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1、冶金工程概論,教 學 目 的,掌握金屬冶煉的基本知識、原理與工藝實踐，了解我國冶金工業(yè)現狀及發(fā)展動態(tài),教學安排,總學時 32學時 課堂教學 30學時 機動 2學時 教材：張訓鵬主編. 冶金工程概論. 長沙：中南工業(yè)大學出版社 可閱讀的課外書籍與雜志 書籍：鋼冶金學 有色金屬熔池熔煉,教學安排,冶金工藝導論 重金屬冶金學 冶金原理 稀有金屬冶金學 輕金屬冶金學 雜志：有色金屬（冶煉） 濕法冶金 稀有金屬 輕金屬 鋼鐵(工藝),第一章 緒論,教學要求：了解金屬及其分類，建立冶金工程相關概念，了解我國冶金工業(yè)現狀與發(fā)展方向,第一章 緒論,冶金 是一門研究如何經濟地從礦石或精礦或其它原料中提取金屬或化

2、合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的科學 冶金學 研究金屬的制取、加工和改進金屬性能的各種技術及金屬成分、組織結構、性能和相關基礎理論 分為提取冶金和物理冶金兩門學科,第一章 緒論,提取冶金 從礦石或精礦中提取金屬（包括金屬化合物）的生產過程（又稱化學冶金、過程冶金學） 物理冶金 通過成型加工制備具有一定性能的金屬或合金材料，包括金屬學、粉末冶金、金屬鑄造、金屬壓力加工等,第一章 緒論,工程 將自然科學的理論應用到集體工農業(yè)生產部門中形成的各學科的總稱（高級漢語大詞典） 水利工程、化學工程、冶金工程,第一章 緒論,金屬及其分類 自然界已發(fā)現109種元素，金屬元素共93種，按提取冶

3、金分類可分為： 黑色金屬：Fe, Cr, Mn 有色金屬：其余的金屬元素 重金屬、輕金屬、稀有金屬、貴金屬 10種常用有色金屬,第一章 緒論,第一章 緒論,58-71 鑭系,90-103 錒系,稀有輕金屬 稀有高熔點金屬 稀土金屬 稀有分散性金屬 稀有放射性金屬,第一章 緒論,金屬在地殼中的賦存狀態(tài) 金 屬：Au、Cu 化合物： 輕金屬、稀有金屬：氧化礦 重金屬：硫化礦、氧化礦 過渡族元素：既有氧化物又有硫化物,第一章 緒論,冶金方法 火法冶金：高溫無水相參與的過程 濕法冶金：低溫有水相參與的過程 電 冶 金：利用電能提取和精煉金屬的方法 冶金工藝流程和冶金過程 冶 金 工藝流 程：提取金屬的

4、過程和方法 冶煉工藝流程圖：各過程間的聯系及其所獲得產 品間的流動線路圖,冶煉工藝流程圖,第一章 緒論,冶金（單元）過程： 即一個冶煉階段 焙燒 煅燒 燒結 熔煉 火法精煉 浸出 凈化 電解,第一章 緒論,冶金工業(yè)現狀及發(fā)展方向 現狀 發(fā)展方向 強化過程 節(jié)能 低污染或無污染 產品多樣化、精細化（高附加值）,第一章 緒論,冶金工業(yè)在國民經濟中的地位和作用 P7-8 屬原材料產業(yè) 國民經濟的基礎產業(yè) 現代社會的三大支柱之一,第二章 礦石與選礦,教學要求 了解礦石與選礦的基本概念，選礦工藝各方法的原理與應用,第二章 礦石與選礦,礦石 礦床：具有一定規(guī)模的礦石天然集合體 礦石：提取金屬或生產其他產品

5、的礦物集合體 有用礦石：能夠為人類利用的礦石 脈石：不含有用礦物或含量過少，不宜以工業(yè)規(guī)模進行加工的礦石 品位：礦石中有用成分的含量 礦物：具有一定化學成分及物理屬性的天然元素和化合物 P11-12表2-3 冶金工業(yè)常見金屬礦物,第二章 礦石與選礦,選礦 選礦 以廉價的處理費用，既不改變原礦的組成，又能使其高品位化 原礦：直接開采出來的礦石 精礦：經選礦使有用礦物進一步富集后的產品 尾礦：經選礦獲得的主要為脈石或有害雜質的產品 P13 表2-4,第二章 礦石與選礦,破碎與篩分： 使有用礦物單體解離，使之適合礦石選別處理對粒度的要求 常用方法： P15 圖2-2 破碎設備： P15 圖2-3 破

6、碎作業(yè)： P15 表2-5 破碎指標： P16 破碎機的生產能力 破碎比 篩分效率： P16目：,第二章 礦石與選礦,選礦工藝： 重選法：原理 P16 浮選法：原理 P16 正浮選/反浮選 浮選藥劑 P16 浮選作業(yè) P18 粗選：粗精礦、粗尾礦 精選：精礦、中礦 掃選：中礦、尾礦 磁選法： 原理 P19,第三章 煉 鐵,教學要求： 了解高爐煉鐵原料與設備，掌握高爐煉鐵原理與工藝過程,第三章 煉 鐵,鐵的性質及鐵冶煉發(fā)展史 性質：銀白色 密度 7.866g/cm3 熔點 1535 良好的導熱、導電和導磁性 豐度：5%，僅次于氧、硅、鋁 賦存狀態(tài)： 鐵冶煉發(fā)展史：,第三章 煉 鐵,煉鐵原料與造塊

7、 煉鐵原料 鐵礦石：磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等 P22 表3-1 我國鐵礦資源特點P22 ： 貧礦多、復合礦多 質量要求 P22 礦石品位要高 酸性脈石要低（SiO2、Al2O3） 有害雜質(S、P)要少 其他含鐵原料：高爐煙塵 轉爐煙塵 軋鋼皮 硫酸渣,第三章 煉 鐵,熔劑：CaO、 MgO或硅石 熔劑的作用 P23 質量要求 焦碳：燃料和還原劑 焦碳作用 質量要求,第三章 煉 鐵,鐵礦粉造塊 （人造富礦或熟料） 燒結法將礦粉、熔劑、燃料按一定比例混合，在1300一1500條件下，礦粉局部熔化造渣，燒結成具有一定強度、一定粒度、化學成分穩(wěn)定的高爐料。 團礦法是不適宜燒結的細磨精礦粉和其

8、它含鐵粉料造塊的方法。將細磨精礦粉、熔劑、燃料（12%，有時不加)等原料經配料混合，在造球機上滾成1015 mm的生球,生球在高溫焙燒機上進行高溫焙燒，焙燒好的球團經冷卻、破碎、篩分得到成品球團礦。,第三章 煉 鐵,燒結設備：帶式燒結機 結構 P24圖3-1 燒結過程 P25圖3-2,點火爐,臺車行進方向,第三章 煉 鐵,燒結礦分類： 酸性燒結礦 堿度1 自熔性燒結礦 堿度 1.0-1.5 熔劑性燒結礦 堿度 2.0-2.4 堿度：（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）,第三章 煉 鐵,燒結礦與球團礦的比較： (1) 細精礦粉(-325目占80)適宜造球，球團礦有利于貧礦資源利用（可對礦

9、石細磨精選）。 (2) 燒結礦對原料的適應性強，粗粒不適于造球的礦粉，鋼廠氧化鐵粉、爐塵、其它含鐵物料仍需燒結處理。 (3) 球團冶金性能好（強度高、微氣孔多、粒度均勻鐵分高、還原性好），特別是小高爐，對降低焦比，提高產量十分顯著。但在大高爐上高溫還原膨脹粉化，使爐料透氣性變壞，影響順行。且球團堿度低，高爐若用100球團冶煉，勢必增大石灰石加入量。故此，高爐常使用燒結與球團混合爐料，特別是熔劑性燒結礦和酸性球團配合使用時能收到較為理想的冶煉效果。,第三章 煉 鐵,鐵冶煉過程原理 高爐冶煉過程 P26 原料 產物 物料走向 高爐爐內分區(qū)及其特征,第三章 煉 鐵,碳的燃燒反應 化學反應 （1）C焦

10、+ O2 = CO2 + 400928 kJ 不可逆反應 （2）2C焦+ O2 = 2CO+235130 kJ不可逆反應 （3）C焦+ CO2 = 2CO-165797 kJ 可逆反應 平衡氣相成分與溫度的關系 反應（3）的特點及在高爐冶煉過程中的作用,圖2-2 風口徑向煤氣成分的變化,第三章 煉 鐵,鐵氧化物的還原 氧化物的穩(wěn)定性 金屬氧化物穩(wěn)定性判據 氧化物標準生成自由能 氧化物的分解壓 P28圖36,第三章 煉 鐵,結論: P28 (1)各種氧化物分解壓隨溫度升高而增大，只有CO除外； (2)圖中位置越低的氧化物，分解壓愈小，氧化物愈穩(wěn)定； (3)位置低的元素可還原位置高的氧化物； (4

11、)在一定溫度條件下，幾乎所有的氧化物都可被C還原。,第三章 煉 鐵,鐵氧化物的離解 P29 圖37 T570 Fe2O3Fe3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4Fe 間接還原：用CO還原 直接還原：用C還原,第三章 煉 鐵,高爐內非鐵氧化物的行為 P29 (1) P2O5 （全部進入生鐵） (2) MnO （2/3進入生鐵） (3) SiO2 （少量進入生鐵） (4) CaO、MgO、Al2O3,第三章 煉 鐵,高爐煉鐵工藝與實踐 高爐煉鐵法簡介 近代鋼鐵制造工序,第三章 煉 鐵,高爐煉鐵過程 高爐煉鐵的優(yōu)缺點 熱效率高、生產率高、原料適應

12、性強、爐子壽命長（15-20年）；但鐵水成分及溫度難以準確控制 高爐設備 高爐本體 高爐附屬系統(tǒng) P38,高爐內各部位主要反應,還原 滲碳 造渣 脫硫,第三章 煉 鐵,滲碳過程 P33 滲碳反應 2Fe +2CO = Fe3C + CO2 3Fe + C = Fe3C 主要反應 滲碳作用,第三章 煉 鐵,造渣過程 爐渣作用 (1)具有適當的熔化溫度，以保證爐缸溫度適當 (2)具有良好的流動性，以利渣鐵分離 (3)具有足夠的脫硫能力，以降低生鐵含硫量 (4)具有調整生鐵成分，保證生鐵質量的作用 (5)性能穩(wěn)定，有利于保護爐襯 爐渣組成 爐渣是各種氧化物的熔合體 CaO-SiO2-Al2O3-(M

13、gO)系,第三章 煉 鐵,爐渣性質 酸堿性 氧化物分類 P34 爐渣堿度：爐渣中堿性氧化物含量/酸性氧化物含量 CaO/SiO2 1 堿性渣 CaO/SiO2 1 酸性渣 CaO/SiO2 0.9 - 1.2 我國煉鐵高爐渣 熔化溫度與熔化性溫度 爐渣完全轉變?yōu)榫灰后w時之溫度 熔化溫度及其影響因素,第三章 煉 鐵,熔化性溫度 爐渣從不能流動轉變?yōu)樽杂闪鲃訒r的溫度，即粘度曲線與45切線的切點溫度 (圖中A點對應溫度),第三章 煉 鐵,粘度 P35 流體流動時相互作用產生的內摩擦力的體現 單位 Pas 影響因素 溫度 組成,常見液體的粘度,液 體 溫 度/K 粘度/Pas 液 體 溫 度/K 粘

14、度/Pas 水 298 0.00089 汞 273 0.0017 蓖麻油 298 0.8 流動好的渣 3.0 鋼液 1868 0.0025,第三章 煉 鐵,脫硫過程 高爐內生鐵脫硫主要通過爐渣去除 爐渣脫硫反應 FeS十(CaO)十C(CaS)十Fe十CO 141055kJ 提高爐渣脫硫能力措施 (1)提高爐渣堿度 (2)提高溫度 (3)還原性爐渣,爐外脫硫,第三章 煉 鐵,高爐生產的主要技術經濟指標 P39-40 高爐有效容積利用系數 平均水平 1.5-2.0 t/m3d 先進水平 3.0 t/m3d 焦比 生產1t生鐵所消耗的焦炭量 一般水平 400-600 kg/tFe 先進水平 400

15、 kg/tFe,第三章 煉 鐵,冶煉強度 每晝夜高爐燃燒的焦炭量與高爐容積的比值 生鐵合格率 生鐵分為煉鋼鐵和鑄造鐵 爐齡 高爐從點火開始到停爐大修為止的時間 一般10年 高者可達1520年,第三章 煉 鐵,高爐煉鐵技術的發(fā)展 P40-41 (1)高爐大型化 (2)精料 (3)高壓操作 (4)高風溫 (5)富氧鼓風 (6)噴吹燃料 (7)脫濕鼓風 (8)爐頂煤氣余壓發(fā)電 (9)高爐操作自動化,第四章 煉 鋼,教學要求：了解煉鋼原料與設備，掌握煉鋼原理與各種煉鋼工藝特點,第四章 煉 鋼,概述 鋼鐵分類及其性能 工業(yè)純鐵： C2.11% (2%) 鋼: 0.02%C2.11%(2%) 鋼的分類 P

16、44表4-1,第四章 煉 鋼,C、Si、Mn、P、S在鑄鐵和鋼中的含量 鑄鐵 鋼 C 2.5%-4.5% 0.03%-1.2% Si 0.5%-2.0% 0.01%-0.3% Mn 0.5%-2.0% 0.3%-0.8% P 0.02%-0.5% 0.01%-0.05% S 0.01%-0.1% 0.01%-0.05%,第四章 煉 鋼,煉鋼過程原理 煉鋼的基本任務 通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質，加入適量的合金元素，獲得具有高的強度、韌性或其它特殊性能的鋼 “四脫”：脫C、P、S、O “二去”：除氣體、非金屬雜質 一升溫： 一合金化：,第四章 煉 鋼,煉鋼爐 1823-1923K,熱源,

17、氧化劑,鋼水 鋼渣,鐵水 生鐵 廢鋼,造渣劑,煉鋼過程示意圖,氧化精煉,第四章 煉 鋼,煉鋼原料 金屬料 鐵水(或生鐵塊) 是氧氣頂吹轉爐煉鋼的基本原料，占金屬料的70100 廢鋼 是電弧爐煉鋼的基本原料，占鋼鐵料的7090，對氧氣轉爐來說，則既是金屬料，又是冷卻劑,第四章 煉 鋼,鐵合金 作為脫氧和合金化元素，如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及復合脫氧劑，如硅錳合金、硅鈣合金硅錳鋁合金；還有鋁、錳、鎳、鈷等金屬 輔助材料 造渣材料 石灰(CaO) 螢石(CaF2) 白云石,第四章 煉 鋼,氧化劑 氧氣、鐵礦石、氧化鐵皮 冷卻劑 廢鋼、富鐵礦、團礦、燒結礦、氧化鐵皮 還原劑和增碳劑 電

18、爐煉鋼使用的還原劑和增碳劑有石墨電極木炭、焦炭、電石、硅鐵、硅鈣、鋁等。氧氣轉爐冶煉高碳鋼時，一般用含灰分很少的石油焦作增碳劑,第四章 煉 鋼,煉鋼爐渣 爐渣來源 (1)廢鋼帶入的泥沙和鐵銹等 (2)加入的各種造渣材料 (3)煉鋼過程中化學反應的產物 爐渣組成 煉鋼爐渣的基本體系是CaO-SiO2-FeO系,高爐煉鐵爐渣 3545 3545 0.30.9 0.31.5 - 68 814 0.91.3,第四章 煉 鋼,爐渣作用 爐渣是煉鋼過程中的必然產物，直接參與煉鋼過程的物理化學反應和傳熱、傳質過程 (1)控制金屬中各元素的氧化和還原過程 (2)向鋼中輸送氧以氧化各種雜質 (3)吸收鋼液中的非

19、金屬夾雜物 (4)對鋼液有保護作用,第四章 煉 鋼,爐渣性質 (1) 爐渣堿度 R %CaO/%SiO2 爐料中含P較低 R %CaO/(%P2O5+%SiO2 ) 爐料中含P較高 (2) 爐渣氧化性（爐渣向金屬熔體傳遞氧的能力） P47 全氧法： FeOFeO十1.35Fe203 全鐵法：FeOFeO十0.9Fe203,第四章 煉 鋼,煉鋼過程反應 煉鋼熔池中氧的來源及鐵液中元素的氧化方式 熔池中氧的來源 P48 氧在鋼液中存在的形式 鋼液中元素的氧化方式 直接氧化 間接氧化（通過氧化物傳遞）,第四章 煉 鋼,煉鋼熔池中元素的氧化次序 純氧化物的分解壓 P48 煉鋼實際熔池中元素氧化順序,第

20、四章 煉 鋼,脫碳反應 脫碳反應的作用 攪動熔池 有利于鋼液中氣體及非金屬夾雜物脫除 有利于鋼液溫度和化學成分均勻 有利于冶金物化反應的進行,第四章 煉 鋼,脫碳反應方式 氧氣直接和鋼液接觸： O2 + C = CO 氧經過爐渣傳送到鋼液： (FeO) = Fe + O C + O = CO 煉鋼熔池中C和O濃度的關系 C高則O低，C低則O高 脫碳反應的速度（氧濃、攪拌）,第四章 煉 鋼,硅、錳的氧化反應 硅的氧化反應 2(FeO) +Si(SiO2) +2Fe +341224kJ (SiO2) +2(FeO)(2FeOSiO2) (2FeOSiO2) +2(CaO)(2CaOSiO2) +2

21、(FeO) 2O+Si(SiO2)+817448kJ,第四章 煉 鋼,錳的氧化反應 Mn+(FeO)(MnO)+Fe+123511kJ Mn+O=(MnO)+361623kJ (Fe、Mn)2SiO4+2CaO(Ca2SiO4)+2(FeOMnO),第四章 煉 鋼,脫磷反應 磷對鋼性能的影響 降低鋼的塑性、韌性，低溫時更為嚴重，常 稱為“冷脆性” 脫磷的基本反應 2P十5(FeO)(P2O5)十5Fe (P2O5)十3(FeO)=(3FeOP2O5) (3FeOP2O5)十3(CaO)(3CaOP2O5)十3(FeO) 或 (3FeOP2O5)十4(CaO)(4CaOP2O5)十3(FeO),

22、第四章 煉 鋼,脫硫反應 硫對鋼性能的影響 硫在鐵液中以FeS形式存在，當鋼在熱加 工時，富集于晶界的低熔點硫化物將使晶界成 脆性或熔融狀態(tài)，使軋制或鍛造時出現斷裂， 即“熱脆” 脫硫反應及其影響因素 煉鋼過程中，主要通過爐渣來脫硫,第四章 煉 鋼,FeS = (FeS) （FeS）(CaO)(FeO)(CaS) 脫硫總反應式 FeS十(CaO)(FeO)十(CaS) 爐渣的脫硫能力 以爐渣和金屬中含硫量之比 LS=(%S)/%S表示 LS 脫硫指數或硫的分配系數,第四章 煉 鋼,影響爐渣脫硫的因素 爐渣堿度高 ，渣中氧化鐵(FeO)含量低，溫度高，渣量大，爐渣流動性好，則有利于脫硫,第四章

23、煉 鋼,鋼的脫氧 氧對鋼質量的影響 P52 造成鋼的“熱脆”并使鋼錠內部產生氣泡 按照脫氧程度的不同，鋼可分為：鎮(zhèn)靜鋼即完全脫氧鋼；沸騰鋼即不完全脫氧鋼；半鎮(zhèn)靜鋼，其脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。,第四章 煉 鋼,脫氧方法 P53 沉淀脫氧 擴散脫氧 真空脫氧 脫氧劑 錳鐵、硅鐵、鋁 加入順序：先加錳鐵再加硅鐵最后加鋁,上 節(jié) 回 顧,高爐冶煉爐內反應 煉鋼的基本任務 煉鋼過程的基本反應,第四章 煉 鋼,鋼中氣體和非金屬夾雜物的脫除 鋼中氣體 P53-54 鋼中氣體包括氫、氮和氧 對鋼質量的影響 H：“氫脆” 、“白點” N：引起碳鋼的淬火時效和變形時效 措施 鋼液去氣（脫碳過程隨CO氣泡排

24、出） 爐外去氣,第四章 煉 鋼,鋼中非金屬夾雜物 P54 存在形式 對鋼質量的影響 影響鋼的機械、加工、切削、疲勞性能 減少鋼中非金屬夾雜物的主要途徑,第四章 煉 鋼,氧氣轉爐煉鋼 轉爐煉鋼法的種類,第四章 煉 鋼,氧氣頂吹轉爐煉鋼 氧氣頂吹轉爐于1952年和1953年在奧地利的林茨(Linz)城和多納維茨(Donawitz)城先后建成并投入生產，故又稱為LD法。 設備,第四章 煉 鋼,工藝特點 對原材料適應性強、生產率高、成本低、可煉品種多鋼質量好、投資省；建廠速度快，是現代主要煉鋼方法之一,第四章 煉 鋼,煉鋼工藝過程 P58 包括裝料、吹煉、脫氧出鋼、倒渣等過程,第四章 煉 鋼,電弧爐煉

25、鋼 利用石墨電極端部和爐料之間放電產生的電弧熱，借助輻射和電弧的直接加熱熔化金屬和爐渣，冶煉出各種成分的鋼及合金的一種煉鋼方法，是目前國內外生產特殊鋼的主要方法，通常指堿性電弧爐煉鋼 設備,第四章 煉 鋼,電弧爐煉鋼特點,優(yōu) 點 冶金過程靈活 熱損失少 溫度易控制 基建投資省 能耗低 操作靈活,缺 點 氫、氧含量較轉爐鋼高 爐內溫度分布不均勻,第四章 煉 鋼,電弧爐熔煉工藝 P60 氧化精煉：脫碳脫磷 還原精煉：脫氧脫硫 平爐煉鋼 P61 各種煉鋼方法的比較 P63,第五章 銅冶金,教學要求：了解煉銅原料與設備，掌握銅熔煉、吹煉及精煉過程原理及工藝實踐與發(fā)展趨勢,第五章 銅冶金,銅的性質與用途

26、 P65 性質：紫紅色 密度 8.89g/cm3 熔點 1083 優(yōu)良的導熱、導電性 良好的延展性 與其它金屬互溶性好,第五章 銅冶金,豐度： 7.010-3% 賦存狀態(tài)：硫化礦、氧化礦、自然銅 用途：電氣工業(yè)、建筑、運輸、通用工程等,第五章 銅冶金,煉銅原料與方法 煉銅原料 資源狀況 P68 表5-1 銅的礦物 P68 表5-2 銅精礦 P69 表5-3 世界原生銅產量的90%來自硫化礦。典型的硫化銅礦含銅由0.2%(露天開采)到0.5-1%(坑下開采)。銅礦石經浮選富集產出含銅較高（15%-30%）的精礦，作為冶煉原料。,第五章 銅冶金,氧化礦石很難用選礦方法加以富集，一般直接送冶煉廠處理

27、。 硫化精礦特點 粒度很小，比表面積很大，具有很大的化學反應能量，與氧發(fā)生氧化反應迅速，同時可以放出大量的熱能,第五章 銅冶金,冶煉方法 目前世界上原生銅產量中80-85%用火法冶金方法生產，約15-20%用濕法生產。濕法煉銅通常用于處理氧化礦、低品位廢礦和復雜難選礦。火法煉銅用于處理各種銅精礦，硫化礦主要用火法冶金處理 火法煉銅原則工藝流程見 P70圖5-4。,火法煉銅原則工藝流程,第五章 銅冶金,傳統(tǒng)熔煉 鼓風爐、反射爐、電爐熔煉 不足 (1)不能充分利用硫化物爐料氧化產生的反應熱作為能量，礦物燃料量或電能消耗大（能耗高）; (2)產出低濃度SO2煙氣，不能經濟地生產硫酸，對環(huán)境造成嚴重污

28、染； (3)設備生產能力低。,第五章 銅冶金,強化熔煉 分為閃速熔煉和熔池熔煉 火法煉銅發(fā)展趨勢 自熱熔煉 連續(xù)吹煉,第五章 銅冶金,火法煉銅工藝特點,優(yōu) 點 耗費較少的能量從銅硫化礦物一直煉到金屬銅，銅的生產效率高,缺 點 SO2煙氣對環(huán)境的污染,第五章 銅冶金,濕法煉銅 工藝流程 P71圖5-5 不足：不宜處理高品位礦 不利貴金屬的回收 浸出方法：就地浸出、堆浸、攪拌浸出細菌浸出（生物浸礦）,氧化銅礦濕法煉銅原則流程,第五章 銅冶金,造锍熔煉基本原理 造锍熔煉的物料及產物 造锍熔煉的目的 (1) 將爐料中全部銅分離入冰銅相 (2) 使富銅的冰銅與爐渣分開,第五章 銅冶金,造锍熔煉的物料 (

29、1) 硫化銅精礦，或部分氧化脫硫的焙砂、高品位氧化礦； (2) 造渣熔劑：SiO2、CaO等； (3) 轉爐渣： SiO2（22-28%）、FeO + Fe2O3 (60-70%)、Cu(1.5- 2.5%) (4) 煙塵：煙氣夾帶的細粒物料以及揮發(fā)元素及其化合物,第五章 銅冶金,熔煉過程主要產物 (1)Cu2S- FeS冰銅/銅锍(30%-70% Cu） (2)熔煉爐渣 (3)煙氣 典型工業(yè)冰銅、爐渣成分見P73表5-4、 P75表5-6,第五章 銅冶金,锍的形成及其特性 造锍熔煉過程中的物理化學變化 高價硫化物熱離解 P72 結論： 熔煉高溫下穩(wěn)定的銅化合物是Cu2S和Cu2O，穩(wěn)定的鐵化

30、合物是FeS和FeO 所有離解反應都是吸熱反應,第五章 銅冶金,锍的形成 锍的形成基于兩點： (1)FeS能與許多金屬硫化物形成低熔點共熔體 P67 圖5-2 (2)不同金屬對S和O的親和力的差別 P66 圖5-1、圖5-3 Cu2O + FeS = Cu2S + FeO k1523=109.86,Cu2S-FeS二元系,FeS-MS二元系的液相線,第五章 銅冶金,冰銅的物理性質 冰銅最重要的性質是密度大（4.4g/cm3）、粘度?。?0cP） 造锍熔煉爐渣及其特性 爐渣是各種氧化物的熔合體 爐渣來源 爐料中的脈石、加入的熔劑、燃料中的灰份等 爐渣組成 P75 表5-6,第五章 銅冶金,爐渣性

31、質 冶煉過程對爐渣的要求 與冰銅互不相混溶 對Cu2S的溶解度低 適當的流動性 銅爐渣的重要特點 粘度高 P74 表5-5,第五章 銅冶金,造锍熔煉爐渣中銅的損失與渣貧化 爐渣中銅的損失 火法煉銅生產過程的銅損失分為兩方面，一是隨煙氣帶走的銅，二是隨渣損失的銅。隨渣損失的銅是主要的。,第五章 銅冶金,爐渣的貧化 (1)磨浮法 爐渣緩慢冷卻磨細浮選渣精礦 (2)電爐貧化,第五章 銅冶金,造锍熔煉生產實踐 20世紀30年代：鼓風爐 20世紀30年代以后：反射爐取代鼓風爐 20世紀70年代至今：閃速熔煉、連續(xù)煉銅,熔煉方法簡介,第五章 銅冶金,熔池熔煉 爐料在液態(tài)熔池（熔渣、熔锍）中迅速完成氣-液-

32、固相間主要反應的熔煉方法。 反射爐熔煉冰銅 反射爐熔煉過程：間斷加料，連續(xù)熔煉，間斷放冰銅和爐渣 傳熱方法：輻射和對流，輻射起主導作用 反射爐的結構： P78 圖5-7,第五章 銅冶金,第五章 銅冶金,反射爐熔煉優(yōu)缺點,優(yōu) 點 對原料適應性強，爐子 結構簡單，對耐火材料 要求不高對自控水平、 操作水平要求較低渣含 銅低，不需處理可直接 棄去,缺 點 煙氣SO2濃度低(0.5-2%)，難于回收利用，環(huán)境污染嚴重；熱效率低，能耗高；冰銅品位低，吹煉負荷大；生產率低,發(fā)展趨勢：改良 新技術取代,第五章 銅冶金,Noranda法造锍熔煉 1973年在加拿大投入生產，用于生產高品位冰銅。 P86 圖5-

33、14 設備簡圖 作業(yè)過程： P86,爐子結構,第五章 銅冶金,閃速熔煉 該法充分利用了浮選銅精礦高速反應的特點，有Outokumpu閃速熔煉和Inco閃速熔煉兩種類型。 1949年投入工業(yè)應用，是目前世界上應用最廣、技術最成熟的先進煉銅/鎳方法。我國有7座（貴溪、銅陵金隆、金川，山東陽谷）Outokumpu閃速爐。,爐子結構,金川公司閃速爐結構,第五章 銅冶金,生產過程與過程控制 爐料（細粒，水分小于0.3%)及空氣（富氧或預熱）由噴嘴噴入反應塔，塔內溫度1673K，爐料細粒在13秒內完成熔煉的物理化學變化，落入熔池沉清分離。冰銅和爐渣定期從爐內排出，冰銅送轉爐吹煉，爐渣含銅1-2%，需進一步

34、處理回收銅。除放冰銅和放渣外，整個過程由計算機自動控制。 煙塵率較反射爐、電爐及熔池熔煉高，為爐料量的10%左右,第五章 銅冶金,冰銅品位控制 衡定加料量，調節(jié)風量，實質控制料/O2 渣成分控制 控制Fe/SiO2為1.1-1.2;通過調節(jié)熔劑量控制 溫度控制 通過調節(jié)燃油量控制渣溫在1500K50K 冰銅溫度大約比渣溫低50K,第五章 銅冶金,熱平衡 可實現自熱熔煉 措施：(1)提高冰銅品位 (2)富氧 (3)提高熱風溫度,第五章 銅冶金,Outokumpu閃速熔煉的特點及發(fā)展 節(jié)能降耗 Outokumpu閃速熔煉的燃料消耗只有反射爐熔煉的1/2-1/3，越來越多的冶煉廠閃速爐實現了自熱熔煉

35、 技術發(fā)展趨勢 高干礦裝入量、高銅锍品位、高熱負荷和高富氧濃度，即四高熔煉技術（高投料量、高富氧濃度、高冰銅品位、高熱強度）,第五章 銅冶金,冰銅吹煉 吹煉目的 除去锍中的Fe、S及其它雜質，產出粗銅(98.5 99.5%Cu) 銅锍吹煉反應 銅锍吹煉分兩個周期：,第五章 銅冶金,造渣期： FeS+O2 = FeO+SO2 6FeO+O2 = 2Fe3O4 2FeO+SiO2 = 2FeO SiO2 吹煉渣FeO-Fe2O3-SiO2, 造渣期結束后倒出 造銅期： Cu2S+1.5 O2 = Cu2O+ SO2 Cu2S+2 Cu2O = 6Cu+SO2 或 Cu2S + O2 = 2Cu+

36、SO2,第五章 銅冶金,吹煉設備 P89 圖5-16 臥式轉爐結構示意圖,第五章 銅冶金,生產過程 間段周期性作業(yè)：加入冰銅吹風加入熔劑（SiO2）加入冷料（根據爐溫而定） 放渣。反復進行至爐子裝入與容量相適應的白冰銅，轉入造銅期。 由于造渣期和造銅期在反應放熱量及產出SO2量的不同，造渣期熱量有過剩，煙氣濃度低，造銅期熱量稍不足，而煙氣濃度高一些。,第五章 銅冶金,PS轉爐吹煉工藝缺點 (1)間歇操作，作業(yè)率低； (2)爐口密封不嚴，煙氣處理量大，制酸成本高 (3)設備投資和操作費用高； (4)風口區(qū)耐火材料損耗大； (5)富氧率受限制； (6)轉爐進出料時，操作環(huán)境差； (7)間歇式作業(yè)引

37、起煙氣量不穩(wěn)定，不利制酸。,第五章 銅冶金,吹煉工藝的發(fā)展 現代熔煉技術對吹煉的要求： (1)提高吹煉富氧濃度； (2)能處理高品位銅锍； (3)產出的煙氣連續(xù)、穩(wěn)定，SO2濃度高; (4)逸散煙氣少。,第五章 銅冶金,虹吸式轉爐 頂吹轉爐 有兩種爐型： 爐身固定-奧斯爐 ，富氧40% 50%，加入冷料 爐身轉動-卡爾多爐，純氧，爐溫可達1923K，加熱料也可加冷料,第五章 銅冶金,閃速吹煉 工藝過程 (1)在閃速熔煉爐中產出含銅量高于60%的液態(tài)冰銅 (2)將液態(tài)冰銅水淬并磨細，達到適合閃速吹煉進料的粒度（100-150m） (3)將粒度很細的冰銅進行干燥 (4)細粒冰銅在第二臺閃速爐中吹煉

38、成液態(tài)粗銅,第五章 銅冶金,工藝特點 處理水淬高品位銅锍(68% 70% Cu)，采用純氧或高富氧空氣（70% O2），煙氣含SO2高達43.6%，硫回收率達到99.9%，基建投資較轉爐減少35%，生產費用減少10%20%，設備生產能力大，工藝流程 有很大的靈活性。 閃速吹煉工藝從技術上解決了硫的泄露問題,上節(jié)回顧,造锍熔煉原理 造锍熔煉實踐 熔池熔煉 閃速熔煉 爐渣貧化 冰銅吹煉原理 冰銅吹煉實踐,第五章 銅冶金,三菱法熔煉-連續(xù)吹煉煉銅法 頂吹熔池熔煉 1974年在日本投入生產。相繼在加拿大,韓國,印度尼西亞和澳大利亞得到應用 P90 圖5-19 設備示意圖 由相對獨立的熔煉爐（S爐）、爐

39、渣貧化爐（CL爐）、吹煉爐（C爐）組成，三臺爐子之間用溜槽連接，各爐工藝參數可單獨控制，易于保持最優(yōu)的熔煉狀態(tài),爐子結構,第五章 銅冶金,熔煉爐：采用40%50%富氧、銅锍品位65 %煙氣含SO212%、可制酸、熱源主要來自反應熱； 爐渣貧化爐：維持低氧勢、靠電熱維持作業(yè)溫度、棄渣含0.6%Cu； 吹煉爐：維持爐內最高氧勢、采用富氧空氣，煙氣可制酸,粗銅含硫0.05%，含銅98.5%，造Cu2O-Fe2O3-CaO系爐渣，避免Fe3O4的危害。,第五章 銅冶金,生產過程及其特點 (1)用噴槍將爐料和富氧空氣噴射進熔池，熔池內主要為冰銅，上面覆蓋有一薄層爐渣，空氣富氧濃度4050%，噴射出口速度

40、150300m/s, 熔煉反應主要在冰銅層發(fā)生，熔煉強度高。 (2)熔煉爐渣采用電爐貧化后(在電爐中停留時間1小時)，渣含銅降至0.6%,可直接水淬堆存。,第五章 銅冶金,(3)連續(xù)吹煉，采用CaOCu2OFe3O4渣系，渣中CaO15%, Cu 1520%,其余為Fe3O4，熔點1160，對Fe3O4溶解度大，流動性好，吹煉渣水淬干燥后返熔煉配料。由于冰銅品位高，渣量少，循環(huán)的銅量僅為爐料含銅量的6%。,第五章 銅冶金,粗銅精煉 銅的火法精煉 目的 (1)進一步降低粗銅中S、O含量，避免鑄陽極時SO2析出，導致陽極不平等缺陷 常規(guī)吹煉粗銅：S 0.05%, O 0.5% 陽極銅： S 0.0

41、3%, O 0.05% (2)將其他雜質含量進一步降低,第五章 銅冶金,方法及原理 氧化 在11500C12000C下，將空氣鼓入粗銅液中，發(fā)生如下反應： 2Cu + 1/2 O2 = Cu2O Cu2O溶解在銅液中，進一步發(fā)生如下反應： Cu2O + M =2Cu + MO 式中：M:雜質金屬 MO:往往不溶解在銅液中而形成渣相,第五章 銅冶金,雜質除去的難易程度（由難至易） AsSbBiPbCdSnNiInCoZnFe,第五章 銅冶金,還原 氧化精煉后，銅中O= 0.61%,采用碳質還原劑還原除氧。 還原劑：木炭或焦粉、重油、天然氣、甲烷或液氨 還原后銅熔體中 O= 0.1% H= 2 1

42、0-5 在此情況下澆鑄，可得平整陽極。,第五章 銅冶金,火精煉設備 兩種類型： 反射爐 回轉式精煉爐（回轉陽極爐）,第五章 銅冶金,銅的電解精煉 銅中少量雜質的存在會降低其電導率，因此粗銅火法精煉后還必須進行電解精煉,進一步除去其中的雜質，使銅的純度達到99.95%（P96表11-5）以上。同時，在電解精煉過程中進一步富集貴金屬。 銅電解精煉電極過程,第五章 銅冶金,陽極上可能發(fā)生的反應： Cu2e=Cu2+ =+0.34V H2O2e=1/2O22H+ =+ 1.23V Cue=Cu+ =+ 0.51V Cu+e=Cu2+ =+ 0.17V Me ne=Men+,第五章 銅冶金,陰極上可能發(fā)

43、生反應： Cu2+十2e Cu =+ 0.34V 2H+2e = H2 =0V Men+ne = Me,第五章 銅冶金,Cu+的形成及其影響 Cu+的形成反應如下： 在陽極上： Cu-e=Cu+ Cu+/Cu=0.51V Cu+- e=Cu2+ Cu2+/Cu+=0.17V 銅的歧化反應： 2 Cu+= Cu2+ + Cu K=CCu2+/C 2Cu+ Cu+的存在一方面會增大Cu2+ 的濃度，另一方面形成銅粉進入陽極泥，降低了貴金屬品位，不利陽極泥的進一步處理。,第五章 銅冶金,雜質行為及分離雜質原理 雜質總量約為：0.3-0.8% ,分別為O, S, Au, Ag, Pt, Se, Te,

44、 As, Sb, Bi, Ni, Fe, Zn, Pb, Co等，分為四類： 第一類：正電性金屬或化合物，不溶解，進入陽極泥。如O, S, Au, Ag, Pt， Se, Te。 第二類：負電性金屬，發(fā)生電溶解，進而以硫酸鹽沉淀。如Pb, Sn。,第五章 銅冶金,第三類：負電性金屬，溶解進入溶液。如Ni, Zn, Fe等。 第四類：電位與銅相近的元素,如As, Sb, Bi。既有可能在陰極析出，又能形成“漂浮陽極泥”，即As, Sb, Bi溶解在電解液中，達到過飽和，以SbAsO4, BiAsO4等沉淀，這類沉淀為絮狀物，會粘在陰極，影響其化學成分和外觀質量。 當Cu2+10g/l， H+ 、

45、 As、Bi、Sb將與Cu2+共同放電析出,第五章 銅冶金,銅電解精煉生產實踐 陽極：陽極銅 陰極：始極銅片（生產槽） 不銹鋼或鈦板（種板槽或ISA法） 電解液：Cu 40-60g/L H2SO4 180-200g/L 電解槽結構及導電方式： 鋼筋混凝土槽體，內襯鉛板、軟聚氯乙烯 板、玻璃鋼等材料。 導電方式為槽內并連，槽間串聯。,典型鋼筋混凝土電解槽結構 1.進液管 2.陽極 3.陰極 4.出液管 5.放液管 6.放陽極泥管,第五章 銅冶金,電解液循環(huán)方式,第五章 銅冶金,電解過程技術經濟指標 電流密度 200-240A/m2 槽電壓 0.20-0.25V 電流效率 =G/qIN 100% q=1.186g/Ah 一般為95%左右 影響電流效率的因素,第五章 銅冶金,電能消耗 W=U 103/q kWh/tCu 一般為230-280 kWh/tCu 銅電解生產流程 銅電解精煉生產數據,