《冶金工程概论》PPT课件.ppt

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1、冶金工程概论,戴 曦,教 学 目 的,掌握金属冶炼的基本知识、原理与工艺实践，了解我国冶金工业现状及发展动态,教学安排,总学时 32学时课堂教学 30学时机动 2学时教材：张训鹏主编.冶金工程概论.长沙：中南工业大学出版社可阅读的课外书籍与杂志 书籍：钢冶金学 有色金属熔池熔炼,教学安排,冶金工艺导论 重金属冶金学 冶金原理 稀有金属冶金学 轻金属冶金学 杂志：有色金属（冶炼）湿法冶金 稀有金属 轻金属 钢铁(工艺),第一章 绪论,教学要求：了解金属及其分类，建立冶金工程相关概念，了解我国冶金工业现状与发展方向,第一章 绪论,冶金 是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取金属或化合物，

2、并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学冶金学 研究金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术及金属成分、组织结构、性能和相关基础理论 分为提取冶金和物理冶金两门学科,第一章 绪论,提取冶金 从矿石或精矿中提取金属（包括金属化合物）的生产过程（又称化学冶金、过程冶金学）物理冶金 通过成型加工制备具有一定性能的金属或合金材料，包括金属学、粉末冶金、金属铸造、金属压力加工等,第一章 绪论,工程 将自然科学的理论应用到集体工农业生产部门中形成的各学科的总称（高级汉语大词典）水利工程、化学工程、冶金工程,第一章 绪论,金属及其分类 自然界已发现109种元素，金属元素共93种，按提取冶金分类可分为

3、：黑色金属：Fe,Cr,Mn 有色金属：其余的金属元素 重金属、轻金属、稀有金属、贵金属 10种常用有色金属,第一章 绪论,第一章 绪论,58-71镧系,90-103锕系,稀有轻金属 稀有高熔点金属稀土金属 稀有分散性金属稀有放射性金属,第一章 绪论,金属在地壳中的赋存状态 金 属：Au、Cu 化合物：轻金属、稀有金属：氧化矿 重金属：硫化矿、氧化矿 过渡族元素：既有氧化物又有硫化物,第一章 绪论,冶金方法 火法冶金：高温无水相参与的过程 湿法冶金：低温有水相参与的过程 电 冶 金：利用电能提取和精炼金属的方法冶金工艺流程和冶金过程 冶 金 工艺流 程：提取金属的过程和方法 冶炼工艺流程图：各

4、过程间的联系及其所获得产 品间的流动线路图,冶炼工艺流程图,第一章 绪论,冶金（单元）过程：即一个冶炼阶段 焙烧 煅烧 烧结 熔炼 火法精炼 浸出 净化 电解,第一章 绪论,冶金工业现状及发展方向 现状 发展方向 强化过程 节能 低污染或无污染 产品多样化、精细化（高附加值）,第一章 绪论,冶金工业在国民经济中的地位和作用 P7-8 属原材料产业 国民经济的基础产业 现代社会的三大支柱之一,第二章 矿石与选矿,教学要求 了解矿石与选矿的基本概念，选矿工艺各方法的原理与应用,第二章 矿石与选矿,矿石 矿床：具有一定规模的矿石天然集合体 矿石：提取金属或生产其他产品的矿物集合体 有用矿石：能够为人

5、类利用的矿石 脉石：不含有用矿物或含量过少，不宜以工业规模进行加工的矿石 品位：矿石中有用成分的含量 矿物：具有一定化学成分及物理属性的天然元素和化合物 P11-12表2-3 冶金工业常见金属矿物,第二章 矿石与选矿,选矿 选矿 以廉价的处理费用，既不改变原矿的组成，又能使其高品位化 原矿：直接开采出来的矿石 精矿：经选矿使有用矿物进一步富集后的产品 尾矿：经选矿获得的主要为脉石或有害杂质的产品 P13 表2-4,第二章 矿石与选矿,破碎与筛分：使有用矿物单体解离，使之适合矿石选别处理对粒度的要求 常用方法：P15 图2-2 破碎设备：P15 图2-3 破碎作业：P15 表2-5 破碎指标：P

6、16 破碎机的生产能力 破碎比 筛分效率：P16目：,第二章 矿石与选矿,选矿工艺：重选法：原理 P16 浮选法：原理 P16 正浮选/反浮选 浮选药剂 P16 浮选作业 P18 粗选：粗精矿、粗尾矿 精选：精矿、中矿 扫选：中矿、尾矿 磁选法：原理 P19,第三章 炼 铁,教学要求：了解高炉炼铁原料与设备，掌握高炉炼铁原理与工艺过程,第三章 炼 铁,铁的性质及铁冶炼发展史 性质：银白色 密度7.866g/cm3 熔点 1535 良好的导热、导电和导磁性丰度：5%，仅次于氧、硅、铝 赋存状态：铁冶炼发展史：,第三章 炼 铁,炼铁原料与造块 炼铁原料 铁矿石：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等 P

7、22 表3-1 我国铁矿资源特点P22：贫矿多、复合矿多 质量要求 P22 矿石品位要高 酸性脉石要低（SiO2、Al2O3）有害杂质(S、P)要少 其他含铁原料：高炉烟尘 转炉烟尘 轧钢皮 硫酸渣,第三章 炼 铁,熔剂：CaO、MgO或硅石 熔剂的作用 P23 质量要求 焦碳：燃料和还原剂 焦碳作用 质量要求,第三章 炼 铁,铁矿粉造块（人造富矿或熟料）烧结法将矿粉、熔剂、燃料按一定比例混合，在1300一1500条件下，矿粉局部熔化造渣，烧结成具有一定强度、一定粒度、化学成分稳定的高炉料。团矿法是不适宜烧结的细磨精矿粉和其它含铁粉料造块的方法。将细磨精矿粉、熔剂、燃料（12%，有时不加)等原

8、料经配料混合，在造球机上滚成1015 mm的生球,生球在高温焙烧机上进行高温焙烧，焙烧好的球团经冷却、破碎、筛分得到成品球团矿。,第三章 炼 铁,烧结设备：带式烧结机 结构 P24图3-1 烧结过程 P25图3-2,点火炉,台车行进方向,第三章 炼 铁,烧结矿分类：酸性烧结矿 碱度1 自熔性烧结矿 碱度 1.0-1.5 熔剂性烧结矿 碱度 2.0-2.4 碱度：（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）,第三章 炼 铁,烧结矿与球团矿的比较：(1)细精矿粉(-325目占80)适宜造球，球团矿有利于贫矿资源利用（可对矿石细磨精选）。(2)烧结矿对原料的适应性强，粗粒不适于造球的矿粉，钢厂氧化铁

9、粉、炉尘、其它含铁物料仍需烧结处理。(3)球团冶金性能好（强度高、微气孔多、粒度均匀铁分高、还原性好），特别是小高炉，对降低焦比，提高产量十分显著。但在大高炉上高温还原膨胀粉化，使炉料透气性变坏，影响顺行。且球团碱度低，高炉若用100球团冶炼，势必增大石灰石加入量。故此，高炉常使用烧结与球团混合炉料，特别是熔剂性烧结矿和酸性球团配合使用时能收到较为理想的冶炼效果。,第三章 炼 铁,铁冶炼过程原理 高炉冶炼过程 P26 原料 产物 物料走向 高炉炉内分区及其特征,第三章 炼 铁,碳的燃烧反应 化学反应（1）C焦+O2=CO2+400928 kJ 不可逆反应（2）2C焦+O2=2CO+235130

10、 kJ不可逆反应（3）C焦+CO2=2CO-165797 kJ 可逆反应 平衡气相成分与温度的关系 反应（3）的特点及在高炉冶炼过程中的作用,图2-2 风口径向煤气成分的变化,第三章 炼 铁,铁氧化物的还原 氧化物的稳定性 金属氧化物稳定性判据 氧化物标准生成自由能 氧化物的分解压 P28图36,第三章 炼 铁,结论:P28(1)各种氧化物分解压随温度升高而增大，只有CO除外；(2)图中位置越低的氧化物，分解压愈小，氧化物愈稳定；(3)位置低的元素可还原位置高的氧化物；(4)在一定温度条件下，几乎所有的氧化物都可被C还原。,第三章 炼 铁,铁氧化物的离解 P29 图37 T570 Fe2O3F

11、e3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4Fe 间接还原：用CO还原 直接还原：用C还原,第三章 炼 铁,高炉内非铁氧化物的行为 P29(1)P2O5（全部进入生铁）(2)MnO（2/3进入生铁）(3)SiO2（少量进入生铁）(4)CaO、MgO、Al2O3,第三章 炼 铁,高炉炼铁工艺与实践 高炉炼铁法简介 近代钢铁制造工序,第三章 炼 铁,高炉炼铁过程 高炉炼铁的优缺点 热效率高、生产率高、原料适应性强、炉子寿命长（15-20年）；但铁水成分及温度难以准确控制 高炉设备 高炉本体 高炉附属系统 P38,高炉内各部位主要反应,还原渗碳造渣脱硫

12、,第三章 炼 铁,渗碳过程 P33 渗碳反应 2Fe+2CO=Fe3C+CO2 3Fe+C=Fe3C 主要反应 渗碳作用,第三章 炼 铁,造渣过程 炉渣作用(1)具有适当的熔化温度，以保证炉缸温度适当(2)具有良好的流动性，以利渣铁分离(3)具有足够的脱硫能力，以降低生铁含硫量(4)具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用(5)性能稳定，有利于保护炉衬 炉渣组成 炉渣是各种氧化物的熔合体 CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)系,第三章 炼 铁,炉渣性质 酸碱性 氧化物分类 P34 炉渣碱度：炉渣中碱性氧化物含量/酸性氧化物含量 CaO/SiO2 1 碱性渣 CaO/SiO2 1 酸性渣 CaO

13、/SiO2 0.9-1.2 我国炼铁高炉渣 熔化温度与熔化性温度 炉渣完全转变为均一液体时之温度 熔化温度及其影响因素,第三章 炼 铁,熔化性温度 炉渣从不能流动转变为自由流动时的温度，即粘度曲线与45切线的切点温度(图中A点对应温度),第三章 炼 铁,粘度 P35 流体流动时相互作用产生的内摩擦力的体现 单位 Pas 影响因素 温度 组成,常见液体的粘度,液 体 温 度/K 粘度/Pas 液 体 温 度/K 粘度/Pas水 298 0.00089 汞 273 0.0017蓖麻油 298 0.8 流动好的渣 3.0钢液 1868 0.0025,第三章 炼 铁,脱硫过程 高炉内生铁脱硫主要通过炉

14、渣去除 炉渣脱硫反应 FeS十(CaO)十C(CaS)十Fe十CO 141055kJ 提高炉渣脱硫能力措施(1)提高炉渣碱度(2)提高温度(3)还原性炉渣,炉外脱硫,第三章 炼 铁,高炉生产的主要技术经济指标 P39-40 高炉有效容积利用系数 平均水平 1.5-2.0 t/m3d 先进水平 3.0 t/m3d 焦比 生产1t生铁所消耗的焦炭量 一般水平 400-600 kg/tFe 先进水平 400 kg/tFe,第三章 炼 铁,冶炼强度 每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值 生铁合格率 生铁分为炼钢铁和铸造铁 炉龄 高炉从点火开始到停炉大修为止的时间 一般10年 高者可达1520年,第三

15、章 炼 铁,高炉炼铁技术的发展 P40-41(1)高炉大型化(2)精料(3)高压操作(4)高风温(5)富氧鼓风(6)喷吹燃料(7)脱湿鼓风(8)炉顶煤气余压发电(9)高炉操作自动化,第四章 炼 钢,教学要求：了解炼钢原料与设备，掌握炼钢原理与各种炼钢工艺特点,第四章 炼 钢,概述 钢铁分类及其性能 工业纯铁：C2.11%(2%)钢:0.02%C2.11%(2%)钢的分类 P44表4-1,第四章 炼 钢,C、Si、Mn、P、S在铸铁和钢中的含量 铸铁 钢 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%

16、-0.5%0.01%-0.05%S 0.01%-0.1%0.01%-0.05%,第四章 炼 钢,炼钢过程原理 炼钢的基本任务 通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，加入适量的合金元素，获得具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢“四脱”：脱C、P、S、O“二去”：除气体、非金属杂质 一升温：一合金化：,第四章 炼 钢,炼钢炉1823-1923K,热源,氧化剂,钢水钢渣,铁水生铁废钢,造渣剂,炼钢过程示意图,氧化精炼,第四章 炼 钢,炼钢原料 金属料 铁水(或生铁块)是氧气顶吹转炉炼钢的基本原料，占金属料的70100 废钢 是电弧炉炼钢的基本原料，占钢铁料的7090，对氧气转炉来说，则既是金属料，又

17、是冷却剂,第四章 炼 钢,铁合金 作为脱氧和合金化元素，如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金硅锰铝合金；还有铝、锰、镍、钴等金属 辅助材料 造渣材料 石灰(CaO)萤石(CaF2)白云石,第四章 炼 钢,氧化剂 氧气、铁矿石、氧化铁皮 冷却剂 废钢、富铁矿、团矿、烧结矿、氧化铁皮 还原剂和增碳剂 电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂,第四章 炼 钢,炼钢炉渣 炉渣来源(1)废钢带入的泥沙和铁锈等(2)加入的各种造渣材料(3)炼钢过程中化学反应的产物 炉渣组成 炼钢炉

18、渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO系,高炉炼铁炉渣 3545 3545 0.30.9 0.31.5-68 814 0.91.3,第四章 炼 钢,炉渣作用 炉渣是炼钢过程中的必然产物，直接参与炼钢过程的物理化学反应和传热、传质过程(1)控制金属中各元素的氧化和还原过程(2)向钢中输送氧以氧化各种杂质(3)吸收钢液中的非金属夹杂物(4)对钢液有保护作用,第四章 炼 钢,炉渣性质(1)炉渣碱度 R%CaO/%SiO2 炉料中含P较低 R%CaO/(%P2O5+%SiO2)炉料中含P较高(2)炉渣氧化性（炉渣向金属熔体传递氧的能力）P47 全氧法：FeOFeO十1.35Fe203 全铁法：FeOF

19、eO十0.9Fe203,第四章 炼 钢,炼钢过程反应 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式 熔池中氧的来源 P48 氧在钢液中存在的形式 钢液中元素的氧化方式 直接氧化 间接氧化（通过氧化物传递）,第四章 炼 钢,炼钢熔池中元素的氧化次序 纯氧化物的分解压 P48 炼钢实际熔池中元素氧化顺序,第四章 炼 钢,脱碳反应 脱碳反应的作用 搅动熔池 有利于钢液中气体及非金属夹杂物脱除 有利于钢液温度和化学成分均匀 有利于冶金物化反应的进行,第四章 炼 钢,脱碳反应方式 氧气直接和钢液接触：O2+C=CO 氧经过炉渣传送到钢液：(FeO)=Fe+O C+O=CO 炼钢熔池中C和O浓度的关系 C高则

20、O低，C低则O高 脱碳反应的速度（氧浓、搅拌）,第四章 炼 钢,硅、锰的氧化反应 硅的氧化反应 2(FeO)+Si(SiO2)+2Fe+341224kJ(SiO2)+2(FeO)(2FeOSiO2)(2FeOSiO2)+2(CaO)(2CaOSiO2)+2(FeO)2O+Si(SiO2)+817448kJ,第四章 炼 钢,锰的氧化反应 Mn+(FeO)(MnO)+Fe+123511kJ Mn+O=(MnO)+361623kJ(Fe、Mn)2SiO4+2CaO(Ca2SiO4)+2(FeOMnO),第四章 炼 钢,脱磷反应 磷对钢性能的影响 降低钢的塑性、韧性，低温时更为严重，常 称为“冷脆性”

21、脱磷的基本反应 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),第四章 炼 钢,脱硫反应 硫对钢性能的影响 硫在铁液中以FeS形式存在，当钢在热加 工时，富集于晶界的低熔点硫化物将使晶界成 脆性或熔融状态，使轧制或锻造时出现断裂，即“热脆”脱硫反应及其影响因素 炼钢过程中，主要通过炉渣来脱硫,第四章 炼 钢,FeS=(FeS)（FeS）(CaO)(FeO)(CaS)脱硫总反应式 FeS十(CaO)(FeO)十(CaS)

22、炉渣的脱硫能力 以炉渣和金属中含硫量之比 LS=(%S)/%S表示 LS 脱硫指数或硫的分配系数,第四章 炼 钢,影响炉渣脱硫的因素 炉渣碱度高，渣中氧化铁(FeO)含量低，温度高，渣量大，炉渣流动性好，则有利于脱硫,第四章 炼 钢,钢的脱氧 氧对钢质量的影响 P52 造成钢的“热脆”并使钢锭内部产生气泡 按照脱氧程度的不同，钢可分为：镇静钢即完全脱氧钢；沸腾钢即不完全脱氧钢；半镇静钢，其脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。,第四章 炼 钢,脱氧方法 P53 沉淀脱氧 扩散脱氧 真空脱氧 脱氧剂 锰铁、硅铁、铝 加入顺序：先加锰铁再加硅铁最后加铝,上 节 回 顾,高炉冶炼炉内反应炼钢的基本任务炼钢

23、过程的基本反应,第四章 炼 钢,钢中气体和非金属夹杂物的脱除 钢中气体 P53-54 钢中气体包括氢、氮和氧 对钢质量的影响 H：“氢脆”、“白点”N：引起碳钢的淬火时效和变形时效 措施 钢液去气（脱碳过程随CO气泡排出）炉外去气,第四章 炼 钢,钢中非金属夹杂物 P54 存在形式 对钢质量的影响 影响钢的机械、加工、切削、疲劳性能 减少钢中非金属夹杂物的主要途径,第四章 炼 钢,氧气转炉炼钢 转炉炼钢法的种类,第四章 炼 钢,氧气顶吹转炉炼钢 氧气顶吹转炉于1952年和1953年在奥地利的林茨(Linz)城和多纳维茨(Donawitz)城先后建成并投入生产，故又称为LD法。设备,第四章 炼

24、钢,工艺特点 对原材料适应性强、生产率高、成本低、可炼品种多钢质量好、投资省；建厂速度快，是现代主要炼钢方法之一,第四章 炼 钢,炼钢工艺过程 P58 包括装料、吹炼、脱氧出钢、倒渣等过程,第四章 炼 钢,电弧炉炼钢 利用石墨电极端部和炉料之间放电产生的电弧热，借助辐射和电弧的直接加热熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢及合金的一种炼钢方法，是目前国内外生产特殊钢的主要方法，通常指碱性电弧炉炼钢 设备,第四章 炼 钢,电弧炉炼钢特点,优 点冶金过程灵活热损失少温度易控制基建投资省能耗低操作灵活,缺 点 氢、氧含量较转炉钢高 炉内温度分布不均匀,第四章 炼 钢,电弧炉熔炼工艺 P60 氧化精炼：脱

25、碳脱磷 还原精炼：脱氧脱硫 平炉炼钢 P61 各种炼钢方法的比较 P63,第五章 铜冶金,教学要求：了解炼铜原料与设备，掌握铜熔炼、吹炼及精炼过程原理及工艺实践与发展趋势,第五章 铜冶金,铜的性质与用途 P65 性质：紫红色 密度8.89g/cm3熔点 1083 优良的导热、导电性 良好的延展性 与其它金属互溶性好,第五章 铜冶金,丰度：7.010-3%赋存状态：硫化矿、氧化矿、自然铜 用途：电气工业、建筑、运输、通用工程等,第五章 铜冶金,炼铜原料与方法 炼铜原料 资源状况 P68 表5-1 铜的矿物 P68 表5-2 铜精矿 P69 表5-3 世界原生铜产量的90%来自硫化矿。典型的硫化铜

26、矿含铜由0.2%(露天开采)到0.5-1%(坑下开采)。铜矿石经浮选富集产出含铜较高（15%-30%）的精矿，作为冶炼原料。,第五章 铜冶金,氧化矿石很难用选矿方法加以富集，一般直接送冶炼厂处理。硫化精矿特点 粒度很小，比表面积很大，具有很大的化学反应能量，与氧发生氧化反应迅速，同时可以放出大量的热能,第五章 铜冶金,冶炼方法 目前世界上原生铜产量中80-85%用火法冶金方法生产，约15-20%用湿法生产。湿法炼铜通常用于处理氧化矿、低品位废矿和复杂难选矿。火法炼铜用于处理各种铜精矿，硫化矿主要用火法冶金处理 火法炼铜原则工艺流程见 P70图5-4。,火法炼铜原则工艺流程,第五章 铜冶金,传统

27、熔炼 鼓风炉、反射炉、电炉熔炼 不足(1)不能充分利用硫化物炉料氧化产生的反应热作为能量，矿物燃料量或电能消耗大（能耗高）;(2)产出低浓度SO2烟气，不能经济地生产硫酸，对环境造成严重污染；(3)设备生产能力低。,第五章 铜冶金,强化熔炼 分为闪速熔炼和熔池熔炼 火法炼铜发展趋势 自热熔炼 连续吹炼,第五章 铜冶金,火法炼铜工艺特点,优 点耗费较少的能量从铜硫化矿物一直炼到金属铜，铜的生产效率高,缺 点SO2烟气对环境的污染,第五章 铜冶金,湿法炼铜 工艺流程 P71图5-5 不足：不宜处理高品位矿 不利贵金属的回收 浸出方法：就地浸出、堆浸、搅拌浸出细菌浸出（生物浸矿）,氧化铜矿湿法炼铜原

28、则流程,第五章 铜冶金,造锍熔炼基本原理 造锍熔炼的物料及产物 造锍熔炼的目的(1)将炉料中全部铜分离入冰铜相(2)使富铜的冰铜与炉渣分开,第五章 铜冶金,造锍熔炼的物料(1)硫化铜精矿，或部分氧化脱硫的焙砂、高品位氧化矿；(2)造渣熔剂：SiO2、CaO等；(3)转炉渣：SiO2（22-28%）、FeO+Fe2O3(60-70%)、Cu(1.5-2.5%)(4)烟尘：烟气夹带的细粒物料以及挥发元素及其化合物,第五章 铜冶金,熔炼过程主要产物(1)Cu2S-FeS冰铜/铜锍(30%-70%Cu）(2)熔炼炉渣(3)烟气 典型工业冰铜、炉渣成分见P73表5-4、P75表5-6,第五章 铜冶金,锍

29、的形成及其特性 造锍熔炼过程中的物理化学变化 高价硫化物热离解 P72 结论：熔炼高温下稳定的铜化合物是Cu2S和Cu2O，稳定的铁化合物是FeS和FeO 所有离解反应都是吸热反应,第五章 铜冶金,锍的形成 锍的形成基于两点：(1)FeS能与许多金属硫化物形成低熔点共熔体 P67 图5-2(2)不同金属对S和O的亲和力的差别 P66 图5-1、图5-3 Cu2O+FeS=Cu2S+FeO k1523=109.86,Cu2S-FeS二元系,FeS-MS二元系的液相线,第五章 铜冶金,冰铜的物理性质 冰铜最重要的性质是密度大（4.4g/cm3）、粘度小（10cP）造锍熔炼炉渣及其特性 炉渣是各种氧

30、化物的熔合体 炉渣来源 炉料中的脉石、加入的熔剂、燃料中的灰份等 炉渣组成 P75 表5-6,第五章 铜冶金,炉渣性质 冶炼过程对炉渣的要求 与冰铜互不相混溶 对Cu2S的溶解度低 适当的流动性 铜炉渣的重要特点 粘度高 P74 表5-5,第五章 铜冶金,造锍熔炼炉渣中铜的损失与渣贫化 炉渣中铜的损失 火法炼铜生产过程的铜损失分为两方面，一是随烟气带走的铜，二是随渣损失的铜。随渣损失的铜是主要的。,第五章 铜冶金,炉渣的贫化(1)磨浮法 炉渣缓慢冷却磨细浮选渣精矿(2)电炉贫化,第五章 铜冶金,造锍熔炼生产实践 20世纪30年代：鼓风炉 20世纪30年代以后：反射炉取代鼓风炉 20世纪70年代

31、至今：闪速熔炼、连续炼铜,熔炼方法简介,第五章 铜冶金,熔池熔炼 炉料在液态熔池（熔渣、熔锍）中迅速完成气-液-固相间主要反应的熔炼方法。反射炉熔炼冰铜 反射炉熔炼过程：间断加料，连续熔炼，间断放冰铜和炉渣 传热方法：辐射和对流，辐射起主导作用 反射炉的结构：P78 图5-7,第五章 铜冶金,第五章 铜冶金,反射炉熔炼优缺点,优 点对原料适应性强，炉子结构简单，对耐火材料要求不高对自控水平、操作水平要求较低渣含铜低，不需处理可直接弃去,缺 点烟气SO2浓度低(0.5-2%)，难于回收利用，环境污染严重；热效率低，能耗高；冰铜品位低，吹炼负荷大；生产率低,发展趋势：改良 新技术取代,第五章 铜冶

32、金,Noranda法造锍熔炼 1973年在加拿大投入生产，用于生产高品位冰铜。P86 图5-14 设备简图 作业过程：P86,炉子结构,第五章 铜冶金,闪速熔炼 该法充分利用了浮选铜精矿高速反应的特点，有Outokumpu闪速熔炼和Inco闪速熔炼两种类型。1949年投入工业应用，是目前世界上应用最广、技术最成熟的先进炼铜/镍方法。我国有7座（贵溪、铜陵金隆、金川，山东阳谷）Outokumpu闪速炉。,炉子结构,金川公司闪速炉结构,第五章 铜冶金,生产过程与过程控制 炉料（细粒，水分小于0.3%)及空气（富氧或预热）由喷嘴喷入反应塔，塔内温度1673K，炉料细粒在13秒内完成熔炼的物理化学变化

33、，落入熔池沉清分离。冰铜和炉渣定期从炉内排出，冰铜送转炉吹炼，炉渣含铜1-2%，需进一步处理回收铜。除放冰铜和放渣外，整个过程由计算机自动控制。烟尘率较反射炉、电炉及熔池熔炼高，为炉料量的10%左右,第五章 铜冶金,冰铜品位控制 衡定加料量，调节风量，实质控制料/O2 渣成分控制 控制Fe/SiO2为1.1-1.2;通过调节熔剂量控制 温度控制 通过调节燃油量控制渣温在1500K50K 冰铜温度大约比渣温低50K,第五章 铜冶金,热平衡 可实现自热熔炼 措施：(1)提高冰铜品位(2)富氧(3)提高热风温度,第五章 铜冶金,Outokumpu闪速熔炼的特点及发展 节能降耗 Outokumpu闪速

34、熔炼的燃料消耗只有反射炉熔炼的1/2-1/3，越来越多的冶炼厂闪速炉实现了自热熔炼 技术发展趋势 高干矿装入量、高铜锍品位、高热负荷和高富氧浓度，即四高熔炼技术（高投料量、高富氧浓度、高冰铜品位、高热强度）,第五章 铜冶金,冰铜吹炼 吹炼目的 除去锍中的Fe、S及其它杂质，产出粗铜(98.5 99.5%Cu)铜锍吹炼反应 铜锍吹炼分两个周期：,第五章 铜冶金,造渣期：FeS+O2=FeO+SO2 6FeO+O2=2Fe3O4 2FeO+SiO2=2FeO SiO2 吹炼渣FeO-Fe2O3-SiO2,造渣期结束后倒出 造铜期：Cu2S+1.5 O2=Cu2O+SO2 Cu2S+2 Cu2O=6

35、Cu+SO2 或 Cu2S+O2=2Cu+SO2,第五章 铜冶金,吹炼设备 P89 图5-16 卧式转炉结构示意图,第五章 铜冶金,生产过程 间段周期性作业：加入冰铜吹风加入熔剂（SiO2）加入冷料（根据炉温而定）放渣。反复进行至炉子装入与容量相适应的白冰铜，转入造铜期。由于造渣期和造铜期在反应放热量及产出SO2量的不同，造渣期热量有过剩，烟气浓度低，造铜期热量稍不足，而烟气浓度高一些。,第五章 铜冶金,PS转炉吹炼工艺缺点(1)间歇操作，作业率低；(2)炉口密封不严，烟气处理量大，制酸成本高(3)设备投资和操作费用高；(4)风口区耐火材料损耗大；(5)富氧率受限制；(6)转炉进出料时，操作环

36、境差；(7)间歇式作业引起烟气量不稳定，不利制酸。,第五章 铜冶金,吹炼工艺的发展 现代熔炼技术对吹炼的要求：(1)提高吹炼富氧浓度；(2)能处理高品位铜锍；(3)产出的烟气连续、稳定，SO2浓度高;(4)逸散烟气少。,第五章 铜冶金,虹吸式转炉 顶吹转炉 有两种炉型：炉身固定-奥斯炉，富氧40%50%，加入冷料 炉身转动-卡尔多炉，纯氧，炉温可达1923K，加热料也可加冷料,第五章 铜冶金,闪速吹炼 工艺过程(1)在闪速熔炼炉中产出含铜量高于60%的液态冰铜(2)将液态冰铜水淬并磨细，达到适合闪速吹炼进料的粒度（100-150m）(3)将粒度很细的冰铜进行干燥(4)细粒冰铜在第二台闪速炉中吹

37、炼成液态粗铜,第五章 铜冶金,工艺特点 处理水淬高品位铜锍(68%70%Cu)，采用纯氧或高富氧空气（70%O2），烟气含SO2高达43.6%，硫回收率达到99.9%，基建投资较转炉减少35%，生产费用减少10%20%，设备生产能力大，工艺流程 有很大的灵活性。闪速吹炼工艺从技术上解决了硫的泄露问题,上节回顾,造锍熔炼原理造锍熔炼实践 熔池熔炼 闪速熔炼 炉渣贫化冰铜吹炼原理冰铜吹炼实践,第五章 铜冶金,三菱法熔炼-连续吹炼炼铜法 顶吹熔池熔炼 1974年在日本投入生产。相继在加拿大,韩国,印度尼西亚和澳大利亚得到应用 P90 图5-19 设备示意图 由相对独立的熔炼炉（S炉）、炉渣贫化炉（C

38、L炉）、吹炼炉（C炉）组成，三台炉子之间用溜槽连接，各炉工艺参数可单独控制，易于保持最优的熔炼状态,炉子结构,第五章 铜冶金,熔炼炉：采用40%50%富氧、铜锍品位65%烟气含SO212%、可制酸、热源主要来自反应热；炉渣贫化炉：维持低氧势、靠电热维持作业温度、弃渣含0.6%Cu；吹炼炉：维持炉内最高氧势、采用富氧空气，烟气可制酸,粗铜含硫0.05%，含铜98.5%，造Cu2O-Fe2O3-CaO系炉渣，避免Fe3O4的危害。,第五章 铜冶金,生产过程及其特点(1)用喷枪将炉料和富氧空气喷射进熔池，熔池内主要为冰铜，上面覆盖有一薄层炉渣，空气富氧浓度4050%，喷射出口速度150300m/s,

39、熔炼反应主要在冰铜层发生，熔炼强度高。(2)熔炼炉渣采用电炉贫化后(在电炉中停留时间1小时)，渣含铜降至0.6%,可直接水淬堆存。,第五章 铜冶金,(3)连续吹炼，采用CaOCu2OFe3O4渣系，渣中CaO15%,Cu 1520%,其余为Fe3O4，熔点1160，对Fe3O4溶解度大，流动性好，吹炼渣水淬干燥后返熔炼配料。由于冰铜品位高，渣量少，循环的铜量仅为炉料含铜量的6%。,第五章 铜冶金,粗铜精炼 铜的火法精炼 目的(1)进一步降低粗铜中S、O含量，避免铸阳极时SO2析出，导致阳极不平等缺陷 常规吹炼粗铜：S 0.05%,O 0.5%阳极铜：S 0.03%,O 0.05%(2)将其他杂

40、质含量进一步降低,第五章 铜冶金,方法及原理 氧化 在11500C12000C下，将空气鼓入粗铜液中，发生如下反应：2Cu+1/2 O2=Cu2O Cu2O溶解在铜液中，进一步发生如下反应：Cu2O+M=2Cu+MO 式中：M:杂质金属 MO:往往不溶解在铜液中而形成渣相,第五章 铜冶金,杂质除去的难易程度（由难至易）AsSbBiPbCdSnNiInCoZnFe,第五章 铜冶金,还原 氧化精炼后，铜中O=0.61%,采用碳质还原剂还原除氧。还原剂：木炭或焦粉、重油、天然气、甲烷或液氨 还原后铜熔体中 O=0.1%H=2 10-5 在此情况下浇铸，可得平整阳极。,第五章 铜冶金,火精炼设备 两种

41、类型：反射炉 回转式精炼炉（回转阳极炉）,第五章 铜冶金,铜的电解精炼 铜中少量杂质的存在会降低其电导率，因此粗铜火法精炼后还必须进行电解精炼,进一步除去其中的杂质，使铜的纯度达到99.95%（P96表11-5）以上。同时，在电解精炼过程中进一步富集贵金属。铜电解精炼电极过程,第五章 铜冶金,阳极上可能发生的反应：Cu2e=Cu2+=+0.34V H2O2e=1/2O22H+=+1.23V Cue=Cu+=+0.51V Cu+e=Cu2+=+0.17V Me ne=Men+,第五章 铜冶金,阴极上可能发生反应：Cu2+十2e Cu=+0.34V 2H+2e=H2=0V Men+ne=Me,第五

42、章 铜冶金,Cu+的形成及其影响 Cu+的形成反应如下：在阳极上：Cu-e=Cu+Cu+/Cu=0.51V Cu+-e=Cu2+Cu2+/Cu+=0.17V 铜的歧化反应：2 Cu+=Cu2+Cu K=CCu2+/C 2Cu+Cu+的存在一方面会增大Cu2+的浓度，另一方面形成铜粉进入阳极泥，降低了贵金属品位，不利阳极泥的进一步处理。,第五章 铜冶金,杂质行为及分离杂质原理 杂质总量约为：0.3-0.8%,分别为O,S,Au,Ag,Pt,Se,Te,As,Sb,Bi,Ni,Fe,Zn,Pb,Co等，分为四类：第一类：正电性金属或化合物，不溶解，进入阳极泥。如O,S,Au,Ag,Pt，Se,Te

43、。第二类：负电性金属，发生电溶解，进而以硫酸盐沉淀。如Pb,Sn。,第五章 铜冶金,第三类：负电性金属，溶解进入溶液。如Ni,Zn,Fe等。第四类：电位与铜相近的元素,如As,Sb,Bi。既有可能在阴极析出，又能形成“漂浮阳极泥”，即As,Sb,Bi溶解在电解液中，达到过饱和，以SbAsO4,BiAsO4等沉淀，这类沉淀为絮状物，会粘在阴极，影响其化学成分和外观质量。当Cu2+10g/l，H+、As、Bi、Sb将与Cu2+共同放电析出,第五章 铜冶金,铜电解精炼生产实践 阳极：阳极铜 阴极：始极铜片（生产槽）不锈钢或钛板（种板槽或ISA法）电解液：Cu 40-60g/L H2SO4 180-200g/L 电解槽结构及导电方式：钢筋混凝土槽体，内衬铅板、软聚氯乙烯 板、玻璃钢等材料。导电方式为槽内并连，槽间串联。,典型钢筋混凝土电解槽结构1.进液管 2.阳极 3.阴极 4.出液管 5.放液管 6.放阳极泥管,第五章 铜冶金,电解液循环方式,第五章 铜冶金,电解过程技术经济指标 电流密度 200-240A/m2 槽电压 0.20-0.25V 电流效率=G/qIN 100%q=1.186g/Ah 一般为95%左右 影响电流效率的因素,第五章 铜冶金,电能消耗 W=U 103/q kWh/tCu 一般为230-280 kWh/tCu 铜电解生产流程 铜电解精炼生产数据,