有色金属火法冶炼

摘要：有色金属种类繁多，冶炼的方法也是多种多样，主要分为火法冶炼、湿法提取和电化学沉积，本文主要根据近年来冶炼工艺技术的发展，重点介绍有色金属的火法冶炼。

关键词：有色金属；火法冶炼

中图分类号： P618.4 文献标识码： A

近年来，有色重金属与轻金属的火法冶炼工艺技术得到了很大的发展，本文介绍了火法冶炼的特点及其工艺流程，并通过对铜的火法冶炼的分析，对有色金属的火法冶炼进行探讨。

一、有色金属火法冶炼的特点

有色金属通常指除去铁和铁基合金以外的所有金属，可以分为重金属、轻金属、贵金属及稀有金属。在有色重金属的火法冶炼中，所采用的矿石多为铜、铅、锌、锡等硫化物矿，因此与钢铁工业相比，在冶炼中产生的气体和冶炼中遇到的熔体都有很大差异。

在火法冶炼中，由于含硫量较大，在冶炼炉气的气氛中含有大量硫化气体，而产生的熔体不仅含有金属熔体和氧化物熔渣，还有硫化物熔体如冰铜等。虽然冶炼时的温度和钢铁冶炼相比较低，但火法冶炼中的熔体的熔化温度却比钢铁冶炼中遇到的熔体低得多，而且流动性很好，极易渗入到耐火材料内。火法冶炼中产生的熔渣多为FeO-SiO2渣系，而且渣量比较大，渣的侵蚀也非常严重。

二、火法冶炼的工艺流程

火法冶炼是把矿石和必要的添加物放在炉中加热，熔化为液体生成所需的化学反应，通过还原-氧化反应，利用高温从矿石中提取金属或其化合物。因为在冶炼过程中没有水溶液的参与，又被称为干法冶金。火法冶金主要应用于钢铁生产、有色金属造锍溶炼和熔盐电解以及铁合金生产等，是最古老但在现代工业中应用规模最大的金属冶炼方法。

火法冶炼的工艺流程可以分为矿石准备、冶炼、精炼3个步骤：

1、矿石的准备

通过选矿得到细粒的精矿后，先在冶炼要使用的鼓风炉内加入冶金熔剂，使之能与矿石中所含的脉石氧化物、有害杂质氧化物发生作用，对鼓风炉加热至低于炉料的熔点使溶剂烧结成块，或是添加粘合剂使之压制成型，也可以滚成小球再烧结成球团或加水混捏。完成这些工作之后，可以将细粒精矿加入炉中进行冶炼。

通过在空气中对硫化物精矿的焙烧，可以除去矿石中的硫和易挥发的杂质，使之转变成金属氧化物，进行之后的还原冶炼。通过焙烧可以使硫化物成为硫酸盐，再用湿法浸取。进行局部的除硫，使其在之后的造锍熔炼中能够形成熔锍。

2、冶炼

通过冶炼，会形成由熔剂、脉石和燃料灰分融合形成的炉渣和熔锍，其中熔锍是有色重金属的硫化物与铁的硫化物的共熔体，此外还有含有少量杂质的金属液。在进行冶炼时，有三种冶炼方式，分为别还原冶炼、氧化吹炼和造锍熔炼。

还原冶炼是在还原气氛下的鼓风炉内进行，在炉中进行冶炼的材料除了富矿、烧结块或球团之外，还要加入石灰石或石英石等熔剂以便造渣，另外还要加入焦炭作为发热剂，通过其产生高温并作为还原剂使用。这种冶炼方式可以将铁矿还原为生铁，将氧化铜矿还原为粗铜，将硫化铅精矿的烧结块还原为粗铅。

氧化吹炼是在氧化气氛下进行的，通过对生铁采用转炉并吹入氧气，从而通过氧化除去铁水中的硅锰碳磷等，最终炼成合格的钢水以铸成钢锭。

造锍熔炼一般是在鼓风炉、反射炉或者矿热电炉中进行，主要应用于处理硫化镍矿或者硫化铜矿。通过对炉中加入酸性石英石熔剂，使之与氧化生成的氧化亚铁和脉石造渣，在熔渣之下形成一层熔锍。在造锍熔炼的冶炼方式中，其中有一部分铁会和硫一同被氧化，但通过熔炼可以使杂质造渣，从而提高熔锍中主要金属的含量，起到化学富集的作用。

3、精炼

是对在经过冶炼之后得到的含有少量杂质的金属进一步的处理，以提高其纯度。例如对粗铜是在精炼反射炉内进行氧化精炼，铸成阳极以进行电解精炼；炼钢就是对生铁的精炼，在炼钢过程中脱氧去气，除去非金属的夹杂物，或者是进一步的脱硫；对粗铅是采用氧化精炼除去所含的锡铁砷锑等，除此之外，还以用特殊的方法如派克司法等来回收粗铅中所含的金银。如果是高纯金属，可以用区域熔炼的方法进行提炼。

三、以铜为例分析有色金属的火法冶炼

铜的火法冶炼主要是通过利用某些杂质的性质，因为这些杂质对氧的亲和力大于铜，而其氧化物又不熔于铜液，因此可以通过氧化造渣或者是挥发的方式除去。其冶炼的过程是把固态铜料加入炉内熔化或者将液态铜加入精炼炉升温，然后向铜液中鼓风使之氧化，将杂质挥发造渣，之后扒出炉渣，再向铜液注入石油气、重油或氨来还原其中的氧化铜。在还原的过程中，可以用木炭或焦炭来覆盖铜液的表面，以防止铜液的再氧化。

在精炼之后可以铸成电解精炼所用的铜阳极或铜锭，熔融冶炼和电解精火炼生产出的阴极铜，可以适用于高品位的硫化铜矿。在反射炉或回转精炼炉内进行精炼作业，对含铜较高的精炼铜渣进行返回转炉的处理。通过火法精炼得到的产品叫做火精铜，一般的含铜量在99.5％以上，还含有金、银等贵金属和少量的杂质，通常需要再进行电解精炼。如果金、银和有害杂质的含量很少，就可以直接的铸成商品铜锭。

粗铜的火法精炼主要由两个操作环节构成，即鼓风氧化和重油还原。氧化过程决定了铜中有害杂质除去的程度，而还原过程则决定了铜中氧的排除程度。

1.氧化过程

由于粗铜的含铜量在98%以上，所以在氧化过程中，首先要进行是铜的氧化，其反应的化学式为：

4Cu+O2=2Cu2O

该反应生成的Cu2O可以溶解于铜液，在操作温度1373—1523K的条件下，可以和铜中的杂质金属Me发生反应，其化学式为：

Cu2O+Me=2Cu+MeO

反应平衡常数为：      K=[MeO]*[Cu]/[Cu2O]*[Me]

因为MeO在铜里的溶解度小，很容易形成饱和，而铜的浓度很大，杂质在氧化时几乎不会发生变化，因此都可以视为常数，所以上面的公式也可以写成：

K*=[Me]/[Cu2O]

由此可见，Cu2O的浓度越大，杂质金属Me的浓度就越小。因此，为了能够迅速完全地除去铜中的杂质，必须使铜液中Cu2O的浓度达到饱和。通过升高温度的方式可以增加铜液中Cu2O的浓度，但要是温度太高的话会增加燃料的消耗，也会延长下一步的还原时间，所以应当将氧化期间的温度控制在1373~1423K，此时Cu2O的饱和浓度为6%—8%最为适宜。

在氧化除杂质时，为了减少铜的损失，并且提高过程效率，经常会加入各种的溶剂如石灰、石英砂等，使各种杂质反应生成硅酸铅、砷酸钙等，通过造渣将其除去。在氧化精炼的最后再进行脱硫，因为当有其他对氧亲和力大的金属存在时，铜的硫化物不易被氧化；而一旦氧化除杂质金属结束，立即就会发生剧烈的相互反应而放出SO2，如下所示：

CuS+2Cu2O=6Cu+SO2

这时可以看到铜水出现了沸腾现象，被称为“铜雨”。在除硫结束之后就可以开始进行还原操作。 

2.还原过程

还原过程主要是还原Cu2O，采用天然气、重油和液化石油气等作为还原剂，并依靠重油分解产出的H2、CO等使Cu2O还原，其反应化学式为：

Cu2O+H2=2Cu+H2O

Cu2O+CO=2Cu+H2O

Cu2O+C=2Cu+CO

4Cu2O+CH4=8Cu+CO2+2H2O

对于还原过程中的终点控制十分重要，一般以达到铜中含氧量0.03—0.05%为限，如果还原不足，就不能产生足够量的水蒸气，不能抵消铜冷凝时的体积收缩部分，从而降低了阳极板物理规格；如果超过此限度，在铜液中的氢气溶解量会急剧的增加，并在浇铸铜阳极时析出，使阳极板多孔，这两种情况都会产生不利的影响。

随着科学技术的日益发展，有色金属的冶炼技术也在不断的改进，对于火法冶炼的方法理论也在不断的完善。本文介绍了火法冶炼的特点及操作流程，并以铜的火法冶炼为例加以分析，对当前火法冶炼的技术进行了相关的探讨。在科技的不断创新下，可以通过实践研究，对有色金属的冶炼技术进行完善，不断地提高金属冶炼的技术水平。

参考文献：

[1]李春德主编.铁合金冶金学[M].冶金工业出版社,1991

[2]戈学忠.火法炼铜技术进展[J].世界有色金属.1994(07)

[3]陈肇友.有色金属冶炼炉用耐火材料及其发展[J].河南冶金.1998(04)