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
中心料柱的存在和周边高温炉气的作用，使混捏精矿发生固结和烧结，为鼓风熔炼精矿创造了有利条件。

但由于炉料的偏析和炉气分布不均匀，从而破坏了炉气与炉料间、炉料相互间的良好接触，妨碍了多相反应的迅速进行，不利于硫化物的氧化和造渣反应。

这是密闭鼓风炉的床能率和冰铜品位低的根本原因。

由于炉料和炉气分布的不同，炉内的温度分布也不同，炉子两侧气流量大，气固接触好，反应强烈，温度较高。

而炉子中心部位则相反，温度较低。

尤其在炉子上部，这种温差更大。

2.5 铜精矿的电炉熔炼
电炉熔炼是利用电能通过熔炼炉料产生的高温进行熔炼的过程，只能熔炼干燥过的生精矿或焙烧矿，20世纪初电炉在铜工业上开始应用。

其优点是：可利用炉气中的SO2，适合处理难熔物料，电能效率高。

其缺点是：不能利用精矿反应的热能，电能消耗大，费用高。

2.5.1 电炉熔炼的原理
电炉熔炼的实质是将炉料加入熔池面上，由于炉气温度不高，故其表面不发生显著变化；炉料下部由于对流运动的渣流传热而熔化，不断下沉，同时发生与反射熔炼相同的各种物理化学变化，形成铜锍、炉渣和烟气。

2.6 铜锍的吹炼
铜锍吹炼的任务是将铜锍吹炼成含铜98.5%～99.5%的粗铜。

吹炼的实质是在一定压力下将空气送到液体铜硫中，使铜锍中FeS氧化成FeO与加入的石英熔剂造渣，Cu2S则与氧化生成的Cu2O发生相互反应变成精铜。

吹炼过程所需热量全靠熔锍中的硫和铁的氧化和造渣反应所放出的热量供给，为自热过程。

吹炼过程的温度一般为1473～1523K。

吹炼是周期性的间歇作业，熔融铜锍分批装入转炉内，要经历由装料、吹炼、排渣等操作组成的几个循环，直至产生精铜才算完成一个完整的吹炼过程。

然后重新加入铜锍开始下炉吹炼。

吹炼过程严格分为两个周期。

第一周期（又称造渣周期），主要是FeS的氧化造渣，结果形成Cu2S熔体，称为白冰铜；第二周期（又称造铜期），主要是Cu2S的氧化成Cu2O，同时Cu2O在熔体中与未氧化的Cu2S作用生成金属铜（精铜），在这一周期，没有炉渣形成。

2.7 其他炼铜方法
三菱法(Mitsubishi process) 将硫化铜精矿和熔剂喷入熔炼炉的熔体内，熔炼成冰铜和炉渣，而后流至贫化炉产出弃渣，冰铜再流至吹炼炉产出粗铜。

此法
于1974年投入生产。

诺兰达法(Noranda process) 制粒的精矿和熔剂加到一座圆筒型回转炉内，熔炼成高品位冰铜。

所产炉渣含铜较高，须经浮选选出铜精矿返回炉内处理。

此法于1973年投入生产。

氧气顶吹旋转转炉法用以处理高品位铜精矿。

将铜精矿制成粒或压成块加入炉内，由顶部喷枪吹氧，燃料也由顶部喷入，产出粗铜和炉渣。

中国用此法处理高冰镍浮选所得铜精矿。

离析法用于处理难选的结合性氧化铜矿。

将含铜1～5％的矿石磨细，加热至750～800℃后，混以2～5％的煤粉和0.2～0.5％的食盐，矿石中的铜生成气态氯化亚铜(Cu3Cl3）并为氢还原成金属铜而附着于炭粒表面，经浮选得到含铜50％左右的铜精矿，然后熔炼成粗铜。

此法能耗高，很少采用。

2.7 铜的电解精炼
铜的电解精炼是以火法精炼的铜为阳极，硫酸铜和硫酸水溶液为电解质，电铜为阴极，向电解槽直流电使阳极溶解，在阴极析出更纯的金属铜的过程。

根据电化学性质的不同，阳极中的杂质或者进入阳极泥或者保留在电解液中而被脱出。

2.8 湿法炼铜
湿法炼铜是用溶剂浸出铜矿石或铜精矿使铜进入溶液，然后从经过净化处理后的含铜溶液中回收铜的方法。

此方法主要用于处理低品位铜矿石、氧化铜矿和一些复杂的铜矿石。

目前湿法炼铜在铜生产中所占比重不大，只占10%～20%，但从今后资源发展趋势看，随着矿石逐渐贫化，氧化矿、低品位难选矿石和多金属复杂铜矿的利用日益增多，湿法炼铜将成为处理这些原料的有效途径。

2.8.1 湿法炼铜的浸出剂
浸出过程常用的溶剂有硫酸、氨、硫酸高铁溶液等。

2.8.2 湿法炼铜的浸出方法
湿法炼铜浸出方法有：就地浸出，废矿或矿石堆浸、池浸和搅拌浸出等。

露天剥离或地下矿采掘的低品位矿石适宜用堆浸；氧化铜富矿适宜用搅拌浸或池浸；含碱金属多的氧化铜矿适用氨浸；露天矿坑的边坡矿、老矿的采空崩落区、巷道内残矿以及采用爆破松动的含铜矿体适宜就地浸出。

除上述几种浸出外，现今在湿法炼铜中，逐渐发现了高压浸出法，包括高压酸浸和高压氨浸。

2.8.3 湿法炼铜的实践
湿法炼铜的工艺流程主要有“低品位铜矿石堆浸—萃取—电积”和“硫化铜精矿硫酸化焙烧—浸出—电积”两种流程。