火法炼铜

火法炼铜

铜位于元素周期表第四周期IB 族，是人类最早使用的金属。铜具有优异的性能，易于加工和广泛的用途，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。

在地壳中铜含量约0.01%，自然界中的铜多以化合物存在，铜冶金中所用的是两种不同类型的矿石——氧化矿和硫化矿。硫化矿物：黄铜矿（CuFeS 2）、斑铜矿（Cu 3FeS 2）、辉铜矿（Cu 2S ）、铜蓝（CuS ）等；氧化矿物有：孔雀石（CuCO 3·Cu(OH)2）、硅孔雀石（CuSiO 3·2H 2O ）、赤铜矿（Cu 2O ）、胆矾（CuSO 4·5H 2O ）等。

火法炼铜是当今生产铜的主要方法，铜矿石（ω(Cu)=0.5%-2%）经过采矿、选矿得到含铜品位较高的铜精矿（ω(Cu)=20%-30%），然后送冶炼厂炼铜。火法炼铜工艺流程一般有①造锍熔炼得到冰铜（ω(Cu)=30%-50%）；②转炉吹炼得到粗铜（ω(Cu)=98.5%-99.5%）；③火法精炼得到阳极铜（ω(Cu)=99%-99.8%）；④电解精炼得到阴极铜（ω(Cu)=99.95%-99.997%）。

一、 造锍熔炼

造锍熔炼是在高温和氧化气氛条件下将硫化铜精矿熔化生成MeS 共熔体的方法，即将精矿中的铜富集于冰铜中，而大部分铁的氧化物与加入的溶剂造渣，也称冰铜熔炼。

造锍熔炼的目的是：（1）使炉料中的铜尽可能进入冰铜（Cu 2S+FeS 熔体，也称锍），部分铁以FeS 形式也进入冰铜；（2）使大部分铁氧化成FeO 与脉石矿物造渣（SiO 2，FeO ，CaO ，MgO ， Al 2O 3）；（3）使冰铜与炉渣分离。

造锍熔炼基本原理：

造锍熔炼所用的炉料主要是硫化铜精矿和含铜的返料，除含有Cu 、Fe 、S 等元素外，还有一定量的脉石成分。需要先进行氧化焙烧，脱去部分硫然后熔炼，才能获得要求品位的冰铜。

高温下，铜对硫的亲和力大于铁；而铁对氧的亲和力大于铜。能按以下反应使铜硫化：

22()()()()FeS l Cu O l FeO l Cu S l +→+ （1）

反应自由能： T G 6.4350000+-=∆ （2） 平衡常数： FeS O Cu FeO S Cu K αααα⋅⋅=22 （3）

又 T

G K 576.4lg 0

∆-= （4） 在熔炼温度1200℃下， 可计算得K=104.2，平衡常数非常大。说明Cu 2O 几乎完全被FeS 硫化。 实践证明，不论铜的氧化物成什么形态，反应都能进行。铜硫化物原料造锍熔炼时，只要氧化气氛控制得当，保证有足够的FeS 存在，就可使铜以Cu 2S 形态进入冰铜。

造琉炼铜过程的化学反应:

1．热分解反应

①高价硫化物的热分解：

2Cu 3FeS 3→3Cu 2S+2FeS+1/2S 2

FeS 2→FeS+1/2S 2

2CuS →Cu 2S+1/2S 2

反应分解所得的Cu 2S 、FeS 高温下稳定，不再进行分解。

②高价氧化物的分解：

2CuO →Cu 2O+1/2O 2

3Fe 2O 3→2Fe 3O 4+1/2O 2

③碳酸盐的分解

CaCO 3→CaO+CO 2

MgCO 3→MgO+CO 2

硫蒸汽最终被氧化成SO 2，与CO 2一起进入烟气。

2.氧化反应

①高价硫化物的氧化：

2CuFeS 3+5/2O 2→Cu 2S+FeS+FeO+2SO 2

2CuS+O 2→Cu 2S+SO 2

FeS 2+5O 2→FeO+2SO 2

②低价硫化物的氧化：

FeS+3/2O 2→FeO+SO 2

3FeS+5O 2→Fe 3O 4+3SO 2

ZnS+3/2O 2→ZnO+SO 2

PbS+3/2O 2→PbO+SO 2

Cu 2S+3/2O 2→Cu 2O+SO 2

炉料中的主要成分是FeS 和Cu 2S ，FeS 先氧化，Cu 2S 后氧化，从而为冰铜熔炼提供了基础性条件。

3.交互反应

热分解和氧化反应的产物及炉料中的SiO 2相互接触而相互反应。

Cu2O+FeS→Cu2S+FeO

2Cu2O+Cu2S→6Cu+SO2

4.造渣反应

2FeO+SiO2→2FeO·SiO2

3Fe3O4+FeS+5SiO2→5(2FeO·SiO2)+SO2

造琉炼铜可以使矿物中任何形态的铜化合物，几乎完全以稳定的Cu2S形式富集在冰铜中。冰铜密度比炉渣大，且两者不互溶，从而分离。得到的冰铜进一步进行转炉吹炼。

二、冰铜的转炉吹炼

冰铜是Cu-Fe-S体系，主要成分是Cu2S和FeS，此外，还有少量的PbS、ZnS、Ni3S2、Fe3O4等。

吹炼的目的：通过氧化除去冰铜中的Fe和S以及部分其他有害杂质，从而将冰铜转变成粗铜。

吹炼是周期性作业：造渣期——FeS强烈氧化生成FeO，并放出SO2气体，冰铜（Cu2S和FeS等）变成白冰铜（Cu2S）；造铜期——Cu2S氧化成CuO，并与为氧化的Cu2S反应生成金属Cu和SO2。

1.造渣反应

这个阶段将冰铜（Cu2S和FeS等）变成白冰铜（Cu2S）。

首先将FeS氧化造渣并放出大量热

2FeS+3O2→2FeO+2SO2

2FeO+ SiO2→2FeO·SiO2

FeO还会被氧化成Fe3O4进而造渣：

6FeO+O2→2Fe3O4

3Fe3O4+FeS+5SiO2→5(2FeO·SiO2)+SO2

2.造铜反应

造渣反应阶段除渣后，得到白冰铜，进一步吹炼得到粗铜：

2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2

Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2

经冰铜转炉吹炼得到的粗铜还含有其它的少量杂质元素，如Fe、Pb、Zn、Ni、As、Sb、S、Au、Ag等，因此，需进一步进行火法精炼，制成阳极铜以便电解。

三、粗铜的火法精炼

火法精炼原理：粗铜中多数杂质对O的亲和力大于Cu对O的亲和力，而且，杂质氧化物在Cu中的溶解度非常小，因此，杂质以氧化物炉渣的形