铜火法冶金原理基础知识

2Fe+O2=2FeO
CaO+CO2=CaCO3 2Fe+S2=2FeS 2C+O2=2CO
对于绝大多数的离解-生成反应可以用以下通式表
示：
A(S)+B(g)=AB (S)
2 氧化物的离解和金属的氧化
1)离解压Po2 对氧化物的离解-生成反应，可用下述通式表示： 2Me+O2=2MeO ㏒ PO2= △G0/4.576T
Po2仅取决于温度，与其它因素无关。 Po2为反应
处于平衡时气相O2的平衡压，称为氧化物的离解 压。
2)铁氧化物的离解-生成反应
Fe氧化为Fe3O4或由Fe2O3理解为Fe的过程都是逐步
进行的。
当温度高于570 ℃时，Fe⇆FeO⇆Fe3O4⇆Fe2O3
O2含量增加到22.28% O2含量增加到27.64% O2含量增加到30.06% 2Fe+O2=2FeO 6FeO+O2= 2Fe3O4 4Fe3O4 +O2 = 6Fe2O3
时，C完全燃烧成CO2 ； O2不足时将生成一部分
CO；而C过剩时将生成CO。 对于煤气燃烧反应，温度高时，CO不易反应完 全。 对于碳的气化反应，只有温度高时才能进行。
2)H-O系和C-H-O系燃烧反应，主要有以下四个反 应：
氢的燃烧
水煤气反应 水蒸气与碳反应
2H2+ O2 =2H2O
CO+H2O=H2+C O2 2H2O+C=2H2+C O2 H2O+C=2H2+CO
甲烷的离解和燃烧
CH4=C+2H2
氢的燃烧反应与煤气燃烧反应相同，即温度高时， H2不易反应完全。 。
水煤气反应只能在温度低于800 ℃时进行。
水蒸气与碳反应需在高温下才能进行。 甲烷的离解和燃烧反应在低温下速度较慢，一般 要对其进行加热。
3 氧化物用气体还原剂CO、H2还原
氧化物用CO还原，可用通式进行表示： MeO+CO=Me+CO2 氧化物用H2还原，可用通式进行表示： MeO+H2=Me+H2O
Fe3O4的熔点为1597 ℃ 。
与铁氧化物一样逐级离解的氧化物还有
CuO → Cu2O → 2Cu
三 氧化物的还原
1 概述
金属氧化物在高温下还原为金属是火法冶金中较
为重要的一个冶炼过程。
按所用还原剂的种类来划分，还原过程可分为气
体还原剂还原、固体碳还原和金属热还原等。
由于火法冶金过程需要用燃料燃烧来得到高温，
低价硫化物在高温下是稳定的，因此在火法冶金 过程中实际参与反应的是金属的低价硫化物。
2)金属硫化物的离解-生成反应。二价金属硫化物 的离解-生成反应可以用下列通式表示：
2Me S 2 2MeS
3 造锍熔炼
1)造锍熔炼的目的。用硫化铜精矿生产金属铜是重 要的硫化物氧化的工业过程。由于硫化铜矿一般 都是含硫化铁的矿物，如CuFeS2(黄铜矿)，其矿石 铜品位，随着资源的不断开发利用，变得愈来愈 低，其精矿品位有的低到含铜只有10%左右，而含 铁量可高达30%以上。如果采用只经过一次熔炼提 取金属铜的方法，必然会产生大量含铜高的炉渣 ，造成铜的大量损失。因此，为了尽量避免铜的 损失，提高铜的回收率，工业实践先要经过富集 熔炼 —— 造硫熔炼，使铜与一部分铁及其它脉石 等分离。
参与燃烧的助燃剂为O2，因而燃烧反应是与C-O系
和C-H-O系有关的反应
1)C-O系燃烧反应，主要有以下四个反应： 碳的气化反应 煤气燃烧反应 碳的完全燃烧反应 碳的不完全燃烧反应 C+CO2=2CO 2CO+O2=2CO2 C+O2=CO2 2C+O2=2CO
碳的完全燃烧反应和不完全燃烧反应在任何温度 下都可以进行，在高温下能完全反应。在O2充足
当温度低于570 ℃时，Fe⇆Fe3O4⇆ Fe2O3
3/2Fe+ O2 =1/2Fe3O4
4Fe3O4 +O2 = 6Fe2O3
在室温下， Fe2O3是稳定的，金属铁将逐渐氧化为
Fe2O3 。
实际上并不存在FeO化合物，存在的仅是Fe-O熔
体。
Fe2O3在1452 ℃时分解为Fe3O4和O2 ；
铜火法冶金原理基础知识
熔炼车间
刘飞
2016年1月
一 铜冶金炉渣基础知识 二 化合物的离解-生成反应 三 氧化物的还原
1 2 3 4 1 2 3 4 1 概述 2 炉渣的组成 3 炉渣的物理化学性质
1 概述 2 氧化物的离解和金属的氧化
四 硫化铜矿的火法冶金
概述 燃烧反应 氧化物用气体还原剂CO、H2还原 氧化物用固体还原剂C还原 概述 金属硫化物的热力学性质 造锍熔炼 铜锍吹炼
中的全部脉石成分、灰分以及大部分杂质，从而
使其与铜锍或粗铜分离。
2）精炼渣：是粗铜火法精炼过程的产物，其主要
作用是捕集粗铜中杂质元素的氧化产物，使之与 粗铜分离。
2 炉渣的组成
冶金炉渣是极为复杂的体系，常由五、六种或更 多的氧化物组成，并含有如硫化物等其化合物。 炼铜炉渣中含量最多的氧化物通常只有三个，即
通常情况下将氧化物用C还原称为直接还原，而用 CO和H2还原称为间接还原。 对于用C还原MeO：
当温度高于1000时，还原反应可由下述两步相加
而成(生成的CO2瞬间被气化为CO)： MeO+CO=Me+CO2 CO2+C=2CO 相加后可表示为 MeO+C=Me+CO
当温度低于1000时，碳的气化反应产物中CO、 CO2共存，这时MeO的还原将取决于以下两个反应 的同时平衡：
MeO+CO=Me+CO2
CO2+C=2CO
四 硫化矿的火法冶金
1 概述
大多数的有色金属矿物都是以硫化物形态存在于 自然界中。一般的硫化矿都是多金属复杂矿，具
有综合利用的价值。
与含铜硫化物共生的稀(贵)散金属有金、银、铂、
钯、硒、锑、铼等。
现代硫化矿的处理主要依靠火法冶金。 根据硫化矿物的物理化学特性及成分来选择其冶 炼途径。 针对硫化铜矿一般是在提取铜金属之前先改变矿 物的化学成分或化合物的形态。 硫化铜矿：采用焙烧，熔炼及吹炼的方法获得粗 铜。
2)炉渣的粘度
粘度是炉渣的重要性质，关系到冶炼过程能否顺
利进行，也关系到金属铜或铜锍能否充分地通过渣
层沉降分离。冶炼过程要求炉渣具有小而适当的粘 度。 决定粘度大小的炉渣成分是其中酸性氧化物和碱 性氧化物的含量。
在相同温度下，酸性渣的粘度比碱性渣要高。
无论是酸性渣还是碱性渣，当熔体温度提高时粘
而燃料与还原剂又是相互联系的，因而将首先介
绍燃烧反应。
2 燃烧反应
火法冶金常用的燃料： 固体燃料有煤和焦炭，其可燃成分为C。 气体燃料有煤气、天然气和液化石油气，其可燃 成分主要为CO和H2。 液体燃料主要为重油、柴油等，其可燃成分主要 为CO和H2。
还原剂有时是燃料本身，如煤和焦炭；有时是燃 料燃烧产物，如CO和H2。
3 炉渣的物理化学性质
炉渣的物理化学性质直接关系到冶炼过程的顺利进行及 能耗和金属回收率等技术经济指标。
1)炉渣的电导
L=k ·S/l
导电度L与面积S成正比，与距离l成反比，比率系数k为
比电导(通常称为电导，单位为欧姆-1· 厘米-1)。
炉渣的导电机理包括两个方面，即炉渣内电子流动引起
的电子导电和离子迁移而引起的离子导电。
FeO、CaO和SiO2，其总含量可达80%以上。
组成炉渣的各种氧化物可分为三类：
碱性氧化物、酸性氧化物、两性氧化物
1)碱性氧化物：能供给氧离子的氧化物O2- ，如 CaO、FeO、MgO等。 CaO=Ca2+ ＋O２-
2)酸性氧化物：能吸收氧离子而形成配合阴离子的 氧化物，如SiO2。
SiO2＋2O2-=SiO44-
3)两性氧化物：在酸性氧化物过剩时可供给氧离子
而呈碱性，而在碱性氧化物过剩时则又会吸收氧离
子形成配合阴离子而呈酸性的氧化物，如 Al2O3、 ZnO、Fe2O3、PbO等 Al2O3＝2Al3+＋3O2Al2O3＋O2-=2AlO2-
表1-3 铜的合金种类
炉渣的酸性或碱性取决于其中占优势的氧化物是酸
2)造锍熔炼原理。利用MeS与含SiO2的炉渣不互溶 及密度差别的特性而使其分离。
冰铜（锍）：一般工业上对MeS的共熔体的称法。
主体为Cu2S，其余为FeS及其它MeS。
3)造锍熔炼理论基础。Fe与氧的亲和力大于Cu与氧 的亲和力，Fe优先被氧化，熔炼反应为：
2Cu 2 S O2 2Cu 2 O S 2
硫化铜矿的处理过程虽然比较复杂，但从硫化矿 物在高温下的化学反应来考虑，大致可归纳为三
种类型：
1)硫化矿氧化焙烧 2)造锍熔炼
2 MeS 3O2 2 MeO 2 SO2
MeS MeO MeO MeS
FeS中的铁对氧的亲和力比较大，能使铜以及其它 金属的氧化物发生硫化，形成硫化物的共熔体硫
度都是下降的。
3)炉渣的比重 炉渣的比重大小影响到金属铜或铜锍与炉渣的澄
清分离效果。
氧化物 SiO2 CaO FeO
比 重
0.5g/cm3
2.6
2.33Βιβλιοθήκη 5液体炉渣的比重比固态炉渣的比重约低0.4-
冶炼过程中耐火材料的腐蚀，金属铜或铜锍的汇 集，金属铜或铜锍与炉渣的分离以及多液体炉渣的
比重比固态炉渣的比重约低0.4-0.5g/cm3
4)炉渣的表面性质
冶炼过程中耐火材料的腐蚀，金属铜或铜锍的汇
集，金属铜或铜锍与炉渣的分离以及多相反应界面
上进行的反应等，皆受到炉渣和金属铜或铜锍表面 性质的影响。 对冶炼过程有直接意义的表面性质是炉渣与熔融 冰铜间的界面张力。