镍的物理性质

课程设计说明书
题目名称： 10万吨镍冶炼厂工艺流程
系部：机械工程系
专业班级：冶金技术12-1班
学生姓名：周进
学号：2012232076
指导教师：赵宝平
完成日期：2014.6.27
新疆工程学院
课程设计评定意见
设计题目10万吨镍冶炼厂工艺流程
系部___机械工程系__ 专业班级冶金技术12-1班学生姓名____周进_______ 学生学号2012232076 评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：2014年6月27日
新疆工程学院
机械工程系(部)课程设计任务书
2013—2014学年2 学期2014年 6 月20 日专业冶金技术班级12-1 课程名称重金属冶金设计设计题目10万吨镍冶炼厂工艺流程指导教师赵宝平
起止时间2014.06.22～
2014.06.29
周数1周设计地点学校
设计目的：
1、通过课程设计能让学生系统的了解有色金属冶金原理、设备选型、工艺流程，培养
学生发现问题，解决问题的能力，满足工程应用型人才培养需求。

2、设计过程中，培养了学生查找、甄别、运用相关资料的能力。

3、提高学生的运算能力，以及阅读图纸和绘制图纸的能力。

设计任务：
1、完成整个相关金属冶炼工艺的介绍。

2、完成配料计算。

3、完成物料平衡计算。

4、
设计进度与要求：
2014.06.22～2014.06.23 研究任务书，查阅相关资料，提出设计构思和方案；
2014.06.24～2014.06.26 指导老师讲解设计和计算方法；
2014.06.27～2014.06.28 完成设计和计算，期间指导老师答疑问题；
2014.06.29～2014.06.29 答辩。

主要参考书及参考资料：
刘秉义.《有色金属工业设计总设计师手册》第一版（第二册）.北京：冶金工业出版社1989.8
张健.《重有色金属冶炼设计手册》第一版.北京：冶金工业出版社.1996.5 教研室主任（签名）系（部）主任（签名）
目录
摘要: (1)
第二章镍的综述 (2)
2.1镍的性质，用途： (2)
2.1.1镍的性质 (2)
2.1.2镍的用途： (2)
2．1．3不锈钢中镍的作用及需求 (2)
2.2硫化镍矿的分类和冶炼方法 (2)
2.2.1硫化镍矿的分类 (2)
2.2.2硫化镍精矿的火法冶炼 (3)
2.2.3 镍硫的吹炼 (4)
2.2.4 高镍硫缓冷工序的目的 (4)
2.3 硫化镍的电解精炼 (5)
2.3.1 工艺原理 (6)
2.3.2 羰化反应时各元素的行为 (6)
2.3.3羰基法生产镍的实践 (6)
2.4 硫化镍精矿的湿法冶炼 (7)
2.4.1 硫化镍精矿的加压氧氨浸出 (7)
2.4.2 硫化镍精矿的硫酸化焙烧-浸出法： (8)
2.5 氧化镍矿（红土矿）的湿法浸出： (8)
2.5.1 红土矿的还原-氨浸 (8)
2.5.2 红土矿的热压酸浸： (9)
第三章镍火法冶炼电炉熔炼 (9)
3.1设计的冶炼方法 (9)
3.2 物料的熔化 (9)
3.3 熔炼反应及产物 (11)
3.3.1熔炼反应 (11)
3.3.2熔炼产物 (11)
第四章镍冶炼的冶金计算 (14)
4.1硫化铜镍精矿流态化焙烧冶金计算 (14)
4.1.1 精矿物相组成计算 (14)
4.1.2 焙烧矿产量及脱硫率计算 (15)
4.1.3焙烧矿物相组成计算 (16)
4.1.4 焙烧反应及物料量 (17)
摘要:
目前，由于不锈钢产业的迅猛发展，全球对金属镍的需求不断增加，然而硫化镍矿资源日益匮乏，使得镍产量的扩大将主要来源于红土镍矿。

红土镍矿大致分为铁含量高的褐铁矿型和腐植土型两类，前者镍含量较低，宜采用高压酸浸湿法冶金工艺处理，而对于镍含量较高的腐植土型红土镍矿，电炉还原熔炼是其主流工艺。

采用电炉还原熔炼工艺从红土镍矿中提取用于制造不锈钢的镍铁合金，研究了还原剂(焦粉)用量、熔剂(石灰石)用量、熔炼温度和熔炼时间对合金中镍的品位和金属回收率的影响
在自然界中，镍主要以硫化镍矿和氧化镍矿状态存在。

由于元素亲氧及亲硫性的差异，在熔融岩浆中，当有硫元素存在时，镍能优先形成硫化矿物，并富集形成硫化物矿床。

硫化镍矿如镍黄铁矿、紫硫镍铁矿中的镍以游离硫化镍形态存在，有相当一部分以类质同象赋存于磁黄铁矿中。

部分氧化镍矿是由硫化镍矿岩体风化浸淋蚀变富集而成，镍主要以镍褐铁矿(很少结晶或不结晶的氧化铁)形式存在。

红土镍矿是含镁铁硅酸盐矿物的超基性岩经长期风化产生的矿石，在风化过程中，镍自上层浸出，而后在下层沉淀，NiO取代了相应硅酸盐和氧化铁矿物
晶格中的MgO和FeO。

第二章镍的综述
2.1镍的性质，用途：
2.1.1镍的性质
镍是一种银白色的铁磁性金属。

镍的熔1453±1℃，沸点约2800℃。

比重为8.9g/cm3。

具有良好的导电导热性。

具有良好的延展性，可制成很薄的镍片（厚度小于0.02mm）。

镍能与许多金属组成合金，这些合金包括耐高温合金、不锈钢、结构钢、磁性合金和有色金属合金等。

化学性质：
镍能抗氧锈蚀，因为其表面生成致密薄膜，能阻止进一步氧化。

也能抗强碱腐蚀，它在稀盐酸和硫酸中溶解很慢，但稀硝酸能与之作用。

镍与氧生成三种化合物，即氧化亚镍(NiO)，四氧化三镍(Ni3O4)和三氧化二镍(Ni2O3)，只有NiO 在高温下稳定；镍与硫生成四种化合物，即NiS2, Ni6S5,Ni3S2和NiS，在冶炼高下只有Ni3S2稳定。

冶金上最有意义的是镍与CO生成的羰基镍Ni(CO)4，它是挥发性化合物，沸点为43℃，分解温度为180℃。

2.1.2镍的用途：
(1)作金属材料。

镍具有良好的机械强度和延展性，难熔耐高温，并能在
表面形成致密的氧化镍膜，因此具有很高的化学稳定性，是一种十分重要的有色金属原料，被用来制造包括不锈钢、耐热合金钢、合金结构钢等3000多种合金，广泛用于飞机、雷达、导弹、坦克、舰艇、宇宙飞船、原子反应堆等领域。

(2)用作镀镍，主要是在钢材及其他金属材料的基体上覆盖一层耐用、耐腐蚀的表面层，其防腐蚀性要比镀锌层高20～25％。

(3)用作催化剂，应用于石油化工的氢化等过程。

(4)用作化学电源，如工业上已生产的Cd-Ni、Fe-Ni、Zn-Ni等电池和H2-Ni 密封电池。

这类电池充电性能好，理论比能量较高，价格较便宜。

(5)制作颜料和染料，其最重要的是制作一种以钛酸镍为主要组分的黄橙色颜料，该颜料覆盖能力强，不易被其他颜料污染且化学性能稳定。

(6)镍钴合金是一种永磁材料，广泛用于电子遥控、原子能工业等领域。

2．1．3不锈钢中镍的作用及需求
镍对钢的性能有良好的影响，钢中加入镍后，强度显著提高。

镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构——从体心立方(BCC)结构(铁氧体)
转变为面心立方(FCC)结构(奥氏体)，从而改善不锈钢的主要性能：可成形
性、焊接性、韧性、耐腐蚀性、光泽和高温性能等，因此镍被称为奥氏体形成元素，成为不锈钢中必不可少的添加元素
2.2硫化镍矿的分类和冶炼方法
2.2.1硫化镍矿的分类
硫化镍矿约占20%，主要为镍黄铁矿和镍磁黄铁矿。

含有铜、钴和铂族元素。

硫化矿为主要炼镍原料，矿石品位为0.3%~1.5%，冶炼前需经选将品位提高到4%~8%。

氧化矿占80%，分两类，一类是高硅镁质的镍矿，包括硅酸镁镍矿和暗蛇
纹石（ NiSO
3.mMgSiO
3
.nH
2
O）；另一类为红土矿是镍（含量1%）铁（含量40%~50%）
氧化物组成的共矿。

氧化镍矿难选，故它目前占镍产量比重不大（只有40%），但氧化矿占镍储藏量大，特别是红土矿（占氧化矿的80%），因此它是未来镍的主要来源。

镍的生产方法分为火法和湿法。

2.2.2硫化镍精矿的火法冶炼
占硫化矿提镍的86%，其处理方法是先进行造锍熔炼制取低镍硫，然后再送转炉对低镍硫进行吹炼产出高镍硫；经缓冷后进行破碎、磨细；通过浮选、磁选产出高品位硫化镍精矿、硫化铜精矿和铜镍合金。

类似于火法炼铜工艺。

生产熔炼
（1）鼓风炉熔炼：
鼓风炉熔炼是最早的炼镍方法，我国在20世纪60~70年代主要采用此方法，目前随着生产规模的扩大，冶炼技术的进步以及环保要求，此法已逐步被淘汰。

（2）电炉熔炼：
主要用于低镍锍的生产，我国的金川公司也用矿热电炉处理硫化镍精矿。

（3）闪速熔炼：
我国熔炼硫化镍精矿生产低镍锍的主要方法。

生产工艺包括精矿的深度干燥、配料、闪速熔炼、转炉吹炼和炉渣贫化等过程。

2.2.2.1 闪速熔炼原理
镍闪速熔炼与铜的闪速熔炼基本相同，闪速冶炼工厂将闪速炉与炉渣贫化炉合为一体，反应塔尺寸（直径×高）为ф600×6400mm、沉淀池面积为98m2。

2.2.2.2 闪速熔炼产物
闪速熔炼的产物为铜镍锍和炉渣。

（1）铜镍锍
铜锍镍主要由Ni3S2、Cu2S和FeS组成，含少量钴的硫化物、游离金属和铂族元素。

铜镍硫的性质与铜锍大致相同，Ni+Cu的总含量为45%~50%。

（2）炉渣
炼镍炉渣中含FeO、CaO、SiO2和大量MgO，熔点为1473K。

2.2.2.3 镍闪速熔炼的技术指标
镍闪速熔炼的主要指标为：
（1）精矿处理量50t/h。

（2）反应塔耗油量1733kg/h，沉淀池耗油1400kg/h。

（3）主要金属回收率为：Ni97.16%，Cu98.48 % ，Co65.46 %，硫回收率高于95%。

2.2.3 镍硫的吹炼
镍锍的吹炼是使其中的FeS 氧化造渣，除去铁和部分硫，产出主要与Ni2S2和Cu2S组成并富集了贵金属的高镍锍。

一般高镍锍含Ni+Cu的总和为70%~75%，含硫为18%~24%。

镍锍吹炼原理
镍锍吹炼只有造渣过程：
2Fe+O2+SiO2=2FeO.SiO2
2FeS+3O2+SiO2=2FeO.SiO2+2SO2
吹炼直到产出高镍锍为止，而没有造金属过程，因为反应：
Ni3S2+4NiO=7Ni+2SO2
要在1773K高温才能进行，而空气吹炼温度为1623K。

2.2.4 高镍硫缓冷工序的目的
高镍锍的缓冷是将转炉产出的高镍锍熔体注入8~20t的保温模内，缓冷72h，以使其中的铜锍化物和镍锍化物和铜镍合金相分别结晶，有利于下一步相互分离。

2.2.4.1 高镍硫缓冷过程的降温秩序
（1）温度在1200K以上时，锍镍中的各组分完全混熔。

温度降到1200K以下时，Cu2S开始结晶，温度越低，液相中Cu2S析出的越多，缓冷使Cu2S趋向于生成粗粒晶体。

（2）熔体降温到约973K时，金属相铜、镍合金开始结晶。

（3）当温度降到848K时，Ni3S2开始结晶。

同时液态熔体完全冷固。

该温度点为铜、镍、硫三元共晶液相的共晶点。

此时，镍在Cu2S中含量<0.5%，铜在Ni3S2中含量约6%。

（4）固体温度降到793K时，Ni3S2完成结构转化，由高温的β型转化为低温的β′型。

析出部分Cu2S和Cu-Ni合金，铜在β′基体中的含量下降为2.5%，793K 也是三元系共晶点。

（5）温度继续下降，Ni3S2相中不断析出Cu2S和Cu-Ni合金相，直至644K为止。

此时Ni3S2相中含铜<0.5%。

缓冷工序的工艺原则缓冷使相分离，并促进晶粒长大。

控制从1200K到644K间的冷却速度十分重要，特别是控制848K~793K 间的冷却速度，有利于Cu2S和Cu-Ni合金相从固体Ni3S2基体中析出，并和已析出的Cu2S和Cu-Ni合金相晶粒结合。

冷却速度过快，Ni3S2基体中存在Cu2S 和Cu-Ni合金相的极细晶粒，不利于选矿分离。

2.2.4.2高镍硫的分离
冷后的高锍镍经过破碎、磨细、磁选和浮选，得到的Cu2S精矿送铜冶炼系统处理；Ni3S2精矿经反射炉熔炼，浇铸成Ni3S2阳极板，进行电解精炼生产电镍；Cu-Ni合金用于回收贵金属氧化镍精矿的火法冶炼以炼镍铁为主，采用电炉还原熔炼产粗镍铁，粗镍铁经过精炼
除硅、碳、硫、磷、铬等产出镍铁合金，用于生产合金钢。

氧化镍矿也可用于生产镍锍，但在电炉熔炼过程中须加入硫化剂（硫磺）进行硫化。

2.2.3 电炉还原熔炼粗镍铁
经过煅烧后的氧化镍矿，配以4%的焦炭一同从电炉炉顶加入炉内，镍、铁还原后，得到粗镍铁合金；炉渣间断放出，经水淬后弃去。

主要反应为：
NiO+CO=Ni+CO2 NiSiO3+CO=Ni+SiO2
FeO+CO=Fe+CO2FeSiO4+2CO=2Fe+SiO2+2CO2
NiO+Fe=Ni+FeO 2NiSiO3+2Fe=2Ni+Fe2SiO4+SiO2
7.3.2.2 粗镍铁的精炼
首先在还原条件下，于脱硫桶中加入Na2CO3，经造渣脱硫后，硫可降至0.02%，反应为：
Na2CO3=Na2O+CO2
2Na2O+3S=2Na2S+SO2Na2O+SiO2=Na2SiO3
脱硫后的镍铁于转炉中，通入空气氧化残余的硅、碳、磷、铬；加入CaO造渣脱除P。

Si+O2=SiO24Cr+3O2=2Cr2O3C+O2=CO2
4P+5O2+6CaO=2Ca3(PO4)2
精炼后得到镍铁合金块。

电炉功率为10000kV.A，炉膛直径为11m，采用三根电极，埋弧操作，电压150V，单位电耗为550kW.h/t干精矿
2.3 硫化镍的电解精炼
硫化镍阳极的隔膜电解工艺是我国目前主要的电解镍生产工艺，其镍产量占总镍产量的90%以上。

电解精炼采用隔膜电解槽。

用硫化镍板做阳极，阴极为镍始极片，电解液用硫酸盐溶液和氯化盐混合溶液。

电解精炼的电极反应：
阳极Ni3S2–2e = Ni2+ + 2NiS
2NiS - 4e=2Ni2++2S
阴极Ni2+ + 2e = Ni
羰基法生产镍
2.3.1 工艺原理
CO能与镍反应生成气态Ni(CO)4
Ni(S)+4CO=Ni(CO)4(g)+ Q
这个反应为可逆反应，对镍的选择性高，对铜和铂族元素不起作用，铁和钴的羰基化合物可利用熔点和沸点的不同与羰基镍分离从而获得纯羰基镍。

2.3.2 羰化反应时各元素的行为
（1）金属镍：
极易与CO发生羰化反应，羰化率为95%以上。

（2）硫化镍：
在羰化过程中，可与金属铜反应：
Ni3S2 +4Cu=2Cu2S+3Ni
（3）铁：
铁的羰化率随压力升高而增加，在20MPa下的羰化率为80%，FeS几乎不发生反应。

（4）钴：
在高压条件下，少量金属钴发生如反应：
Co+8CO=Co2(CO)8
Co+12CO=Co4(CO)12
（5）铜和铂族元素
不发生羰化反应。

（6）硫
硫在羰化中起积极作用，一是在物料表面传递CO，起活化作用。

二是使铜、钴等金属生成硫化物免受羰化损失。

羰化反应中要求Cu：S≤4:1。

2.3.3羰基法生产镍的实践
羰基镍的生产工艺包括原料熔化、粒化、合成、精馏和分解等主要工序。

羰基镍的生产方法有常压、中压和高压合成。

辅助工序包括CO的生产、解毒和废料的回收处理。

我国目前采用高压合成羰基镍的工艺流程
.2.3.3.1 原料的制备
当用氧气顶吹代替空气吹炼时，由于反应速度快，热效应大，又避免炉气带走大量的热，可保证达到1773K以上的高温。

固可在吹炼的第二周期得到金属镍。

Ni3S2+7O2=NiO+4SO2
Ni3S2+NiO=7Ni+2SO2
氧气顶吹是在顶吹转炉中进行。

氧气喷枪从炉顶插入炉内，与熔池面保持一定距离，在熔池面上吹入氧气进行氧化，产生的热量可维持1923K的高温。

同时依靠炉子的转动搅拌熔体，以保证过程的正常进行。

吹炼得到的金属镍熔体经水淬得到粗镍粒。

2.3.3.2 高压合成羰基镍
高压羰基法可增加反应速率和简化羰基镍的冷凝液化过程。

为工业生产羰基镍的主要工艺。

其生产过程包括合成、精馏和分解三部分。

（1）合成
合成反应在合成釜中进行，尺寸为Φ3700mm×13400mm，容量为150t，两端为半圆形。

将加热到452K的CO通入反应釜中，维持压力6.884MPa，经过42h反应，此时镍、铁和少量钴生成Ni(CO)4、Co2(CO)8和Fe(CO)5，而铜、钴和铂族元素留在渣中，挥发的Ni(CO)4气体经环形冷凝器水冷成液体，装入储槽。

残渣回收铜、钴和铂族元素。

（2）粗羰基镍的精馏
粗羰基镍的精馏在精馏塔内进行。

利用不同的羰基化合物的沸点不同，提纯羰基镍，Ni(CO)4的沸点为316K，Fe(CO)5的沸点为376K ，Co2(CO)8在低于324K时是固体，只要控制一定温度，就可将Fe(CO)5和Co2(CO)8除去，达到提纯目的。

（3）羰基镍的分解
分为无晶核分解（473~493K)和有晶核分解(453~473K），反应为：Ni(CO)4(g) = Ni(S)+ 4CO
控制反应塔的结构、工艺条件及分解条件可获得不同用途的镍粉、镍丸和镍箔。

2.4 硫化镍精矿的湿法冶炼
硫化镍矿的湿法冶炼占硫化矿提镍的14%。

通常采用高压氨浸或硫酸化焙烧常压酸浸两种流程处理。

2.4.1 硫化镍精矿的加压氧氨浸出
主要处理镍黄铁矿，生产流程包括加压氨浸、浸出液蒸氨与除铜、氧化水解和加压氢还原氢还原制取镍粉和镍粉压块等。

（1）加压氧氨浸过程
在升高氧压和温度条件下，精矿中的硫化物与溶液中的氨反应，使镍、钴、铜生成可溶性的氨络合物，硫则氧化成可溶性的硫酸根离子，铁转化为不溶的三
氧化二铁：
NiS+2O2+6NH3=Ni（NH3)6SO4
4FeS+9O2+8NH3+4H2O=2Fe2O3+8NH4++4SO42-
浸出过程在高压釜中进行，采用两段逆流浸出法。

蒸氨和除铜：
升温蒸出部分氨后，铜呈CuS沉淀：
Cu2++S2O32-+H2O=CuS+2H++SO42-
操作在密闭蒸馏罐中进行，用蒸汽直接加热，操作温度393K。

蒸氨后通入H2S 可将铜降到0.002g/L。

（3）氧化水解：
使除铜溶液中未反应的S2O32-氧化，以免影响还原镍粉的质量：
(NH4)2S2O3+2O2+H2O+2NH3=2(NH4)2SO4
NH4SO3.NH2+H2O=NH4++SO42-
操作在高压釜中进行，总压力为4.9MPa，温度为493K。

反应后，S2O32-的浓度降到0.005g/L。

（4）加压还原：
在高压釜内，用氢做还原剂从溶液中还原镍：
Ni2+ + H2=Ni + 2H+
维持压力2.45~3.14MPa，温度473K，得到含镍99.9%的镍粉。

母液经硫化氢沉钴后回收硫酸铵做原料，钴渣为提钴原料。

2.4.2 硫化镍精矿的硫酸化焙烧-浸出法：
主要处理镍磁黄铁矿，生产流程包括沸腾焙烧、焙砂浸出、铁置换。

（1）沸腾焙烧：
在37.2m2沸腾炉内进行，控制温度935K，使铜、镍、钴变成可溶性硫酸盐，铁变成Fe2O3沉淀。

（2）焙烧浸出及铁置换：
在5台浓密机中进行，温度353K，加铁屑置换溶液中的镍、铜、钴，得到镍精矿。

2.5 氧化镍矿（红土矿）的湿法浸出：
氧化镍矿的湿法冶炼占氧化矿提镍的16%，通常采用还原焙烧氨浸和高压酸浸的流程处理。

世界上共有八个氧化镍矿的湿法冶炼厂，其中除古巴毛阿湾镍厂采用热压酸浸外，其余均采用还原-氨浸法。

2.5.1 红土矿的还原-氨浸
（1）还原焙烧
在21座17层多膛炉中进行，用煤气（含CO 、H2和CO2) 加热和控制还原气氛，温度控制在1033K，结果氧化镍被还原成金属镍，而Fe2O3还原成Fe3O4，得到的产品为镍铁合金。

NiO+H2=Ni+H2O
3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O
NiO+CO=Ni+CO2
（2）氨浸
采用NH3-(NH4)CO3溶液常压下进行，镍溶解于含氨的碳酸铵溶液中：
FeNi+O2+8NH3+ H2O + 3CO2=
Ni(NH3)62++Fe2++2NH4++ 3CO32-
Fe2+进一步氧化成Fe3+，呈胶状沉淀析出。

在蒸氨塔中将富镍溶液加热变成Ni2+与溶液中OH-和CO32-化合变成碱式碳酸镍：
Ni(NH3)62+=Ni2++6NH3
5Ni2++ 6OH - +2CO32- =3Ni(OH)2.2NiCO3
3）碱式碳酸镍的煅烧
碱式碳酸镍在回转窑中于1613K煅烧成NiO。

3Ni(OH)2.2NiCO3=5NiO+3H2O+2CO2
将NiO和无烟煤混合制团，在烧结机上烧结，做成颗粒大于6.35mm的烧结镍。

烧结镍中镍含量可达88%。

2.5.2 红土矿的热压酸浸：
根据氧化铁、氧化铝和氧化铬在高温高压下，在酸性溶液中不溶解，而镍、钴的硫酸盐完全溶解的性质，进行选择性浸出镍和钴。

工艺流程包括浸出和镍钴回收。

（1）浸出：
在立式高压釜内用浓硫酸浸出，高压釜用蒸汽搅拌加热，温度505~533K，压力4.2MPa，浸出时间2h：
NiO+H2SO4=Ni2++SO42-+H2O
（2）镍钴分离
采用沉淀硫化物的方法：
NiSO4+H2S=NiS+H2SO4
CoSO4+H2S=CoS+H2SO
第三章镍火法冶炼电炉熔炼
3.1设计的冶炼方法
我们设计镍选择火法冶：硫化镍矿的火法冶，选择电炉熔炼
3.2 物料的熔化
熔炼硫化矿石和精矿的电炉可以看作是高温熔池，里面有两层熔体（见图1），上面的炉渣层厚1700～1900mm ,下层厚600～800mm。

装到溶池中固体物料以料堆的形式沉入渣层，形成料坡。

物料靠以电能为主要来源的热量进行熔化，电能通过3根或6根电极送入炉内。

电极插入渣层的深度为300～500mm,电能转变为热能就是在渣层中发生的。

有40%～80%的热量产生于电极—炉渣的接触面上，其余部分的热量则产生于处在电回路中的渣层里。

大部分热量之所以产生于电极—炉渣的接触面上，是由于在电极工作端的周围存在着一个气体层，这就是所谓的气袋，电流以大量的质点放电形式,即以微形式,即以微弧的形式通过这个气袋。

气袋是这样形成的:由于电子流的机械压力，熔渣脱离电极，所形成的空隙便被由于电极燃烧所产生的气体和由炉渣中逸出的气体所充满，这个气体层具有很高的电阻。

因此电流通过气体层时产生很大的电压降，放出相应的热量。

在电炉电场中，从电极中心线起在靠近电极两个电极直径范围内，是熔池的导电部分（估而电流的90%是从电极中心线起一个电极直径范围内通过的）。

正是在这个区域内，电能转变为热能，远离电极中心线超过电极直径的熔池部分，不在电的回路中，也不会产生热量。

电流通过电炉的线路有两种：
（1）由电极通过炉渣→镍锍→炉渣→电极，即星形负荷。

（2）由一根电极通过炉渣流向另一根电极，即三角形负荷。

当电极之间的距离不变时，星形负荷和三角形的大小取决于电极插入渣层的深度、渣层的厚度和炉内料坡的大小。

当电极插入深度不大时，三角形负荷可达总负荷的70%；随着电极插入深度的增加，三角形负荷逐渐降低，电极插入很深是，便会降为30%～40%。

当电极向和插时，星形电流和三角形负荷逐渐降低，电极插入深度成正比地增加，但是星形电流的增长速度大于三角形电流的增长速度。

炉内那些不产生热量的部位，由于熔池内部炉渣的对流运动，将热能从热处带到冷处而进行热交换。

炉渣的对流量是由于渣池各部分的热量不同而造成的。

已经指出，最大的热量产生于电极—炉渣的接触区。

在此区域内，靠近电极表面的渣层已大为过热，其温度可过1500～1700℃或更高，由于渣中含有大量气泡，其膨胀的结果，使它的密度大大减小，因此，靠近电极表面的炉渣和远离电极的炉渣密度便产生了差别。

密度小的过热炉渣在靠近电极处不断上升而至熔池表面，并在熔池表面向四周扩散。

过热炉渣在其动动过程中与漂浮着的炉料相遇，使沉入熔池的料坡下部表面熔化。

运动着的炉渣与温度低的熔化炉料混合后，在渣池顺流向下沉降，到过电极下端附近，一部分炉渣则继续下降至对流动动非常薄弱的渣池下层，在这里镍锍和炉渣进行分离。

热渣在向远离电极方向的流动过程中，将自已的多余热量传给熔池的较冷部分，从而维持了这一部分熔池的热平衡。

而那些热渣很少流动的部位，或者说温度降低的部位，则热量不足，温度只有1250～1250℃。

炉子的四角、炉壁附近及电极下面的区域，这些地方就易生成炉结。

炉渣的对流运动乃是电炉中一个最重要的工作过程，对流运动确保电炉熔池中的热交换和物料熔化的进行，物料的大量熔化发生在电极插入的熔池区域内，也就是发生强烈的对流循环区域内。

从电炉的平面看，这个区域是在从电极中心线起1.5～2个电极直径范围内。

由于在熔池内，电能转换成热能是不均匀的，因而熔池每个部位的温度也不一致。

靠近熔体上层的温度较高，低层较低。

渣层在纵向和横向上温度是均匀的，只垂直方向有变化，主要是在电极以下温度有变化,在电极插入深度范围内实际上是等温的，这可用其中存在激烈的对流热交换来解释。

因熔池各部分受热情况不同，显然，炉料的熔化速度随着与电极的距离增大而急剧下降。

因此，大部分炉料（80%～90%）在距离电极中心线1.5～2倍电极直径的范围内加入。

3.3 熔炼反应及产物
3.3.1熔炼反应
电炉熔炼的物理化学反应主要发生在熔渣与炉料的接触面上，炉气几乎不参与反应。

因此电炉熔炼发液相和固相的相反应为主，可以一次完成造渣和造镍锍的化学反应。

加入电炉的物料，主要是精矿和焙砂，其次是烟尘、返回炉料及液体转炉渣、熔剂和碳质还原剂等。

铜镍矿物料的矿想组成为：
硫化物：Fe7S8、（FeNi）S2、CuFeS2、CoS；
氧化物：Fe2O3、Fe3O4、NiO、CuO、SiO2、MgO、CaO、Al2O3等；
硅酸盐：mMO.nSiO2,物料中还可以含有少量的硫酸盐（MSO4）、碳酸盐（MCO3）、氢氧化物[M（OH）2]和贵金属等。

过热炉渣在对流运动中与物料表面相遇时，便将自已多潜余的热量传给物料。

当物料加热至1000℃时，物料中便有复杂硫化物、某些硫酸盐、碳酸盐和氢氧化物的热分解发生，生成比较简单而稳定的化合物。

如果入炉物料是焙砂而不是精矿时，上述反应已在焙烧时完成。

当物料加热到1100～1300℃时，主要是硫化物和氧化物之间的交互反应，反应产生的Ni3S2、Cu2S、FeS、CoS相互熔合的液态产物便是低镍锍，其中溶解有少量的Fe3O4及Cu,Ni,Fe金属和贵金属。

碱性氧化物（FeO,CaO,MgO等）与酸性氧化物（SiO2）发生反应，生成mMO.nSiO2型的各种硅酸盐，这些硅酸盐在熔融状态下互相熔合，产生了电炉熔炼的另一种产物—炉渣。

熔融状态的镍锍和炉渣在熔池中因密度不同而分开。

在物料受热熔化时，除液态产物外，洞天福地产生气体，如S2被氧化为SO2。

碳还原MO产生的CO2等，大部分气体上升至熔池表面并进入炉空间随烟气排走，少部分气体则包裹在炉渣中，这就是炉渣含有大量气体的原因。

在电炉熔炼中，由于硫化物热分解所产生的硫化亚铁跟高价金属氧化物反应，可使炉料中的硫被脱除一部分。

当电炉熔炼未经焙烧的硫化精矿时，脱硫率为15%～18%；当熔炼焙烧后的精矿和适当加入碳质还原剂时，则脱硫率要小得多。

3.3.2熔炼产物
电炉熔炼硫化物铜镍精矿时，其产品有低镍硫、炉渣、烟气和烟尘。

低镍锍是冶炼的中间产品，要送至转炉工序进一步富集。

炉渣因含有价金属低而废弃。

烟经收尘、制酸后排入大气，而收得和烟尘则返回电炉熔炼。