冶金工程概论.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,冶金工程概论,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,，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：,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,P,7-8,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,P,11-12,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,P,13,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：,P,15,图,2-2,破碎设备：,P,15,图,2-3,破碎作业：,P,15,表,2-5,破碎指标：,P,16,破碎机的生产能力,破碎比,筛分效率：,P,16,目：,第二章 矿石与选矿,选矿工艺：,重选法,：原理,P,16,浮选法,：,原理,P,16,正浮选,/,反浮选,浮选药剂,P,16,浮选作业,P,18,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,P,19,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/cm,3,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,22,表,3-1,我国铁矿资源特点,P,22,：贫矿多、复合矿多,质量要求,P,22,矿石品位要高,酸性脉石要低（,SiO,2,、,Al,2,O,3,）,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,P,23,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（,1,2%,，有时不加,),等原料经配料混合，在造球机上滚成,10,15 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,P,24,图,3-1,烧结过程,P,25,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,570,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeOFe,T570,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeOFe,T1,碱性渣,CaO/SiO,2,1,酸性渣,CaO/SiO,2,0.9-1.2,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,P,35,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,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,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,图,3-20 KR,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-N,2,炉外脱硫,第三章 炼 铁,高炉生产的主要技术经济指标,P,39-40,高炉有效容积利用系数,平均水平,1.5-2.0,t/m,3,d,先进水平,3.0,t/m,3,d,焦比,生产,1t,生铁所消耗的焦炭量,一般水平,400-600,kg/t,Fe,先进水平,400,kg/t,Fe,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,第三章 炼 铁,高炉炼铁技术的发展,P,40-41,(,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,P,44,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%-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,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,(CaF,2,),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,炼钢炉渣的基本体系是,CaO-SiO,2,-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/%SiO,2,炉料中含,P,较低,R,%CaO/(%P,2,O,5,+%SiO,2,),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）,P,47,全氧法：,FeO,FeO,十,1.35,Fe,2,0,3,全铁法：,FeO,FeO,十,0.9,Fe,2,0,3,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,P,48,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,P,48,炼钢实际熔池中元素氧化顺序,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：,O,2,+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）,第四章 炼 钢,硅、锰的氧化反应,硅的氧化反应,2(FeO)+Si,(SiO,2,)+2Fe+341224kJ,(SiO,2,)+2(FeO),(2FeOSiO,2,),(2FeOSiO,2,)+2(CaO),(2CaOSiO,2,)+2(FeO),2O+Si,(SiO,2,)+817448kJ,第四章 炼 钢,锰的氧化反应,Mn+(FeO),(MnO)+Fe+123511kJ,Mn+O=(MnO)+361623kJ,(Fe,、,Mn),2,SiO,4,+2CaO,(Ca,2,SiO,4,)+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”,脱磷的基本反应,2P,十,5(FeO),(,P,2,O,5,),十,5Fe,(P,2,O,5,),十,3(FeO)=(3FeOP,2,O,5,),(3FeOP,2,O,5,),十,3(CaO),(3CaOP,2,O,5,),十,3(FeO),或,(3FeOP,2,O,5,),十,4(CaO),(4CaOP,2,O,5,),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),炉渣的脱硫能力,以炉渣和金属中含硫量之比,L,S,=(%S)/%S,表示,L,S,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,P,52,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,P,53,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,P,53-54,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,P,54,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 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,P,58,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,P,60,氧化精炼：脱碳脱磷,还原精炼：脱氧脱硫,平炉炼钢,P,61,各种炼钢方法的比较,P,63,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,P,65,性质,：紫红色,密度,8.89g/cm,3,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,：,7.0,10,-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,第五章 铜冶金,炼铜原料与方法,炼铜原料,资源状况,P,68,表,5-1,铜的矿物,P,68,表,5-2,铜精矿,P,69,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,P,70,图,5-4,。,火法炼铜原则工艺流程,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,SO,2,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,SO,2,烟气对环境的污染,第五章 铜冶金,湿法炼铜,工艺流程,P,71,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：,SiO,2,、,CaO,等；,(3),转炉渣：,SiO,2,（,22-28%,）、,FeO+Fe,2,O,3,(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)Cu,2,S-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,P,73,表,5-4,、,P,75,表,5-6,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,P,72,结论：,熔炼高温下稳定的铜化合物是,Cu,2,S,和,Cu,2,O,，,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,P,67,图,5-2,(2),不同金属对,S,和,O,的亲和力的差别,P,66,图,5-1,、图,5-3,Cu,2,O+FeS=Cu,2,S+FeO,k,1523,=10,9.86,Cu,2,S-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/cm,3,）、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,P,75,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,Cu,2,S,的溶解度低,适当的流动性,铜炉渣的重要特点,粘度高,P,74,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,：,P,78,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,SO,2,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。,P,86,图,5-14,设备简图,作业过程,：,P,86,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,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,/O,2,渣成分控制,控制,Fe/SiO,2,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50,K,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+O,2,=FeO+SO,2,6FeO+O,2,=2Fe,3,O,4,2FeO+SiO,2,=2FeO,SiO,2,吹炼渣,FeO-Fe,2,O,3,-SiO,2,造渣期结束后倒出,造铜期：,Cu,2,S+1.5 O,2,=Cu,2,O+SO,2,Cu,2,S+2 Cu,2,O=6Cu+SO,2,或,Cu,2,S+O,2,=2Cu+SO,2,第五章 铜冶金,吹炼设备,P,89,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（,SiO,2,）,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,SO,2,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,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，,SO,2,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（,100-150,m,）,(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%O,2,），烟气含,SO,2,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,P,90,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,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,SO,2,12%,、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,Cu,2,O-Fe,2,O,3,-CaO,系炉渣，避免,Fe,3,O,4,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,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。,第五章 铜冶金,(,3),连续吹炼，采用,CaO,Cu,2,O,Fe,3,O,4,渣系，渣中,CaO15%,Cu 15,20%,其余为,Fe,3,O,4,，,熔点,1160,，,对,Fe,3,O,4,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,SO,2,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,第五章 铜冶金,方法及原理,氧化,在,1150,0,C,1200,0,C,下，将空气鼓入粗铜液中，发生如下反应：,2Cu+1/2 O,2,=Cu,2,O,Cu,2,O,溶解在铜液中，进一步发生如下反应：,Cu,2,O+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）,As,Sb,Bi,Pb,Cd,Sn,Ni,In,Co,Zn,Fe,第五章 铜冶金,还原,氧化精炼后，铜中,O=0.6,1%,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%,（,P,96,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：,Cu,2e=Cu,2+,=+0.34V,H,2,O,2e=1/2O,2,2H,+,=+1.23V,Cu,e=Cu,+,=+0.51V,Cu,+,e=Cu,2+,=+0.17V,Me,n,e=Me,n+,第五章 铜冶金,阴极,上可能发生反应：,Cu,2+,十,2e,Cu,=+0.34V,2H,+,+2e=H,2,=0V,Me,n+,+n,e=Me,第五章 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=Cu,2+,Cu,2+,/Cu,+,=0.17V,铜的歧化反应：,2 Cu,+,=Cu,2+,+Cu,K=C,Cu,2+,/C,2,Cu,+,Cu,+,的存在一方面会增大,Cu,2+,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,。,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,SbAsO,4,BiAsO,4,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,Cu,2+,10g/l,，,H,+,、,As,、,Bi,、,Sb,将与,Cu,2+,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 H,2,SO,4,180-200g/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/m,2,槽电压,0.20-0.25V,电流效率,=G/qI,N,100%,q=,1.186g/A,h,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,10,3,/q,kW,h/tCu,一般为,230-280,kW,h/tCu,铜,电解生产流程,铜电解精炼生产数据,