冶金工程概论

冶金工程概论第1页/共179页教学目的

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第2页/共179页教学安排总学时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第3页/共179页教学安排

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4页/共179页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5页/共179页第一章绪论冶金

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，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6页/共179页第一章绪论

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7页/共179页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8页/共179页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：

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9页/共179页第一章绪论第10页/共179页第一章绪论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11页/共179页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12页/共179页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：各过程间的联系及其所获得产品间的流动线路图第13页/共179页冶炼工艺流程图第14页/共179页第15页/共179页第一章绪论

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16页/共179页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17页/共179页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18页/共179页第二章矿石与选矿

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19页/共179页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20页/共179页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21页/共179页第二章矿石与选矿

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：

P16

破碎机的生产能力

破碎比

筛分效率：

P16目：第22页/共179页第二章矿石与选矿

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23页/共179页第三章炼铁

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24页/共179页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25页/共179页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

P22

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26页/共179页第27页/共179页第28页/共179页第三章炼铁

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29页/共179页第30页/共179页第三章炼铁

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（1～2%，有时不加)等原料经配料混合，在造球机上滚成10～15mm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31页/共179页第三章炼铁

烧结设备：带式烧结机结构

P24图3-1

烧结过程

P25图3-2

第32页/共179页第33页/共179页点火炉台车行进方向→第34页/共179页第三章炼铁

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35页/共179页第三章炼铁

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36页/共179页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37页/共179页第38页/共179页第39页/共179页第40页/共179页第三章炼铁

碳的燃烧反应

化学反应

（1）C焦+O2=CO2+400928kJ不可逆反应（2）2C焦+O2=2CO+235130kJ不可逆反应（3）C焦+CO2=2CO-165797kJ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第41页/共179页图2-2风口径向煤气成分的变化第42页/共179页第三章炼铁

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3－6第43页/共179页图2-8氧化物标准生成自由能随温度的变化图3-8纯氧化物分解压与温度关系第44页/共179页第三章炼铁

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45页/共179页第三章炼铁

铁氧化物的离解

P29图3－7

T>570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

T<570℃Fe2O3→Fe3O4→Fe

铁氧化物的还原

P30图3－8

T>570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

T<570℃Fe2O3→Fe3O4→Fe

间接还原：用CO还原

直接还原：用C还原第46页/共179页第47页/共179页第48页/共179页第49页/共179页第三章炼铁

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50页/共179页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51页/共179页第52页/共179页第三章炼铁

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第53页/共179页第54页/共179页

高炉内各部位主要反应还原渗碳造渣脱硫第55页/共179页第三章炼铁

渗碳过程P33

渗碳反应

2Fe+2CO=Fe3C+CO2

3[Fe]+C=[Fe3C]主要反应

渗碳作用第56页/共179页第57页/共179页第三章炼铁

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58页/共179页第59页/共179页第三章炼铁

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/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60页/共179页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45º切线的切点温度

(图中A点对应温度)第61页/共179页第三章炼铁

粘度

P35

流体流动时相互作用产生的内摩擦力的体现单位Pa·s

影响因素温度

组成第62页/共179页第63页/共179页常见液体的粘度

液体温度/K粘度/Pa•s液体温度/K粘度/Pa•s水2980.00089汞2730.0017蓖麻油2980.8流动好的渣

<0.5甘油2980.5稠渣1.5-2.0生铁液16980.0015很粘的渣>3.0钢液1868<0.0025第64页/共179页第三章炼铁

脱硫过程

高炉内生铁脱硫主要通过炉渣去除

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)还原性炉渣第65页/共179页图3-20KR法1-脱硫剂；2-搅拌槽；3-至除尘器图3-20顶部喷吹法1-喷枪；2-脱硫剂；3-料仓；4-称量料仓；5-N2炉外脱硫

第66页/共179页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1.5-2.0t/m3·d

先进水平3.0t/m3·d

焦比

生产1t生铁所消耗的焦炭量

一般水平400-600kg/tFe

先进水平400kg/tFe第67页/共179页第三章炼铁

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15－20年第68页/共179页第三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69页/共179页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70页/共179页第四章炼钢概述

钢铁分类及其性能

工业纯铁：C<0.02%

生铁:C>2.11%(2%)

钢:0.02%<C<2.11%(2%)

钢的分类P44表4-1第71页/共179页第四章炼钢C、Si、Mn、P、S在铸铁和钢中的含量

铸铁钢

C2.5%-4.5%0.03%-1.2%Si0.5%-2.0%0.01%-0.3%Mn0.5%-2.0%0.3%-0.8%P0.02%-0.5%0.01%-0.05%S0.01%-0.1%0.01%-0.05%第72页/共179页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73页/共179页第四章炼钢炼钢炉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74页/共179页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70～100％废钢

是电弧炉炼钢的基本原料，占钢铁料的70～90％，对氧气转炉来说，则既是金属料，又是冷却剂第75页/共179页第四章炼钢

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76页/共179页第四章炼钢

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77页/共179页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

炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO系第78页/共179页

高炉炼铁炉渣

35~4535~450.3~0.90.3~1.5-6~88~140.9~1.3第79页/共179页第四章炼钢

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80页/共179页第四章炼钢

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：％∑FeO＝％FeO十1.35×％Fe203

全铁法：％∑FeO＝％FeO十0.9×％Fe203第81页/共179页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82页/共179页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83页/共179页图2-8氧化物标准生成自由能随温度的变化图3-8纯氧化物分解压与温度关系第84页/共179页第四章炼钢

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85页/共179页第四章炼钢

脱碳反应方式

氧气直接和钢液接触：

½{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[O]低，[C]低则[O]高

脱碳反应的速度（氧浓、搅拌）第86页/共179页第四章炼钢

硅、锰的氧化反应

硅的氧化反应

2(FeO)+[Si]＝(SiO2)+2[Fe]+341224kJ

(SiO2)+2(FeO)＝(2FeO·SiO2)(2FeO·SiO2)+2(CaO)＝(2CaO·SiO2)+2(FeO)2[O]+[Si]＝(SiO2)+817448kJ第87页/共179页第四章炼钢

锰的氧化反应

[Mn]+(FeO)＝(MnO)+[Fe]+123511kJ[Mn]+[O]=(MnO)+361623kJ(Fe、Mn)2SiO4+2CaO＝(Ca2SiO4)+2(FeO·MnO)

第88页/共179页第四章炼钢

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”

脱磷的基本反应

2[P]十5(FeO)＝(P2O5)十5Fe(P2O5)十3(FeO)=(3FeO·P2O5)(3FeO·P2O5)十3(CaO)＝(3CaO·P2O5)十3(FeO)

或(3FeO·P2O5)十4(CaO)＝(4CaO·P2O5)十3(FeO)

第89页/共179页第四章炼钢

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90页/共179页第四章炼钢

[FeS]=(FeS)

（FeS）＋(CaO)＝(FeO)＋(CaS)

脱硫总反应式

[FeS]十(CaO)＝(FeO)十(CaS)

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91页/共179页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92页/共179页第四章炼钢

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93页/共179页第四章炼钢

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

第94页/共179页上节回顾高炉冶炼炉内反应炼钢的基本任务炼钢过程的基本反应第95页/共179页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96页/共179页第四章炼钢

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97页/共179页第四章炼钢氧气转炉炼钢

转炉炼钢法的种类第98页/共179页第99页/共179页第四章炼钢

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100页/共179页第101页/共179页第四章炼钢

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102页/共179页第四章炼钢

炼钢工艺过程

P58

包括装料、吹炼、脱氧出钢、倒渣等过程

第103页/共179页第四章炼钢

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104页/共179页第105页/共179页第四章炼钢

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106页/共179页第四章炼钢

电弧炉熔炼工艺

P60

氧化精炼：脱碳脱磷还原精炼：脱氧脱硫平炉炼钢

P61

各种炼钢方法的比较

P63第107页/共179页第五章铜冶金

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108页/共179页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109页/共179页第五章铜冶金

丰度：7.0×10-3%

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110页/共179页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111页/共179页第五章铜冶金

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112页/共179页第五章铜冶金

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。第113页/共179页火法炼铜原则工艺流程第114页/共179页第五章铜冶金

传统熔炼

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115页/共179页第五章铜冶金

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116页/共179页第五章铜冶金

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117页/共179页第五章铜冶金

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）第118页/共179页氧化铜矿湿法炼铜原则流程第119页/共179页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120页/共179页第五章铜冶金

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121页/共179页第五章铜冶金

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122页/共179页第五章铜冶金

锍的形成及其特性

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123页/共179页第五章铜冶金

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第124页/共179页Cu2S-FeS二元系第125页/共179页FeS-MS二元系的液相线第126页/共179页第五章铜冶金

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127页/共179页第五章铜冶金

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128页/共179页第五章铜冶金

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129页/共179页第五章铜冶金

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130页/共179页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年代至今：闪速熔炼、连续炼铜第131页/共179页熔炼方法简介第132页/共179页第五章铜冶金

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133页/共179页第五章铜冶金第134页/共179页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135页/共179页第五章铜冶金

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第136页/共179页炉子结构第137页/共179页第五章铜冶金

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。第138页/共179页炉子结构第139页/共179页金川公司闪速炉结构第140页/共179页第五章铜冶金

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1—3秒内完成熔炼的物理化学变化，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141页/共179页第五章铜冶金

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1500K±50K

冰铜温度大约比渣温低50K第142页/共179页第五章铜冶金

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143页/共179页第五章铜冶金Outokumpu闪速熔炼的特点及发展

节能降耗

Outokumpu闪速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144页/共179页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145页/共179页第五章铜冶金

造渣期：

FeS+O2=FeO+SO2

6FeO+O2=2Fe3O42FeO+SiO2=2FeO·SiO2

吹炼渣FeO-Fe2O3-SiO2,造渣期结束后倒出

造铜期：

Cu2S+1.5O2=Cu2O+SO2Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2

或

Cu2S+O2=2Cu+SO2第146页/共179页第五章铜冶金

吹炼设备

P89图5-16卧式转炉结构示意图第147页/共179页第五章铜冶金

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148页/共179页第五章铜冶金P·S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，操作环境差；

(7)间歇式作业引起烟气量不稳定，不利制酸。第149页/共179页第五章铜冶金

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150页/共179页第五章铜冶金

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151页/共179页第五章铜冶金

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（100-150μm）

(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炼成液态粗铜第152页/共179页第五章铜冶金

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第153页/共179页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154页/共179页第五章铜冶金

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（CL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第155页/共179页炉子结构第156页/共179页第五章铜冶金

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157页/共179页第五章铜冶金

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40—50%，喷射出口速度150—300m/s,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158页/共179页第五章铜冶金

(3)连续吹炼，采用CaO—Cu2O—Fe3O4渣系，渣中CaO15%,Cu15—20%,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159页/共179页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)将其他杂质含量进一步降低第160页/共179页第五章铜冶金

方法及原理

氧化

在11500C—12000C下，将空气鼓入粗铜液中，发生如下反应：

2Cu+1/2O2=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161页/共179页第五章铜冶金

杂质除去的难易程度（由难至易）

As—Sb—Bi—Pb—Cd—Sn—Ni—In—Co—Zn—Fe第162页/共179页第五章铜冶金

还原

氧化精炼后，铜中〔O〕=