冶金学-Cu-08-2-铜冶金简介

1、22.1 概述概述:2.1.1 铜的性质铜的性质; 2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质; 2.1.3 铜的用途铜的用途2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法:2.2.1 炼铜原料炼铜原料; 2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法2.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.1 冰铜冰铜; 2.3.2 熔炼炉渣熔炼炉渣3 铜有以下特点：铜有以下特点： a) 有两种价态有两种价态(Cu+，Cu2+)，2价铜离子在溶液中显价铜离子在溶液中显蓝色蓝色； b) 能生成络合物，如能生成络合物，如 Cu(NH3)4SO4； c) 能和非金属性强的元素直接化合成二元化合物，如能和非金

2、属性强的元素直接化合成二元化合物，如CuS、Cu2S、CuO、Cu2O、CuCl2等；等； d) 高导电性、导热性及良好的延展性是最有价值的特性；高导电性、导热性及良好的延展性是最有价值的特性； e) 铜与金银一样属于活性小的金属。但在含铜与金银一样属于活性小的金属。但在含CO2的潮湿空气中，铜的表面会慢慢的潮湿空气中，铜的表面会慢慢生成有毒的铜绿即铜锈生成有毒的铜绿即铜锈Cu(OH)2CO3。2.1 概述概述2.1.1 铜的性质铜的性质4 CuS 呈黑绿色或棕色，自然界中以铜蓝矿物形态存在，比重4.66，熔点1110 ；中性或还原性气氛中加热分解：4CuS 2Cu2S S2 Cu2S 呈蓝黑

3、色，自然界中呈辉铜矿矿物存在，比重5.785，熔点1135 ；常温下很稳定，加热到200300 时，可氧化成CuO和CuSO4，加热到330 以上时就氧化成Cu2O。在高温下（1150 ），有氧条件下强烈氧化：Cu2S O2 2Cu SO2Cu2S与FeS及其他金属硫化物共熔形成锍锍（冰铜）。 2.1 概述概述2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质5 Cu2S不溶于水，几乎不溶于弱酸，能溶于硝酸。不溶于水，几乎不溶于弱酸，能溶于硝酸。Cu2S与浓盐酸作用时，逐渐溶解时放出与浓盐酸作用时，逐渐溶解时放出H2S。Cu2S能很好能很好地溶于地溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、Cu

4、Cl2和和HCN（需氧）需氧）。 CuO：呈黑色无光泽，在自然界以黑铜矿形态存在，比重6.3左右，熔点1447；CuO不稳定，加热时离解：4CuO 2Cu2O O2 CuO不溶于水，但能溶于硫酸、盐酸等酸中，还能溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、NH4OH和(NH4)2CO3等溶液中。Cu2O： 粉末呈红色，致密的呈缨红色，有光泽，在自然界以赤铜矿形态存在，比重5.76.1，熔点1230；加热到2200 以上时才离解：2Cu2O 4Cu O22.1 概述概述2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质6Cu2O与FeS及可按下式反应：Cu2O FeS = Cu2S FeO 2Cu

5、2O Cu2S = 6Cu SO2 这两个反应在铜的火法冶金中具有重要意义。 Cu2O不溶于水，但能溶于硫酸、盐酸、FeCl3、Fe2(SO4)3、FeCl2和NH4OH等溶液中。Cu2O易被H2、CO、C及CxHy还原成金属铜，也可被Fe、Zn金属还原成金属铜。 CuSO4 硫酸铜在自然界中以胆矾(CuSO45H2O)的形态存在。纯胆矾为天蓝色，失去结晶水后为白色粉末。硫酸铜加热时分解：2CuSO4 = CuOCuSO4 + SO3(或SO2 + 1/2O2)CuOCuSO4 =2CuO + SO3(或SO2 + 1/2O2)硫酸铜易溶于水，可用Fe、Zn等比铜负电性的元素从硫酸铜水溶液中置

6、换出金属铜。2.1 概述概述2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质7 铜的硅酸盐铜的硅酸盐 在自然界中，铜的硅酸盐呈硅孔雀石(CuSiO33H2O)和透视石(CuSiO3H2O)的矿物形态存在。这两种矿物在高温下形成稳定的硅酸亚铜(2Cu2OSiO2)。硅酸亚铜在1100 1200下熔化。硅酸亚铜易被H2、CO及C还原，也容易被较强的碱性氧化物（如FeO、CaO）及硫化物（如FeS、Cu2S）分解。2Cu2OSiO2 2FeS 2FeO SiO2 2Cu2S 工业上往往向含铜的熔渣中加黄铁矿（FeS2）回收铜，正是基于此反应。硅酸亚铜可溶于浓硝酸及乙酸中，易溶于盐酸，微溶于硫

7、酸。 铜的碳酸盐 在自然界中呈孔雀石CuCO3Cu(OH)2和蓝铜矿2CuCO3 Cu(OH)2的矿物形态存在。这两种化合物在220已上时完全分解为CuO，CO2和H2O。2.1 概述概述2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质8 铜的铁酸盐铜的铁酸盐 铜的铁酸盐有两种：铁酸铜(CuOFe2O3)和铁酸亚铜(Cu2OFe2O3)。铜的铁酸盐不溶于水、氨水及一般溶剂，易被强碱性氧化物或硫化物所分解，也已被SO2还原。Cu2OFe2O3 + CaO = CaOFe2O3 + Cu2O5Cu2OFe2O3 + 2FeS = 10Cu + 4Fe3O4 + 2SO2 铜的氯化物铜的氯化

8、物 铜的氯化物有两种：CuCl2和CuCl(或Cu2Cl2)。 CuCl2无天然矿物，人造CuCl2为褐色粉末，熔点为489，易溶于水。加热至340分解，生成白色的氯化亚铜粉末。CuCl2 Cu2Cl2 + Cl2Cu2Cl2熔点为420440，比重为3.53，是易挥发化合物。这一特点在氯化冶金中得到应用。Cu2Cl2的食盐溶液可使Pb、Zn、Cd、Fe、Co、Bi和Sn等金属硫化物分解，形成相应的金属氯化物和CuS。可用Fe将Cu2Cl2熔液中的铜置换沉淀出来。2.1 概述概述2.1.2 铜的主要化合物及其性质铜的主要化合物及其性质9 铜在国民经济各部门有着广泛的用途,特别是在电气工业应用更

9、为广泛。表1-4 铜在各部门应用中所占的百分比（）2.1 概述概述2.1.3 铜的用途铜的用途10 铜在地球中的含量比较少，其相对丰度仅为710-5，远低于铝、铁和镁等金属，甚至比钛还低。目前自然界中含铜矿物有240多种，其中常见的约有3040种，而有工业开采价值的铜矿仅10余种。 铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。特别是硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。目前工业开采的铜矿石最低品位为0.4%0.5%。开采出来的低品位矿石，经过选矿富集，使铜的品位提高到10% 30。 表2-2为 铜的主要矿物。2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2

10、.1 炼铜原料炼铜原料11表2-2 铜的主要矿物2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.1 炼铜原料炼铜原料12表2-2 铜的主要矿物2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.1 炼铜原料炼铜原料13国内一些炼铜厂混合精矿成分(%)： 厂名及工艺厂名及工艺CuFeSPbZnAsSiO2 贵冶贵冶 闪速炉闪速炉21.529.032.50.40.90.256.5 大冶大冶 诺兰达炉诺兰达炉 23.523.521.71.061.030.3111.40 云冶云冶 艾萨炉艾萨炉21.1224.2522.040.670.4815.74 侯马侯马 澳斯麦特炉澳斯麦特炉24.528.031.09.5 金

11、隆金隆 闪速炉闪速炉29.527.528.30.17.0 白银白银 白银炉白银炉18.528.931.10.812.550.347.6 葫芦岛葫芦岛 密闭鼓风炉密闭鼓风炉25.127.929.01.31.57.52.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.1 炼铜原料炼铜原料14铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展青铜器时代（青铜器时代（Cu-Sn合金）合金） 炼铜必备炼铜必备的两个条的两个条件：件：高温高温的获得的获得；（还原性）（还原性）气氛的可气氛的可控控 性性 陶铸陶铸 陶冶陶冶 矿冶矿冶2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法15铜冶炼的起源与发展铜冶

12、炼的起源与发展青铜器时代（青铜器时代（Cu-Sn合金合金） 青铜器的起青铜器的起始年代及发源：始年代及发源：两河流域（古巴两河流域（古巴比伦）比伦） 在伊朗发现公在伊朗发现公元前元前80009000年年小件自然铜饰物小件自然铜饰物 在土耳其发现在土耳其发现公元前公元前60007000年的含铜炉渣年的含铜炉渣 2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法16铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展青铜器时代（青铜器时代（Cu-Sn合金）合金）在公元前在公元前3500年人工炼铜逐渐增多（以色列），以氧化年人工炼铜逐渐增多（以色列），以氧化铁作溶剂，增加炉渣的流动性，炉内温度

13、达到铁作溶剂，增加炉渣的流动性，炉内温度达到11801350。 中国青铜器中国青铜器 黄帝采铜首山黄帝采铜首山( 约公元前约公元前4000年，按照司马迁的记述，年，按照司马迁的记述，黄帝打下来的江山是世袭的，黄帝死，颛顼即位，颛顼黄帝打下来的江山是世袭的，黄帝死，颛顼即位，颛顼死，帝喾即位，帝喾死，帝挚即位，帝挚死，帝尧即死，帝喾即位，帝喾死，帝挚即位，帝挚死，帝尧即位。位。 )，禹铸九鼎；，禹铸九鼎； 中国发现最早的铜是中国发现最早的铜是黄铜片黄铜片（陕西临潼，（陕西临潼，48481mm1mm）,（Cu66.54%;Zn25.56%;Pb5.92%;Sn0.87%） 公元前公元前2700年的

14、青铜小刀（含年的青铜小刀（含Sn610%）；）；公元前公元前2000年在商朝用木炭及孔雀石炼铜年在商朝用木炭及孔雀石炼铜2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法17铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展青铜器时代（青铜器时代（Cu-Sn合金）合金）2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法18硫化矿炼铜时代硫化矿炼铜时代铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展 始于西方，公元前始于西方，公元前1200年在奥地利开采铜矿年在奥地利开采铜矿 石；石； 1415世纪在欧洲采用德国法炼铜（全烧世纪在欧洲采用德国法炼铜（全烧-还还 原）；原）； 1

15、6世纪，造硫熔炼（部分焙烧后熔炼成冰铜）世纪，造硫熔炼（部分焙烧后熔炼成冰铜） 开始开始然后焙烧产出白冰铜然后焙烧产出白冰铜接下来继续焙烧接下来继续焙烧 产出粗铜产出粗铜.1880年出现转炉吹炼年出现转炉吹炼. 12世纪，插木还原法炼出火法精炼铜（氧化除世纪，插木还原法炼出火法精炼铜（氧化除 硫、铁硫、铁-还原脱氧）还原脱氧）Cu99%。 1865年，电解精炼法出现，可产出含年，电解精炼法出现，可产出含 Cu99.99%的电解铜的电解铜2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法19铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展当代火法炼铜工艺当代火法炼铜工艺 熔炼使铜硫化物

16、与脉石等杂质分离，产出含铜的富 集物（冰铜）和熔炼渣； 吹炼使冰铜中的硫和其它杂质氧化除去，产出粗铜 和吹炼渣； 氧化精炼除去粗铜中的少量杂质，产出适合于电解 精炼的阳极铜； 电解精炼分离除去阳极铜中的杂质，产出电解铜和 富含贵金属的铜阳极泥。2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法20铜冶炼的起源与发展铜冶炼的起源与发展湿法炼铜工艺湿法炼铜工艺 湿法炼铜的起源：中国，西汉有湿法炼铜的起源：中国，西汉有 记载，胆铜法，公元记载，胆铜法，公元11071110 年，年产约年，年产约500吨。吨。 浸出浸出-铁置换法铁置换法 浸出浸出-除铁除铁-电积法电积法 浸出浸出

17、-萃取萃取-电积法电积法2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法21干燥干燥密闭鼓风炉密闭鼓风炉干燥干燥电炉电炉干燥干燥反射炉反射炉硫化铜精矿硫化铜精矿干燥干燥闪速炉闪速炉干燥干燥熔池熔炼炉熔池熔炼炉连续炼铜炉连续炼铜炉冰铜冰铜转炉或连续吹炼炉转炉或连续吹炼炉粗铜粗铜火法精炼炉火法精炼炉阳极铜阳极铜电解精炼电解精炼电铜电铜(99.95%99.99% Cu)(99.5% Cu)(98.5%Cu)(30-55%Cu)(20-30%Cu)图2-1火法生产铜的原则流程图2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法222.2 炼铜原料及方法炼铜

18、原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法23湿法炼铜主要步骤湿法炼铜主要步骤: (1)浸出：将铜从矿石中溶解出来浸出：将铜从矿石中溶解出来,产出含铜溶产出含铜溶 液；液； (2)萃取反萃：将铜从含铜浸出液中分离出萃取反萃：将铜从含铜浸出液中分离出 来来,并产出纯净的、含铜高并产出纯净的、含铜高 的、适合于电解沉积的反萃的、适合于电解沉积的反萃 后液；后液； (3)电解沉积：从反萃后液中将金属铜沉积出电解沉积：从反萃后液中将金属铜沉积出 来，产出可销售的电积铜。来，产出可销售的电积铜。2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法24图2-2 常见的湿法炼铜原则流

19、程2.2 炼铜原料及方法炼铜原料及方法2.2.2 铜的生产方法铜的生产方法25 概念与组成： 冰铜是在熔炼过程中产生的重金属硫化物为主的共熔体，是熔炼过程的主要产物之一，是以Cu2S-FeS系为主并溶解少量其它金属硫化物（如Ni3S2、Co3S2、PbS、ZnS等）、贵金属（Au、Ag）、铂族金属、Se、Te、As、Sb、Bi等元素及微量脉石成分的多元系混合物。（1）冰铜的概念与组成）冰铜的概念与组成2.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.1 冰铜冰铜铜的熔炼过程产出两个凝聚相和一个气相 冰铜、熔炼渣和烟气27冰铜的主要性质：冰铜的主要性质： 1）比重：4.44.7，远高于炉渣比

20、重（33.7）； 2）粘度：2.410-3Pas，比炉渣粘度低很多 （0.52Pa s） 3）表面张力：与铁橄榄石（2FeO SiO2）熔体间的界面张力约为2060N/m，其值很小，由此可判断冰铜容易悬浮在熔渣中。 4）冰铜的主要成分Cu2S和FeS都是Au和Ag的强有力的溶解剂。 （2） 冰铜的性质冰铜的性质2.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.1 冰铜冰铜28（2） 冰铜的性质冰铜的性质5）液态冰铜遇水爆炸，其原因如下：Cu2S + 2H2O = 2Cu + 2H2 + SO2FeS + H2O = FeO + H2S3FeS + 4H2O = Fe3O4 + 3H2S +

21、 H2 反应产生的H2和H2S与空气中氧反应而引起爆炸。2H2S 3O2 2H2O(g) + 2SO22H2 + O2 =2H2O(g)2.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.1 冰铜冰铜292.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.2 熔炼炉渣熔炼炉渣 在冰铜熔炼过程中炉料中的脉石主要是石英石、石灰石等与物料氧化后产生的FeO等进行反应，形成复杂的铁硅酸盐炉渣。一般冰铜熔炼所产炉渣量大约为炉料的50100。冰铜熔炼过程中炉渣体系：以冰铜熔炼过程中炉渣体系：以FeO-SiO2系、系、FeO-SiO2-CaO系及系及FeO-SiO2-Al2O3系等为主体，一般系等为主体

22、，一般SiO2含量为含量为3542% 。（1 1）炉渣的产出及其体系组成）炉渣的产出及其体系组成312.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.2 熔炼炉渣熔炼炉渣 炉渣的密度 炉渣的密度可近似地由组成炉渣的氧化物的密度来计算。 渣 (MeO(MeO) 式中MeO渣中MeO的密度； (MeO)渣中MeO的质量分数。 表2-3 氧化物的密度 t m-3 （2 2）炉渣的密度）炉渣的密度322.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.2 熔炼炉渣熔炼炉渣 炉渣的分类常以炉渣的酸度或碱度来划分。过去常以酸度（硅酸度）来对炉渣进行分类，现在许多冶金学家大都以碱度来分类。 碱度定义如下：ai、bi分别为该氧化物对二氧化硅和氧化亚铁的折算系数， 碱度=1的渣称为中性渣，碱度1的渣称为碱性渣，碱度1的渣称为酸性渣。鼓风炉渣是典型的碱性渣（碱度1.11.5)，闪速熔炼炉渣也为碱性渣（碱度1.41.6）。 （3 3）炉渣渣型的分类）炉渣渣型的分类332.3 铜熔炼的产物及性质铜熔炼的产物及性质:2.3.2 熔炼炉渣熔炼炉