硫化矿的造锍熔炼和锍的吹炼课件.ppt
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1、任务十二、,硫化矿的造锍熔炼,和锍的吹炼,冶金原理精品课程,上一章,任务内容,?,一、任务目标,?,二、解决思路,?,三、任务实践,冶金原理精品课程,任务目标,?,造锍熔炼和锍的吹炼的作用,?,造锍熔炼和锍的吹炼是从金属硫化矿提取金属的一,种重要方法,特别是在铜、镍冶金生产过程中更为,典型。其主要步骤包括:,?,造锍熔炼,差别的特性而使其分离。其过程是基于许多的,利用,MeS,与含,SiO2,的炉渣不互溶及密度,能与,FeS,形成低熔点的共晶熔体(工业上一般称为,MeS,冰铜或锍),在液态时能完全互溶并能溶解少量的,MeO,从而提高主体金属的含量,并使主体金属被有效的,的物理化学性质,使熔体和
2、渣能很好地分离,,富集。,冶金原理精品课程,任务目标,?,锍的吹炼,即在,1373K,1573K,的温度下对熔,融状态的锍吹以空气,使其中的硫化物发生,激烈的氧化,产出,SO2,气体和仍然保持熔融,状态的金属或硫化物。,?,理论上,以铜为例,从硫化矿中提取金属有,两种方法,连续炼铜法和包括造锍熔炼、锍,的吹炼分步炼铜法。分步炼铜法又可分为造,低品位冰铜的传统炼铜法和造高品位冰铜的,现代炼铜法。,冶金原理精品课程,任务目标,一)造锍熔炼,用硫化铜精矿生产金属铜是重要的硫化物氧化的工,业过程。由于硫化铜矿一般都是含硫化铁的矿物,,如,CuFeS,利用,变得含铜量愈来愈低,其精矿品位有的低,2,,其
3、矿石品位,随着资源的不断开发,到含铜只有,10%,左右,而含铁量可高达,30%,以上。,如果采用只经过一次熔炼提取金属铜的方法,必,然会产生大量含铜高的炉渣,造成铜的大量损失。,因此,为了尽量避免铜的损失,提高铜的回收率,,工业实践先要经过富集熔炼,与一部分铁及其它脉石等分离。,造锍熔炼,使铜,冶金原理精品课程,任务目标,富集熔炼是利用,MeS,与含,SiO,不互溶及密度差别的特性而使其分离。其过,2,的炉渣,程是基于许多的,MeS,能与,FeS,形成低熔点的,共晶熔体,在液态时能完全互溶并能溶解少,量的,MeO,的物理化学性质,使熔体和渣能很,好地分离,从而提高主体金属的含量,并使,主体金属
4、被有效的富集。,冶金原理精品课程,任务目标,这种,MeS,的共熔体在工业上一般称为,冰铜(硫)。例如铜冰铜的主体为,Cu,2,S,,其,余为,FeS,及其它,MeS,。铅冰铜除含,PbS,外,,还含有,Cu,2,S,、,FeS,等其它,MeS,。又如镍冰铜,(冰镍)为,Ni,3,O,2,FeS,,钴冰铜为,CoS,FeS,等。,冶金原理精品课程,任务目标,二),锍的吹炼过程,在工业生产中铜锍,铜镍锍和镍锍的进一步,处,理,都,是,采,用,吹,炼,过,程,,,即,在,1373K,1573K,的温度下对熔融状态的锍吹以空气,,使其中的硫化物发生激烈的氧化,产出,SO,气体和仍然保持熔融状态的金属或
5、硫化物。,2,冶金原理精品课程,解决思路,一)金属硫化物氧化的吉布斯自由能图,某些金属对硫和氧的稳定性关系也可根据其吉布斯自由能图(图,来判断。金属硫化物的反应,求得:,2MeS+O,4-4,),2,=2MeO+S,2,可按下面两个反应,2Me+O,2,=2MeO,G,(MeO),-)2Me+S,2,=2MeS,G,(MeS),2MeS+O,2,=2MeO+S,2,G,=,G,(MeO),-,G,(MeS),冶金原理精品课程,解决思路,在大多数情况下,由于金属氧化反应的,熵变小,所以它在,G,T,关系图中的直线,几乎是一条水平线,只是铜、铅、镍等例外。,冶金原理精品课程,解决思路,图,4-4,
6、可用来比较,MeS,和,MeO,的稳定性大小,从,而使可以预见,MeS,MeO,之间的复杂平衡关系。例如,,FeS,氧化的,G,比,Cu,2,S,的,G,更负,于是如下反应,向右进行:,Cu,2,O+FeS=Cu,2,S+FeO,这是由于铁对氧的亲和力大于铜对氧的亲和力,因,此铁优先被氧化,所以氧化熔炼发生如下反应:,2Cu,2,S+O,2,=2Cu,2,O+S,2,生成的,Cu,2,O,最终按下式,Cu,2,S,即:,冶金原理精品课程,冶金原理精品课程,解决思路,Cu,2,O,(1),+FeS,(1),=Cu,2,S,(1),+FeO,(1),G,=-146440+19.25T,kJ,kg-
7、1,mol-1,logK=log,a,Cu,2,S,?,a,FeO,a,Cu,2,S,?,a,Fe,时,,K=10,4.2,.,2,S,当,T=1473K,以上计算所得的平衡常数值很大,这说明,Cu,2,O,几乎完全被,硫化进入冰铜。因此,对铜的硫化物原料(如,CuFeS,2,)进,行造硫熔炼时,只要氧化气氛控制得当,且保证有足够的,FeS,存在,就可以使铜完全以,Cu,2,S,的形态进入冰铜。这就,是对硫化物进行氧化富集熔炼(造硫熔炼)的理论基础,。,冶金原理精品课程,解决思路,?,铜锍和铜镍锍中都含有,FeS,,所以吹炼的第一周期,是,FeS,的氧化,并与加入的石英砂(,SiO,2,)结合
8、生,成炉渣分层分离。这就是吹炼脱铁过程。其结果使,铜锍由,xFeS,yCu,xFeS,yCu,zNi,2,S,富集为,Cu,2,S,,而铜镍锍则由,一周期。对于铜镍或镍锍(,2,S,3,S,2,(铜镍高锍)。这是吹炼的第,xFeS,yNi,到获得镍高锍(,Ni,3,S,2,)的吹炼,3,S,2,)为止。,?,对铜锍来说吹炼还有第二周期,即由,Cu,铜)吹炼粗铜的阶段。,2,S,(白冰,冶金原理精品课程,任务实践,一)锍的形成,造锍过程可以说成是几种金属硫化物之间的,互溶过程。当某种金属具有一种以上的硫化,物时,例如,Cu,2,S,、,CuS,、,FeS,2,、,FeS,等,其高,价硫化物在熔化
9、之前首先发生如下的热离解:,铜兰,2CuS=Cu,2,S+1/2S,2,黄铜矿,4CuFeS,2,=2Cu,2,S+4FeS+S,2,冶金原理精品课程,任务实践,黄铁矿,FeS,2,=FeS+1/2S,2,斑铜矿,2Cu,2,FeS,3,=3Cu,2,S+2FeS+1/2S,2,以上热离解所产生的元素硫,遇氧即氧化,成,SO,Cu,2,随炉气逸出。而铁只部分地与结合成,2,S,以外多余的硫(,S,)相结合成,FeS,进入硫,内,其余的铁则以,FeO,形成与脉石造渣。,冶金原理精品课程,任务实践,由,于,铜,对,硫,的,亲,和,力,比,较,大,,,故,在,1473K,1573K,的造硫熔炼的温度
10、下,呈稳,定态的,Cu,2,S,便与,FeS,按下列反应熔合成冰铜:,Cu,2,S+FeS=Cu,2,S,FeS,同时,反应生成的,FeO,与脉石氧化造渣,发,生如下反应:,2FeO+SiO,2,=2FeO,SiO,2,冶金原理精品课程,因此,利用造硫熔炼可使原料中原来呈硫化,物形态的和任何呈氧化形态的铜,几乎全部都以稳,定的,Cu,优先被氧化,所生成的,2,S,形态富集在冰铜中,而部分铁的硫化物,FeO,与脉石造渣。由于硫的,密度较炉渣大,且两者互不溶解,从而达到使之有,效分离的目的。,镍和钴的硫化物和氧化物也具有上述类似的,反应。因此,通过造硫熔炼,便可使欲提取的铜、,镍、钴等金属成为锍这
11、个中间产物而产出。,冶金原理精品课程,任务实践,二),Cu-Fe-S,三元系状态图,熔炼硫化矿所得各种金属的硫是复杂的硫化物共溶,体,基本上是由金属的低价硫化物所组成,其中富集了,所要提取的金属及贵金属。例如铜冰铜中主要是,Cu,2,S,和,FeS,,它们两者所含铜、铁和硫的总和常占冰铜总量的,80%,95%,,所以,Cu,、,Fe,、,S,三种元素可以说是铜冰铜,的基本成分,即,Cu-Fe-S,三元系实际上可以代表冰铜的组,成。通过对该三元系状态图的研究,对铜冰铜的性质、,理论成分、熔点等性质可有较详细的了解。,冶金原理精品课程,Cu-Fe-S,三元系状态图如图,4-5,所示。,由于,Cu-
12、FeS-S,部分的相图在,1473K,1573K,和,1,101325Pa,条件下,对火法炼铜造硫熔,炼没有意义,所以图中只绘出了,Cu-Cu,2,S-,FeS-Fe,的梯形部分。,冶金原理精品课程,任务实践,这个图初看起来线条很多,其中主要,是等温线和液相分层区内不同温度下进行偏,晶反应的两液相分层组成的连线。如果把等,温线和连线去掉,则得如图,4-6,所示对,Cu-,Fe-S,三元系(梯形部分)液相面状态图上的,面、线、点的意义说明如下:,冶金原理精品课程,冶金原理精品课程,任务实践,(,1,)四个液相面区:,CuE,1,PP,1,Cu,面,是,Cu,(,Cu,固溶体),液相面区,,L=C
13、u,固溶体。,FeP,1,pDKE,2,Fe,面,,,是,Fe(Fe,固,溶,体,),的液相面区。,L=Fe,固溶体。,FeSE,2,EE,3,FeS,面,是,FeS(FeS,固,溶体,),的液相面区,,L=FeS,固溶体。,FeS,是构,成,Cu-Fe-S,三元系的,Fe-s,二元系生成的二元,化合物。,冶金原理精品课程,任务实践,(,1,+,2,),Cu,2,SEFfCu,2,S,及,E1PddE1,面,是,Cu,2,S(Cu,2,S,固,溶体,),的液相面区。因被液相分层区所截,故分为两个部分。,Cu,二元系生成的二元化合物。,2,S,是,构成,Cu-Fe-S,系的,Cu-S,(,2,)
14、两个液相分层区:即,dDKFfd,面区,它由,V,1,与,V,2,两部分组成:,V,1,-dDFfd,面区,是析出,Cu,2,S,固溶体的初晶区,为,L,1,=L,溶体,两液相组成由,fF,及,dD,线上两对应点表示。,2,+Cu,2,S,固,V,2,DKFD,面区,是析出,FeS,固溶体初晶区,为,L,KF,及,KD,线上两对应点表示。,1,=L,2,+FeS,固溶,体,来年感液相组成由,(,3,)四条二元共晶液相线:,冶金原理精品课程,任务实践,E,1,P,线,,Cu,固溶体与,Cu,2,S,固溶体共同析出;,E,2,E,线,,Fe,固溶体与,FeS,固溶体共同析出;,E,3,E,线,,C
15、u,2,S,固溶体与,FeS,固溶体共同析出;,Fe,及,DP,线,都是,Cu,2,S,固溶体与,Fe,固溶体共同析出,因被,液相分层区所截,故分为两部分。,(,4,)一条二元包晶液相线:,P,1,P,线,产生包晶反应,L+Fe(,固,溶体,=Cu,(固溶体),这是三相包晶反应。,冶金原理精品课程,任务实践,(,5,)两个四相平衡不变点:,E,为三元共晶点,共晶温度为,1188K,(靠近,FeS-Cu,2,S,连,线,的,E,3,处,),,,LE=Cu,(固溶体)。,2,S,(,固,溶,体),+FeS,(固溶体),+Fe,P,为三元包晶点,析出温度为,1358K,(靠近,Cu,角处),,Lp+
16、Fe(,固溶体,)=Cu(,固溶体,)+Cu,2,S,(固,溶体)。,图中,E,点、,P,点、液相分层区,dDKFf,是此图的,特征标志。因为它们说明了相图上有三元共晶反应,,三元包晶反应以及液相分层现象存在。,冶金原理精品课程,任务实践,从以上状态图的介绍可知,液体冰铜基,本上是由均匀液相组成的,其中主要是,Cu,Fe,和,S,。一般冰铜中硫的含量较按,Cu,FeS,计算的化学量为少,因此不能把冰铜,2,S,和,视为,Cu,2,S,和,FeS,的混合物。如果冰铜中的硫,含量降低,则溶体可能进入三元系的分层区,,并随冰铜组成的不同析出富铁的新相。,冶金原理精品课程,任务实践,三),Cu-Fe-
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