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1、冶金工程概論,教 學(xué) 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(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài),教學(xué)安排,總學(xué)時 32學(xué)時 課堂教學(xué) 30學(xué)時 機動 2學(xué)時 教材：張訓(xùn)鵬主編. 冶金工程概論. 長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社 可閱讀的課外書籍與雜志 書籍：鋼冶金學(xué) 有色金屬熔池熔煉,教學(xué)安排,冶金工藝導(dǎo)論 重金屬冶金學(xué) 冶金原理 稀有金屬冶金學(xué) 輕金屬冶金學(xué) 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(xué)要求：了解金屬及其分類，建立冶金工程相關(guān)概念，了解我國冶金工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展方向,第一章 緒論,冶金 是一門研究如何經(jīng)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(xué) 冶金學(xué) 研究金屬的制取、加工和改進(jìn)金屬性能的各種技術(shù)及金屬成分、組織結(jié)構(gòu)、性能和相關(guān)基礎(chǔ)理論 分為提取冶金和物理冶金兩門學(xué)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(chǎn)過程（又稱化學(xué)冶金、過程冶金學(xué)） 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(xué)、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(xué)的理論應(yīng)用到集體工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中形成的各學(xué)科的總稱（高級漢語大詞典） 水利工程、化學(xué)工程、冶金工程,第一章 緒論,金屬及其分類 自然界已發(fā)現(xiàn)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?zé)o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(lián)系及其所獲得產(chǎn) 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(jié) 熔煉 火法精煉 浸出 凈化 電解,第一章 緒論,冶金工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向 現(xiàn)狀 發(fā)展方向 強化過程 節(jié)能 低污染或無污染 產(chǎn)品多樣化、精細(xì)化（高附加值）,第一章 緒論,冶金工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位和作用 P7-8 屬原材料產(chǎn)業(yè) 國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) 現(xiàn)代社會的三大支柱之一,第二章 礦石與選礦,教學(xué)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(yīng)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(chǎn)其他產(chǎn)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(jìn)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(xué)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(jīng)選礦使有用礦物進(jìn)一步富集后的產(chǎn)品 尾礦：經(jīng)選礦獲得的主要為脈石或有害雜質(zhì)的產(chǎn)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(shè)備： P15 圖2-3 破

6、碎作業(yè)： P15 表2-5 破碎指標(biāo)： P16 破碎機的生產(chǎn)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(xué)要求： 了解高爐煉鐵原料與設(shè)備，掌握高爐煉鐵原理與工藝過程,第三章 煉 鐵,鐵的性質(zhì)及鐵冶煉發(fā)展史 性質(zhì)：銀白色 密度 7.866g/cm3 熔點 1535 良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和導(dǎo)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(fù)合礦多 質(zhì)量要求 P22 礦石品位要高 酸性脈石要低（SiO2、Al2O3） 有害雜質(zhì)(S、P)要少 其他含鐵原料：高爐煙塵 轉(zhuǎn)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(zhì)量要求 焦碳：燃料和還原劑 焦碳作用 質(zhì)量要求,第三章 煉 鐵,鐵礦粉造塊 （人造富礦或熟料） 燒結(jié)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(jié)成具有一定強度、一定粒度、化學(xué)成分穩(wěn)定的高爐料。 團礦法是不適宜燒結(jié)的細(xì)磨精礦粉和其

8、它含鐵粉料造塊的方法。將細(xì)磨精礦粉、熔劑、燃料（12%，有時不加)等原料經(jīng)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(jìn)行高溫焙燒，焙燒好的球團經(jīng)冷卻、破碎、篩分得到成品球團礦。,第三章 煉 鐵,燒結(jié)設(shè)備：帶式燒結(jié)機 結(jié)構(gòu) P24圖3-1 燒結(jié)過程 P25圖3-2,點火爐,臺車行進(jìn)方向,第三章 煉 鐵,燒結(jié)礦分類： 酸性燒結(jié)礦 堿度1 自熔性燒結(jié)礦 堿度 1.0-1.5 熔劑性燒結(jié)礦 堿度 2.0-2.4 堿度：（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）,第三章 煉 鐵,燒結(jié)礦與球團礦的比較： (1) 細(xì)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(xì)磨精選）。 (2) 燒結(jié)礦對原料的適應(yīng)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(jié)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(chǎn)量十分顯著。但在大高爐上高溫還原膨脹粉化，使?fàn)t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(jié)與球團混合爐料，特別是熔劑性燒結(jié)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(chǎn)物 物料走向 高爐爐內(nèi)分區(qū)及其特征,第三章 煉 鐵,碳的燃燒反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng) （1）C焦

10、+ O2 = CO2 + 400928 kJ 不可逆反應(yīng) （2）2C焦+ O2 = 2CO+235130 kJ不可逆反應(yīng) （3）C焦+ CO2 = 2CO-165797 kJ 可逆反應(yīng) 平衡氣相成分與溫度的關(guān)系 反應(yīng)（3）的特點及在高爐冶煉過程中的作用,圖2-2 風(fēng)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(jù) 氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成自由能 氧化物的分解壓 P28圖36,第三章 煉 鐵,結(jié)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(nèi)非鐵氧化物的行為 P29 (1) P2O5 （全部進(jìn)入生鐵） (2) MnO （2/3進(jìn)入生鐵） (3) SiO2 （少量進(jìn)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(chǎn)率高、原料適應(yīng)

12、性強、爐子壽命長（15-20年）；但鐵水成分及溫度難以準(zhǔn)確控制 高爐設(shè)備 高爐本體 高爐附屬系統(tǒng) P38,高爐內(nèi)各部位主要反應(yīng),還原 滲碳 造渣 脫硫,第三章 煉 鐵,滲碳過程 P33 滲碳反應(yīng) 2Fe +2CO = Fe3C + CO2 3Fe + C = Fe3C 主要反應(yīng) 滲碳作用,第三章 煉 鐵,造渣過程 爐渣作用 (1)具有適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟龋员ＷC爐缸溫度適當(dāng) (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(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)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(zhì) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)溫度),第三章 煉 鐵,粘度 P35 流體流動時相互作用產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的體現(xiàn) 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(nèi)生鐵脫硫主要通過爐渣去除 爐渣脫硫反應(yīng) 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(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) P39-40 高爐有效容積利用系數(shù) 平均水平 1.5-2.0 t/m3d 先進(jìn)水平 3.0 t/m3d 焦比 生產(chǎn)1t生鐵所消耗的焦炭量 一般水平 400-600 kg/tFe 先進(jìn)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(dá)1520年,第三章 煉 鐵,高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展 P40-41 (1)高爐大型化 (2)精料 (3)高壓操作 (4)高風(fēng)溫 (5)富氧鼓風(fēng) (6)噴吹燃料 (7)脫濕鼓風(fēng) (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(xué)要求：了解煉鋼原料與設(shè)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(wù) 通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質(zhì)，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(zhì) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(jié)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(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)的產(chǎn)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(chǎn)物，直接參與煉鋼過程的物理化學(xué)反應(yīng)和傳熱、傳質(zhì)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(zhì) (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(zhì) (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(yīng) 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(yīng) 脫碳反應(yīng)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(xué)成分均勻 有利于冶金物化反應(yīng)的進(jìn)行,第四章 煉 鋼,脫碳反應(yīng)方式 氧氣直接和鋼液接觸： O2 + C = CO 氧經(jīng)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(guān)系 C高則O低，C低則O高 脫碳反應(yīng)的速度（氧濃、攪拌）,第四章 煉 鋼,硅、錳的氧化反應(yīng) 硅的氧化反應(yīng) 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(yīng) 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(yīng) 磷對鋼性能的影響 降低鋼的塑性、韌性，低溫時更為嚴(yán)重，常 稱為“冷脆性” 脫磷的基本反應(yīng) 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(yīng) 硫?qū)︿撔阅艿挠绊?硫在鐵液中以FeS形式存在，當(dāng)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(xiàn)斷裂， 即“熱脆” 脫硫反應(yīng)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(yīng)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(shù)或硫的分配系數(shù),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(zhì)量的影響 P52 造成鋼的“熱脆”并使鋼錠內(nèi)部產(chǎn)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(nèi)反應(yīng) 煉鋼的基本任務(wù) 煉鋼過程的基本反應(yīng),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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)爐煉鋼 轉(zhuǎn)爐煉鋼法的種類,第四章 煉 鋼,氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼 氧氣頂吹轉(zhuǎn)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(chǎn)，故又稱為LD法。 設(shè)備,第四章 煉 鋼,工藝特點 對原材料適應(yīng)性強、生產(chǎn)率高、成本低、可煉品種多鋼質(zhì)量好、投資??；建廠速度快，是現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)外生產(chǎn)特殊鋼的主要方法，通常指堿性電弧爐煉鋼 設(shè)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(zhuǎn)爐鋼高 爐內(nèi)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(xué)要求：了解煉銅原料與設(shè)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(zhì)與用途

26、 P65 性質(zhì)：紫紅色 密度 8.89g/cm3 熔點 1083 優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)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(chǎn)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(jīng)浮選富集產(chǎn)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(xué)反應(yīng)能量，與氧發(fā)生氧化反應(yīng)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(chǎn)量中80-85%用火法冶金方法生產(chǎn)，約15-20%用濕法生產(chǎn)。濕法煉銅通常用于處理氧化礦、低品位廢礦和復(fù)雜難選礦?；鸱掋~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(fēng)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(chǎn)生的反應(yīng)熱作為能量，礦物燃料量或電能消耗大（能耗高）; (2)產(chǎn)出低濃度SO2煙氣，不能經(jīng)濟地生產(chǎn)硫酸，對環(huán)境造成嚴(yán)重污

28、染； (3)設(shè)備生產(chǎn)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(chǎn)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(xì)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(chǎn)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(zhuǎn)爐渣： SiO2（22-28%）、FeO + Fe2O3 (60-70%)、Cu(1.5- 2.5%) (4) 煙塵：煙氣夾帶的細(xì)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(chǎn)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(xué)變化 高價硫化物熱離解 P72 結(jié)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(yīng)都是吸熱反應(yīng),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(zhì) 冰銅最重要的性質(zhì)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(zhì) 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(dāng)?shù)牧鲃有?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(chǎn)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(xì)浮選渣精礦 (2)電爐貧化,第五章 銅冶金,造锍熔煉生產(chǎn)實踐 20世紀(jì)30年代：鼓風(fēng)爐 20世紀(jì)30年代以后：反射爐取代鼓風(fēng)爐 20世紀(jì)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(yīng)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(dǎo)作用 反射爐的結(jié)構(gòu)： 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(yīng)性強，爐子 結(jié)構(gòu)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(yán)重；熱效率低，能耗高；冰銅品位低，吹煉負(fù)荷大；生產(chǎn)率低,發(fā)展趨勢：改良 新技術(shù)取代,第五章 銅冶金,Noranda法造锍熔煉 1973年在加拿大投入生產(chǎn)，用于生產(chǎn)高品位冰銅。 P86 圖5-

33、14 設(shè)備簡圖 作業(yè)過程： P86,爐子結(jié)構(gòu),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(yīng)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(yīng)用，是目前世界上應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的先進(jìn)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(jié)構(gòu),金川公司閃速爐結(jié)構(gòu),第五章 銅冶金,生產(chǎn)過程與過程控制 爐料（細(xì)粒，水分小于0.3%)及空氣（富氧或預(yù)熱）由噴嘴噴入反應(yīng)塔，塔內(nèi)溫度1673K，爐料細(xì)粒在13秒內(nèi)完成熔煉的物理化學(xué)變化，落入熔池沉清分離。冰銅和爐渣定期從爐內(nèi)排出，冰銅送轉(zhuǎn)爐吹煉，爐渣含銅1-2%，需進(jìn)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(diào)節(jié)風(fēng)量，實質(zhì)控制料/O2 渣成分控制 控制Fe/SiO2為1.1-1.2;通過調(diào)節(jié)熔劑量控制 溫度控制 通過調(diào)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(xiàn)自熱熔煉 措施：(1)提高冰銅品位 (2)富氧 (3)提高熱風(fēng)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(xiàn)了自熱熔煉

35、 技術(shù)發(fā)展趨勢 高干礦裝入量、高銅锍品位、高熱負(fù)荷和高富氧濃度，即四高熔煉技術(shù)（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(zhì)，產(chǎn)出粗銅(98.5 99.5%Cu) 銅锍吹煉反應(yīng) 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(jié)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(shè)備 P89 圖5-16 臥式轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)示意圖,第五章 銅冶金,生產(chǎn)過程 間段周期性作業(yè)：加入冰銅吹風(fēng)加入熔劑（SiO2）加入冷料（根據(jù)爐溫而定） 放渣。反復(fù)進(jìn)行至爐子裝入與容量相適應(yīng)的白冰銅，轉(zhuǎn)入造銅期。 由于造渣期和造銅期在反應(yīng)放熱量及產(chǎn)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(zhuǎn)爐吹煉工藝缺點 (1)間歇操作，作業(yè)率低； (2)爐口密封不嚴(yán)，煙氣處理量大，制酸成本高 (3)設(shè)備投資和操作費用高； (4)風(fēng)口區(qū)耐火材料損耗大； (5)富氧率受限制； (6)轉(zhuǎn)爐進(jìn)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(xiàn)代熔煉技術(shù)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(chǎn)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(zhuǎn)爐 頂吹轉(zhuǎn)爐 有兩種爐型： 爐身固定-奧斯?fàn)t ，富氧40% 50%，加入冷料 爐身轉(zhuǎn)動-卡爾多爐，純氧，爐溫可達(dá)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(chǎn)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(xì)，達(dá)到適合閃速吹煉進(jìn)料的粒度（100-150m） (3)將粒度很細(xì)的冰銅進(jìn)行干燥 (4)細(xì)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(dá)43.6%，硫回收率達(dá)到99.9%，基建投資較轉(zhuǎn)爐減少35%，生產(chǎn)費用減少10%20%，設(shè)備生產(chǎn)能力大，工藝流程 有很大的靈活性。 閃速吹煉工藝從技術(shù)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(chǎn)。相繼在加拿大,韓國,印度尼西亞和澳大利亞得到應(yīng)用 P90 圖5-19 設(shè)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(shù)可單獨控制，易于保持最優(yōu)的熔煉狀態(tài),爐子結(jié)構(gòu),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(yīng)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(nèi)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(chǎn)過程及其特點 (1)用噴槍將爐料和富氧空氣噴射進(jìn)熔池，熔池內(nèi)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(yīng)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(jìn)一步降低粗銅中S、O含量，避免鑄陽極時SO2析出，導(dǎo)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(zhì)含量進(jìn)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(yīng)： 2Cu + 1/2 O2 = Cu2O Cu2O溶解在銅液中，進(jìn)一步發(fā)生如下反應(yīng)： Cu2O + M =2Cu + MO 式中：M:雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shè)備 兩種類型： 反射爐 回轉(zhuǎn)式精煉爐（回轉(zhuǎn)陽極爐）,第五章 銅冶金,銅的電解精煉 銅中少量雜質(zhì)的存在會降低其電導(dǎo)率，因此粗銅火法精煉后還必須進(jìn)行電解精煉,進(jìn)一步除去其中的雜質(zhì)，使銅的純度達(dá)到99.95%（P96表11-5）以上。同時，在電解精煉過程中進(jìn)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(yīng)： 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(yīng)： 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(yīng)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(yīng)： 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(jìn)入陽極泥，降低了貴金屬品位，不利陽極泥的進(jìn)一步處理。,第五章 銅冶金,雜質(zhì)行為及分離雜質(zhì)原理 雜質(zhì)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(jìn)入陽極泥。如O, S, Au, Ag, Pt， Se, Te。 第二類：負(fù)電性金屬，發(fā)生電溶解，進(jìn)而以硫酸鹽沉淀。如Pb, Sn。,第五章 銅冶金,第三類：負(fù)電性金屬，溶解進(jìn)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(dá)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(xué)成分和外觀質(zhì)量。 當(dāng)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(chǎn)實踐 陽極：陽極銅 陰極：始極銅片（生產(chǎn)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(jié)構(gòu)及導(dǎo)電方式： 鋼筋混凝土槽體，內(nèi)襯鉛板、軟聚氯乙烯 板、玻璃鋼等材料。 導(dǎo)電方式為槽內(nèi)并連，槽間串聯(lián)。,典型鋼筋混凝土電解槽結(jié)構(gòu) 1.進(jìn)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 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(chǎn)流程 銅電解精煉生產(chǎn)數(shù)據(jù),