO—SiO2體系，三者之和占渣量的75%～85%，另外還含有少量的金屬和非金屬氧化物。所以，有色爐渣是氧化物的熔體。煉銅爐渣主要組成如表2-1所示：表2-1有色爐渣一般化學成分成分SiO2FeOCaOMgOAl2O3Cu含量/%35~4230～454～20l～52～130.2～0.6對冶金過程影響最大的爐渣性質(zhì)是熔化溫度、粘度和密度。銅渣熔化溫度一般為1650～1150℃，它在很大程度上決定著爐溫的高低，也決定著爐料的熔化速度和燃料消耗。渣粘度對冶金反應(yīng)速度以及冰銅與爐渣的澄清分離有重大的影響。對冰銅與爐渣澄清分離來說，要求爐渣的密度越小越好。另外，爐渣的熱含量愈低，燃料消耗也愈小。銅在渣中的損失可分為三種形態(tài)：1）化學損失，即銅以Cu2O與其他化合物造渣的損失。這種損失很小，因在煉冰銅時有大量的FeS存在，Cu2O將被FeS硫化：FeS+Cu2O＝Cu2S+FeO。這一反應(yīng)在高溫下能進行到底，使銅轉(zhuǎn)入冰銅中；2）物理損失，即銅以Cu2S在爐渣中的物理溶解。這種損失也不太大。它隨著爐渣含鐵量的增加而增大，所以熔煉時盡可能選用硅鈣較高的渣型；3）機械損失，即冰銅顆粒在爐渣中機械夾雜造成的損失。這是渣含銅最大的損失。影響渣含銅機械損失的因素很多，如熔渣的粘度和密度太大，渣熔化溫度過高，過熱溫度過低，澄清時間過短，以及操作不當，爐結(jié)生成，料坡倒塌和熔池內(nèi)氣泡浮起作用等。既然渣含銅損失主要是機械損失，那么降低渣含銅也就必須從降低機械損失入手。正常爐況是獲得良好冶煉指標的根本保證，當然也是降低渣含銅的根本保證。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)從以下幾方面采取降低渣含銅措施：1）選擇適當渣型。長期的實踐指出，在選擇渣型時，必須根據(jù)本廠的原料、熔劑、冶煉特點等情況，全面處理好渣成分與渣含銅、產(chǎn)渣量、熔劑消耗量之間的關(guān)系。所以，在滿足冶煉要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量降低熔劑消耗來減少產(chǎn)渣量，并盡量選用來源廣、價格低的熔劑。渣含銅隨渣含鐵的增加而升高，而隨渣含二氧化硅和氧化鈣的增加而降低。因為SiO2能降低爐渣的熔化溫度和密度，并能破壞Fe3O4。但是，SiO2過高時，渣的熔化溫度又重新上升，粘度也增大，渣的性質(zhì)反而惡化。至于CaO的影響，當它在渣中含量適宜時，可以降低熔渣的粘度和密度，有時還可降低爐渣的熔化溫度。爐渣中SiO2、FeO、CaO的含量，工廠常用SiO2/Fe和SiO2/CaO比來表示，它們分別為1.2～0.3和2.4～3.4。此時可得較好的渣含銅效果。2）適當選擇冰銅品位。在其它條件相同的情況下，渣含銅隨冰銅品位的升高而增大。因為銅在渣中損失主要是機械損失，所以夾雜在渣中的冰銅小珠含銅越高，渣含銅也越高。工廠的[Cu%]冰銅/[Cu%]爐渣≤100。3）橫隔膜的形成。由于反射爐熔池表面高溫與爐底低溫之間形成溫度梯度，所以難熔物質(zhì)可能析出，并在冰銅層與爐渣層之間形成一種熔點高、粘度大、密度介于冰銅與爐渣之間的橫隔膜。橫隔膜主要是由熔點相當高的閃鋅礦、磁鐵礦、鈣鎂橄攬石、硅灰石等所組成。這一粘稠夾層，惡化了冰銅與爐渣分離，增高渣含銅。所以，在選渣配料應(yīng)該特別注意。另外，提高爐溫、控制適當?shù)脑婧捅~面、穩(wěn)定料坡，都會給降低渣含銅帶來有利的影響。3．煙塵和爐氣反射爐煙塵率一般為1.3%～3.5%。煙塵可返回反射爐處理。爐氣的主要組成除N2外便是CO2，SO2濃度較低（約1%）。爐氣以1200℃左右的溫度進入廢熱鍋爐，回收余熱后放空。2.3銅精礦的密閉鼓風爐熔煉鼓風爐是一種具有垂直作業(yè)空間的冶金設(shè)備。爐料和燃料從爐子上部分批加入，在爐內(nèi)形成料柱；空氣或富氧空氣從爐子下部的兩側(cè)風口鼓入，使爐內(nèi)的燃料和硫化物強烈氧化，放出大量的熱，形成一個溫度集中的高溫區(qū)（焦點區(qū)）。在高溫的作用下，爐料與爐氣在爐內(nèi)完成全部冶金反應(yīng)，并熔化、過熱進入本床（（爐缸）。熔體由本床流至爐外的前床進行澄清分離。而爐氣則通過料柱的空隙上升，導出爐外，經(jīng)收塵后送往制酸。由此可見，鼓風爐內(nèi)爐料與爐氣是逆流運動的，熱交換好，熱利用率高達70%以上；強烈的氧化放熱反應(yīng)集中在風口上方的焦點區(qū)，使焦點區(qū)溫度達1450℃以上；由于鼓風爐是一個垂直的井形爐子，爐料熔化并過熱到一定程度后，因重力的作用自動流入本床并由爐內(nèi)流出，所以焦點區(qū)的溫度主要決定于爐渣的熔點。強化過程只能增加爐料的熔煉量。另外，硫化物氧化反應(yīng)、燃料燃燒反應(yīng)和造渣反應(yīng)等放熱反應(yīng)主要集中在爐子下部進行，而水分蒸發(fā)、分解反應(yīng)等吸熱反應(yīng)則在爐子上部進行，這就更促使爐內(nèi)高溫區(qū)的集中。過去，鼓風爐的爐頂是敞開的，而且只能處理塊狀物料，產(chǎn)出煙氣中二氧化硫濃度低，不能回收并造成煙害。密閉鼓風爐的爐頂則是密閉式的，在爐頂沿爐長中心線設(shè)有加料斗，硫化銅精礦經(jīng)加水混捏直接從加料斗加到護內(nèi)，并在加料斗形成嚴密的料封。爐氣則從爐子上部兩側(cè)頂蓋下的排煙口排出，經(jīng)凈化除塵后送往制酸。密閉鼓風爐煉銅只在我國和日本采用。它的建設(shè)費低，熱效率和床能率高，適應(yīng)性和通用性大，當前還是一種值得研究的冶煉方法。2.3.1密閉鼓風爐煉銅的基本原理銅精礦密閉鼓風爐熔煉屬于半自熱氧化熔煉，過程所需的熱量由硫化物氧化和燃料燃燒供給。爐內(nèi)的爐料和爐氣分布狀態(tài)如圖2-4所示。加入爐內(nèi)的混捏銅精礦（粉料）與塊料（焦炭、熔劑、返回轉(zhuǎn)爐渣等）的容積比例約各占一半。由于熔煉速度的不平衡，使得爐料下降速度相應(yīng)有快有慢。靠近水套兩側(cè)下料快，而靠近爐子中心因透氣不良而下料慢。這就發(fā)生爐料從中心往兩側(cè)填充。其中塊重和大的料比輕和細的料移動得快，滾得遠，形成爐子兩側(cè)以塊料和焦炭多夾有部分精礦、爐子中心混捏精礦多夾有塊料的偏析現(xiàn)象，但是它們之間并沒有明顯的界限。由于塊料偏析在爐子的側(cè)邊，所以爐氣也比較集中地從爐子側(cè)邊上升。在爐氣的高溫作用下，混捏銅精礦發(fā)生固結(jié)和燒結(jié)。兩側(cè)的溫度比爐中心高，尤其在爐子上部這種溫差更大。在靠近風口水平面，這種溫差將逐漸減小。高溫的焦點區(qū)也稍微分散于兩側(cè)并有所拉長。以上這種情況，為本來只能處理塊狀物料的鼓風爐能夠直接處理粉狀的銅精礦創(chuàng)造了條件。但是由于爐料和爐氣分布不均，對完成多相冶金過程是不利的。在以輻射和對流傳熱為主的中心料柱外圍，傳熱和氧化脫硫都很快；而在以傳導傳熱為主的料柱中心，傳熱慢，氧化脫硫亦不易進行。這是密閉鼓風爐脫硫率和生產(chǎn)率較低的問題所在。同時也要求料柱不宜過高，一般約為3m。圖2-4密閉鼓風爐內(nèi)的爐料和爐氣分布狀態(tài)示意圖總體來說，密閉鼓風爐內(nèi)的冶金反應(yīng)與反射爐相似，但亦有特點：1）根據(jù)爐內(nèi)溫度和物理化學變化的不同，從鼓風爐上部至下部大致可分為預(yù)備區(qū)、焦點區(qū)和本床區(qū)三個區(qū)域。預(yù)備區(qū)溫度由250～600℃至1000～1100℃，進行爐料的預(yù)熱、干燥、脫水，高價硫化物和石灰石的分解，硫化物的氧化，以及精礦的固結(jié)和燒結(jié)。焦點區(qū)溫度1250～1300℃，進行了焦炭的燃燒、爐料的熔化、熔融硫化物的氧化，以及完成造渣和造冰銅過程。進入爐子的本床區(qū)，熔體溫度降至1200～1250℃，在此，爐渣與冰銅成分相互調(diào)整，少量的Cu2O被再硫化；2）爐頂溫度較高（500～650℃），使分解出來的單體硫氧化成SO2；3）爐氣穿過料層和爐料不斷下移，使傳熱傳質(zhì)都比反射爐好，熱利用率和脫硫率高。對相同精礦，冰銅品位高于反射爐熔煉；4）鐵的硫化物氧化是鼓風爐熔煉的主要氧化反應(yīng)。由于爐內(nèi)過?？諝廨^小，氧化結(jié)果主要是生成FeO造渣，而Fe3O4形成較少；5）鼓風爐的焦炭燃料完全作為加熱劉，其燃燒熱約占全部熱收入的60%。2.3.2密閉鼓風爐的構(gòu)造及操作實踐1－水套梁；2－頂水套；3－加料斗；4－端水套；5－風口；6－側(cè)水套；7－山型；8－煙道；9－咽喉；10－風管圖2-5密閉鼓風爐的構(gòu)造示意圖密閉鼓風爐為橫斷面呈矩形的爐子，有的兩端為半圓形的所謂橢圓形鼓風爐。爐子有效高4.0～44.4m，風口區(qū)寬1.1～1.2m，爐長則由產(chǎn)量決定，一般為29m，過長不便于照應(yīng)。其構(gòu)造圖如圖所示。爐子建在堅實混凝土上面的鑄鋼立柱或千斤頂上。風口中心水平給以下至床底稱本床。本床底砌厚410～455mm并向咽喉口方向略帶傾斜的耐火磚，深540～720mm。爐壁由鍋爐鋼板焊接的水套構(gòu)成。端壁水套垂直安放，而兩側(cè)水套傾斜5o～8o安放，使爐子垂直截面成梯形，橫截面則成矩形。每個側(cè)面水套都有三個100～110mm風口。風口向下傾斜12o～18o，在水套內(nèi)壁風口上方焊有一個長100mm的帽舌。風口斷面積總和與爐子風口區(qū)水平截面積之比稱為風口比，其值一般為3.9%～6.3%。排煙口（煙道）設(shè)在爐頂后端。熔煉熔體連續(xù)從咽喉口沿放出流槽流入前床，進行爐渣與冰銅分離。前床多為矩形，也有橢圓形的，無蓋，它為外包鋼板并加固的內(nèi)砌磚筑成。其容積與爐子生產(chǎn)率及熔煉產(chǎn)物的數(shù)量有關(guān)，通常為每100t/d熔煉量需5～9m3。前床深1.2～1.5m，內(nèi)寬2.54.8鼓風爐的正常操作包括進料操作，爐口操作，風口操作，前床操作，供水排渣及水套汽化冷卻系統(tǒng)的照應(yīng)等方面。進料要嚴格控制混捏銅精礦水分，提升混捏質(zhì)量，遵循規(guī)定的進料順序，將爐料和焦炭均勻加入爐內(nèi)。爐口觀察是掌握爐子上部爐況的重要操作，要嚴格控制爐頂負壓小于150Pa，以防過多吸入冷風，保證煙氣SO2濃度，并及時處理崩料和料面穿孔上火等故障。風口操作的主要任務(wù)是送好風。正常風口為表層有黑色網(wǎng)簾狀渣殼而里面熾亮，所以必須正確判斷風口狀況，消除風口故障，穩(wěn)定送風壓力。前床操作對降低渣含銅和保證熔體通暢排出有重要作用，所以要經(jīng)常檢查所有通道的暢通情況，定時測定前床冰銅面高度（在250～700mm范圍變動），及時覆蓋稻草和焦粉以加強前床保溫。供水系統(tǒng)要保證熔渣水淬水壓大干1.5×105Pa，各路供排水要暢通，水溫要合宜。要防止汽化水套的超壓或缺水，定期排污。密閉鼓風爐熔煉時，水套內(nèi)壁的爐結(jié)是正常的，它保護了水套且使爐氣均勻分布。但爐結(jié)過大影響正常作業(yè)時，必須進行處理。密閉鼓風爐處理的精礦一般含12%～16%的Cu，20%～31%的S，混捏精礦含14%～17%的H2O，入爐爐料塊率35%～50%，單位風口水平截面的鼓風量為1800～2300Nm3/h，鼓風壓力6000～9000Pa。排煙口溫度500~650℃，床能率為45～55t/m2·d，脫硫率45%～55%，焦比7.5%～9.5%，富集率1.5～2.5倍。冰銅的Cu品位25%～35%，渣含銅0.17%～0.29%，Cu渣/Cu冰為0.56%～0.95%。渣率為45%～52%，煙塵率為2%～7%。銅的熔煉直收率達95%～97%。2.4銅精礦的閃速熔煉硫化銅精礦熔煉的速度取決于爐料與爐氣間的傳質(zhì)和傳熱過程，而傳質(zhì)和傳熱過程又隨兩相接觸表面積的增大而增高。為此，要使反應(yīng)速度迅速而完全地進行，可將爐料磨細并充分使它飄懸在反應(yīng)的爐氣中。閃速熔煉便是基于上述原理，將預(yù)熱空氣或氧氣和干燥的精礦以一定的比例加入反應(yīng)塔頂部的噴嘴中，在噴嘴內(nèi)氣體與精礦強烈混合，并以很大的進度呈懸浮狀態(tài)垂直噴入反應(yīng)塔內(nèi)，滿布整個反應(yīng)塔截面，并發(fā)生強烈的氧化放熱反應(yīng)。閃速熔煉把強化擴散和強化熱交換緊密結(jié)合起采，使精礦的焙燒。熔煉和部分吹煉在一個設(shè)備內(nèi)進行，從而大大地強化了熔煉過程，顯著提高了爐子生產(chǎn)能力，降低了燃料消耗。在反應(yīng)塔熔化和過熱的熔體（冰銅和爐渣）落入沉淀池澄清分離，然后分別由冰銅放出口和爐渣放出口放出。含SO2較高的高溫爐氣通過直升煙道進入換熱器和收塵系統(tǒng)后送往制酸。其流程如圖所示2-6。圖2-6閃速熔煉流程圖2.4.1爐料干燥閃速熔煉要求在反應(yīng)塔內(nèi)以極短的時間（2～3s）完成全部冶金過程，因此爐料必須事先干燥使其含水量小于0.3%。干燥時不應(yīng)使硫化物氧化和顆粒粘結(jié)。干燥可用回轉(zhuǎn)窯、氣流干燥或閃速干燥。目前許多工廠都用氣流干燥法，其設(shè)備組成如圖2-7。經(jīng)配好的濕爐料由回轉(zhuǎn)窯的窯頭加入，通過圖2-7系統(tǒng)，在沉降室、旋渦收塵器和布袋收塵器收集，并落在閃速爐的中間料倉中，然后送至精礦噴嘴噴入反應(yīng)塔。以往干燥系統(tǒng)最后一段收塵為電收塵，但因其維修管理復雜、安全條件高、設(shè)備投資大和占地多等緣故，改為布袋收塵器，效果較好。三段脫水的干燥率分配是：回轉(zhuǎn)窯20%～30%、鼠籠5%～60%、氣流干燥管2%～30%。而各段收塵效率是：沉塵室7%、一段旋渦86%、二段旋渦5%，其余在布袋收塵器中捕收。圖2-7氣流干燥配制示意圖2.4.2閃速熔煉的基本原理冶金過程的化學反應(yīng)來看，閃速熔煉與反射爐熔煉和鼓風爐熔煉一樣，沒有實質(zhì)的區(qū)別，而在設(shè)備和工藝上則大大地改善了硫化物固體和熔體與氧化性氣體之間的反應(yīng)動力學條件。即是說，閃速熔煉大大地增大了硫化物凝聚相的反應(yīng)表面積和提高氣相中的氧濃度，強化硫化物氧化反應(yīng)。其結(jié)果，降低了燃料消耗，提高了煙氣中SO2濃度，達到節(jié)能、綜合利用和改善環(huán)保條件的目的。在閃速爐反應(yīng)塔空間內(nèi)，鐵的硫化物氧化占主要地位。氧化形成的FeO與爐料中其他組分一起造渣，而形成的Fe3O4進入熔體內(nèi)，未氧化的FeS與Cu2S構(gòu)成冰銅。Cu2S實際上沒有被氧化而進入冰銅內(nèi)，因為有足夠的FeS存在時，Cu2O被硫化成Cu2S。被氧化的部分鎳和鈷進入渣中，未氧化的部分硫化物進入冰銅。鋅主要以ZnO入渣，僅有少量入煙塵。鉛主要揮發(fā)進入煙塵。鎘的入塵率比鉛更高。大部分的硒、碲、錸也揮發(fā)入塵。而金銀等貴金屬，則轉(zhuǎn)入冰銅中。由于硫化物的迅速氧化，在距噴嘴出口0.7m以外氣相中的SO2濃度顯著增加，80%～85%的SO2在此生成。煙氣離開反應(yīng)塔時，氧分壓已接近于零。閃速熔煉可在較寬的范圍內(nèi)改變風料比例來調(diào)整冰銅品位和脫硫率。2.4.3閃速爐的構(gòu)造及操作實踐閃速爐主要由反應(yīng)塔和沉淀池兩部分組成。反應(yīng)塔是完成氧化反應(yīng)、造冰銅和造渣等冶金過程的設(shè)備，而沉淀池則主要起著煙氣與熔體、冰銅與爐渣的分離作用。反應(yīng)塔為圓筒形，除塔頂外均用鋼板圍起，內(nèi)襯鉻鎂磚，在塔頂以下1.5～2m開始襯電鑄鉻鎂磚，并在塔外壁實行強化冷卻，同時每隔750～800mm設(shè)置一圈銅水套，以減輕爐襯磨損和腐蝕；閃速爐最易損壞的地方是反應(yīng)塔及直升煙道與沉淀池相聯(lián)結(jié)處。由于達兩個部分都是垂直相交，所以受高溫煙塵和煙氣強烈沖刷和腐蝕嚴重。為了加強其結(jié)構(gòu)，可用帶翅片的水冷銅管并在管間及周圍填充耐熱混凝土，實行強制冷卻。1－精礦噴嘴；2－反應(yīng)塔；3－沉淀池；4－直升煙道；5－放渣口；6－放冰銅口圖2-8閃速熔煉爐結(jié)構(gòu)示意圖近年來，煉銅閃速爐在向大型化發(fā)展，反應(yīng)塔直徑達6～8m以上，高度超過11m，噴嘴由1個增加到3～4個，生產(chǎn)能力超過1500t/d。沉淀池除爐頂以外也用鋼板圍起，大型爐子在直升煙道一端設(shè)有2～3個放渣口，側(cè)墻設(shè)4～5個放冰銅口，并在端墻和側(cè)墻設(shè)有數(shù)個重油噴嘴，以補償沉淀池的熱損失。沉淀池約最下層用絕熱磚鋪設(shè)，上層用鉻鎂磚砌成反拱形，渣線水平砌電鑄鉻鎂磚，并在磚體外設(shè)冷卻銅水套，其余爐墻砌鉻鎂磚。水冷循環(huán)系統(tǒng)安設(shè)有自動水壓報警和水量、水溫等信號。閃速爐爐頂也有拱型和懸體型兩種。直升煙道頂部為懸頂。煙道外包鋼板內(nèi)襯磚里，有垂直和傾斜設(shè)置兩種形式。煙道上設(shè)有熔去粘結(jié)物的重油燒嘴。煙道內(nèi)的煙氣流速按～12m/s設(shè)計。不同工廠閃速爐的精礦噴嘴結(jié)構(gòu)各不相同。圖2-9為足尾冶煉廠的精礦噴嘴結(jié)構(gòu)圖。它采用兩段文丘里管結(jié)構(gòu)。第一段文丘里管的氣流速度為130m/s，第二段為60m/s，出口速度為25m/s。閃速熔煉生產(chǎn)能力大（50～80t/m2·d），熱利用好，煙氣含SO210%～18%，硫的回收高于95%，產(chǎn)出高品位冰銅。加上操作簡單，機械化、自動化程度高，勞動條件好等，使其成為20世紀80年代大有發(fā)展的銅冶煉技術(shù)。然而該法的渣含銅還較高1.0%～1.5%Cu），須經(jīng)電爐或選礦貧化；爐料要高度干燥；煙塵率較大（8%～10%）；并易形成Fe3O4。有的工廠在反應(yīng)塔下部噴入輕質(zhì)揮發(fā)油造成弱還原性氣氛來控制Fe3O4生成，收到良好的效果。圖2-9足尾冶煉廠的精礦噴嘴爐子供風有中溫（400~500℃）、高溫（大于800℃）和低溫富氧（200℃，30%～40%O2）三種形式。閃速爐除了可產(chǎn)出高品質(zhì)冰銅外，還可直接產(chǎn)出粗銅，直接煉粗銅有兩種制度：1）在沉淀池內(nèi)爐渣－冰銅－粗銅同時共存由于在爐渣與粗銅之間存在白鈹層，Cu2S控制著Cu2O的入渣量，使渣含銅5%～10%。粗銅含硫達到熔池溫度下的平衡值0.5%～1.6%S）。渣含磁性氧化鐵高，接近甚至超過Fe3O4的飽和值，致使渣粘度急劇增大，爐渣與冰銅分離困難。此時，粗銅穩(wěn)定存在的熱力學條件是：1300℃和＝0.1atm（10132.5Pa）下，＝-6.3，=-5.8。2）在沉淀池內(nèi)爐渣－粗銅共存由于爐渣與粗銅接觸，渣含銅大大增加（8%～15%Cu）。硫在粗銅中的含量大大降低，且含有0.5%~1.5%的O2，使許多有害雜質(zhì)從粗銅中造渣除去，提高了粗銅質(zhì)量。渣中Fe3O4也大大增高并超過其飽和值，在1300℃時高達44%的Fe3O4，此時＝-5.5。2.4.4閃速熔煉的其他形式閃速熔煉也可稱為懸浮溶煉或稱為懸浮熔煉的一種形式。它的特點是“空間反應(yīng)”。除上述者外，氧焰熔煉和氧氣噴灑熔煉都屬此類型。1）氧焰熔煉氧焰熔煉也稱INCO法。其流程為沸騰干燥－純氧閃速爐熔煉－吹煉－電解精煉。沸騰干燥爐外殼直徑2667mm，床層直徑1524mm，自由空間高2896mm?？諝饨?jīng)燃燒爐預(yù)熱至315～382℃進入爐內(nèi)，保持料層有120℃的溫度。銅精礦：石英砂＝6.5：1的爐料從爐頂?shù)倪M料口加至爐內(nèi)，干燥后的爐料與爐氣一起以l07℃的溫度從爐頂?shù)呐帕峡谂懦?，?jīng)布袋收塵器進貯料倉，爐料含水0.3%。熔煉爐如圖2-10所示。爐子的兩端各安裝兩個精礦噴嘴。噴嘴由不銹鋼制成，用1.2kg/cm2（121590Pa）壓力的工業(yè)純氧（98%O2）將爐料噴入爐內(nèi)。爐料在空間劇烈氧化，產(chǎn)出含0.6%~0.7%Cu的爐渣，可作為棄渣處理。床能力比上述反射爐熔煉高出30%，為11.2t/m2·d。煙氣的SO2濃度高于802-10氧焰熔煉爐示意圖2）氧氣噴灑熔煉這是在美國莫倫西廠實現(xiàn)的反射爐改造的閃速焙煉法。它是在反射爐爐頂上安裝若干個不銹鋼噴嘴。每個噴嘴的中心管給以2kg/cm2（202650Pa）壓力的工業(yè)純氧（95%O2），爐料在氧氣管側(cè)邊給入，經(jīng)噴嘴混合噴入反射爐內(nèi)。噴嘴在爐頂排列，每列為3個。20%～25%的爐料從兩側(cè)的噴嘴以一定的傾角噴入，其余的爐料從中間噴嘴垂直噴入。每個噴嘴進料為30t/d，爐子處理能力約為700t/d。據(jù)報導，在爐膛高2.7m下便完成了熔煉過程的反應(yīng)。煙氣SO2含量為34%。氧氣噴灑熔煉法充分利用了原有的反射爐設(shè)備，只增設(shè)氧氣站和干燥爐料設(shè)施，使產(chǎn)量比反射爐提高一倍，產(chǎn)出可制酸的煙氣，硫的回收率大于90%，節(jié)能50%，并能用料坡保護爐墻。但煙塵率由反射爐的3%～4%增至8%～10%。渣含銅0.8%。不能再用煙煤，而須用天然氣補充熱。2.5銅冶金的發(fā)展2.5.1池式熔煉池式熔煉實際上是將煉銅的焙燒、熔煉以至吹煉過程合并在一個或幾個功能上連續(xù)的設(shè)備中進行的冶金過程。其銅產(chǎn)品可以是冰銅，也可以是粗銅。從熱力學的觀點看，它與常規(guī)煉銅法沒有原則上的差別，只是在設(shè)備和工藝上改善了硫化物與氧之間的固－液－氣反應(yīng)的動力學條件，以此強化了過程和產(chǎn)出相應(yīng)產(chǎn)品。圖2-11為火法煉銅的－圖。圖中pqrst為粗銅冶煉過程中爐渣、冰銅和爐氣的平衡區(qū)。tp線為＝1atm（101325Pa）的等溫線，它是粗銅冶煉爐內(nèi)SO2分壓的最大極限值，rq則是爐內(nèi)SO2分壓的最小極限值，約＝10-0.6atm。當用空氣熔煉時，＝1atm，銅精礦氧化過程可視為沿ABC方向變化。隨著體系氧位增大和硫位減小，冰銅品位由0%提高至70%（由A至B點），然而，此時的氧位和硫位變化是比較小的。而當吹煉至出現(xiàn)粗銅時（由B至C點），體