铜冶炼基础知识

冶金概论讲义

1 冶金基本知识

1.1 冶金的概念及冶金方法分类

冶金就是从矿石或二次金属资源中提取金属或金属化合物，用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。

冶金的技术主要包括火法冶金、湿法冶金以及电冶金，

根据冶炼金属的不同，冶金工业又了可以分黑色冶金工业和有色冶金工业，黑色冶金主要指包括生铁、钢和铁合金（如铬铁、锰铁等）的生产，有色冶金指后者包括其余所有各种金属的生产。

1.2 火法冶金

火法冶金是在高温条件下进行的冶金过程。矿石或精矿中的部分或全部矿物在高温下经过一系列物理化学变化，生成另一种形态的化合物或单质，分别富集在气体、液体或固体产物中，达到所要捉取的金属与脉石及其它杂质分离的目的。实现火法冶金过程所需热能，通常是依靠燃料燃烧来供给，也有依靠过程中的化学反应来供给的，比如，硫化矿的氧化焙烧和熔炼就无需由燃料供热；金属热还原过程也是自热进行的。火法治金过程没有水溶液参加，所以又称为干法冶金。火法冶金是提取金属的主要方法之一，其生产成本一般低于湿法治金。

火法冶金包括：干燥、焙解、焙烧、熔炼，精炼，蒸馏等过程。

1.3 湿法冶金

湿法冶金是在溶液中进行的冶金过程。湿法冶金温度不高，一般低于100℃，现代湿法冶金中的高温高压过程，温度也不过473K左右，极个别情况温度可达573K。

湿法冶金包括：浸出、净化、制备金属等过程。

（1）浸出用适当的溶剂处理矿石或精矿，使要提取的金属成某种离子（阳离子或络阴离子）形态进入溶液，而脉石及其它杂质则不溶解，这样的过程叫浸出。浸出后经沉清和过滤，得到含金属（离子）的浸出液和由脉石矿物绢成的不溶残渣（浸出渣）。对某些难浸出的矿石或精矿，在浸出前常常需要进行预备处理，使被提取的金属转变为易于浸出的某种化合物或盐类。例如，转变为可溶性的硫酸盐而进行的硫酸化焙烧等，都是常用的预备处理方法。

（2）净化在浸出过程中，常常有部分金属或非金属杂质与被提取金属一道进入溶液，从溶液中除去这些杂质的过程叫做净化。

（3）制备金属用置换、还原、电积等方法从净化液中将金属提取出来的过程。

1.3 电冶金

电冶金是利用电能提取金属的方法。根据利用电能效应的不同，电冶金又分为电热冶金和电化冶金。

（1）电热冶金是利用电能转变为热能进行冶炼的方法。在电热冶金的过程中，按其物理化学变化的实质来说，与火法冶金过程差别不大，两者的主要区别只是冶炼时热能来源不同。

（2）电化冶金（电解和电积）是利用电化学反应，使金属从含金属盐类的溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如锕的电解精炼和锌的电积，可列入湿法冶金一类；后者称为熔盐电解，不仅利用电能的化学效应，而且也利用电能转变为热能，借以加热金属盐类使之成为熔体，故也可列入火法冶金一类。

从矿石或精矿中提取金属的生产工艺流程，常常是既有火法过程，又有湿法过程，即使是以火法为主的工艺流程，比如，硫化铜精矿的火法冶炼，最后还须要有湿法的电解精炼过程；而在湿法炼锌中，硫化锌精矿还需要用高温氧化焙烧对原料进行炼前处理。

2 铜冶金

2.1铜的性质及用途

2.1.1 物理性质

铜的熔点1083℃，沸点2310℃；常温密度8.89g/cm3；标准电位+0.34V；具有良好的导电性和导热性，仅次于银。铜与其他金属的互溶性好，很易与锌、镍、锡生成合金。液态铜能溶解H2、O2、SO2、CO2、CO和水蒸气等，浇铸时要注意除气，否则会形成气孔。

2.1.2 化学性质

在干燥空气中不氧化，在温度高于185℃时开始氧化，温度低于350℃时生成红色氧化亚铜（Cu2O），高于350℃时生成黑色氧化铜（CuO）。长期放置在含CO2的潮湿空气中，铜表面会逐渐生成一层绿色的碱式碳酸铜[CuCO3·Cu(OH)2]（铜绿）。

铜能形成一价化合物和二价化合物，前者在高温下稳定，后者则相反。

2.1.3 铜的用途

其应用范围仅次于钢铁和铝，居第三位。

①电器工业，占55%；②机械制造，轴承、活塞、阀门、高压设备等；③国防工业；④建筑、热工、冷却装置、民用设备等。

2.2 铜的生产方法

2.2.1 火法炼铜

火法炼铜是当今生产铜的主要方法，占铜产量的80%～90%，主要是处理硫化矿。工艺过程主要包括四个主要步骤：造锍熔炼、铜锍吹炼、粗铜火法精炼和阳极铜电解精炼。造锍熔炼传统熔炼设备有反射炉、电炉和密闭鼓风炉等；强化熔炼设备有闪速炉、诺兰达炉、艾萨炉、白银炉等。

火法炼铜的优点是适应性强，能耗低，生产效率高，金属回收率高。

2.2.2 湿法炼铜

湿法炼铜点铜生产量的10%～20%，主要用来处理氧化矿。工艺过程主要包括四个步骤：浸出、萃取、反萃取、金属制备（电积或置换）。氧化矿可以直接进行浸出，低品位氧化矿采用堆浸，富矿采用曹浸。硫化矿在一般情况下需要先焙烧后再浸出，也可在高压下直接浸出。

2.3 造锍熔炼

2.3.1 造锍熔炼的基本原理

硫化铜精矿含铜一般为10%～30%，除脉石外，常伴生有大量铁的硫化物，其量超过主金属铜，所以用火法由精矿直接炼出粗金属，在技术上存在困难，在冶炼时金属回收率和金属产品质量也不容易达到要求。因此采用造锍熔炼—铜锍吹炼的工艺来处理硫化铜精矿。这种工艺的原理是，利用铜对硫的亲和力大于铁和一般杂质金额，而铁对氧的亲和力大于铜的特性，在高温及控制氧化气氛条件下，使铁等杂质金属逐步氧化后进入炉渣或烟尘而补除去，而金属铜则富集在各种中间物中，并逐步得到提纯。

2.3.2 造锍熔炼的方法

造锍熔炼以往多在鼓风炉、反射炉、电炉等传统冶金炉内进行，这些方法熔炼强度低，能耗高，硫回收率低，生产成本高，环境污染严重，正逐步被强化铜锍熔炼工艺代替。强化铜锍熔炼工艺已在工业上广泛推广采用，归纳起来有两大类：一类悬浮熔炼，如奥托昆普闪速熔炼，INCO氧气闪速熔炼和KHD公司的连续顶吹漩涡熔炼法等；另一类是熔池熔炼，如诺兰达熔炼法，三菱法，瓦纽柯夫法，艾萨法和我国的白银法等。这些方法的共同特点是运用富氧技术，强化熔炼过程，充分利用炉料氧化反应热的能量，在自热或接近自热熔炼的条件下进行熔炼，产出高浓度SO2烟气，可有效地回收、制造硫酸和其他硫产品，环境友好，节能和经济效益好。

2.4 铜精矿的密闭鼓风炉熔炼

鼓风炉熔炼是一种古老的炼铜方法，它是竖式炉子中依靠上升热气流加热炉料进行熔炼。传统鼓风炉的炉顶是敞开的，炉气量大，所产烟气SO2浓度很低(约0.5％)，难以回收，造成污染。50年代中期，出现了直接处理铜精矿的密闭鼓风熔炼法，炉顶具有密封装置，铜精矿只需加水混捏的即可直接加入炉内，在烟气加热和料柱的压力作用下固结成块，使得熔炼顺利进行，炉气可用于制酸。

2.4.1 密闭鼓风熔炼的基本原理

密闭鼓风炉的炉料由混捏铜精矿、熔剂和固体转炉渣。块料的数量要求占炉料重的30%（或容积比50％）以上。炉料经由加料斗加入，当炉料下降离开加料斗进入炉内时，炉料自然向两侧滚动。由于偏析作用，细的精矿在炉子中心部分形成料柱，而料柱的两侧为块料所填充，选成炉内炉料分布不均匀状态。

由于炉内炉料分布的不均匀，造成了炉气的分布不均匀，即炉中间透气性差，炉气阻力大，而炉壁附近则相反，因此形成了鼓风炉炉气的周边行程。由于这种