熔煉主要是造锍熔煉,其目的是使銅精礦或焙燒礦中的部分鐵氧化,并與脈石、熔劑等造渣除去,產(chǎn)出含銅較高的冰銅(xCu2S·yFeS)。冰銅中銅、鐵、硫的總量常占80%~90%,爐料中的貴金屬,幾乎全部進(jìn)入冰銅。
造锍熔煉的傳統(tǒng)設(shè)備為鼓風(fēng)爐、反射爐、電爐等,新建的現(xiàn)代化大型煉銅廠多采用閃速爐。鼓風(fēng)爐熔煉 鼓風(fēng)爐是豎式爐,小國很早就用它直接煉銅。傳統(tǒng)的方法為燒結(jié)塊鼓風(fēng)爐熔煉。硫化銅精礦先經(jīng)燒結(jié)焙燒脫去部分硫,制成燒結(jié)塊,與熔劑、焦炭等按批料呈層狀加入爐內(nèi),熔煉產(chǎn)出冰銅和棄渣,此法煙氣含SO2低,不易經(jīng)濟地回收硫。為消除煙害,回收精礦中的硫,20世紀(jì)50年代,發(fā)展了精礦鼓風(fēng)爐熔煉法,即將硫化銅精礦混捏成膏狀,再配以部分塊料、熔劑、焦炭等分批從爐頂中心加料口加入爐內(nèi),形成料封,減少漏氣,提高SO2濃度?;炷罅显跔t內(nèi)經(jīng)熱煙氣干燥、焙燒形成燒結(jié)料柱,塊狀物料也呈柱狀環(huán)繞在燒結(jié)料柱的周圍,以保持透氣性,使熔煉作業(yè)正常進(jìn)行。
冰銅含銅量取決于精礦品位和焙燒熔煉過程的脫硫率,世界冰銅品位一般含銅40%~55%。生產(chǎn)高品位冰銅,可更多地利用硫化物反應(yīng)熱,還可縮短下一工序的吹煉時間。熔煉爐渣含銅與冰銅品位有關(guān),棄渣含銅一般在0.4%~0.5%。熔煉過程主要反應(yīng)為:
2CuFeS2→Cu2S+2FeS+S
Cu2O+FeS→Cu2S+FeO
2FeS+3O2+SiO2→2FeO·SiO2+2SO2
2FeO+SiO2→2FeO·SiO2
反射爐為長方形,用優(yōu)質(zhì)耐火材料砌筑。燃燒器設(shè)在爐頭部,煙氣從爐尾排出,爐料由爐頂或側(cè)墻上部加入,冰銅從側(cè)墻底部的冰銅口放出,爐渣從側(cè)墻或端墻下的放渣口排出。爐頭溫度1500℃~1550℃,爐尾溫度1250℃~1300℃,出爐煙氣1200℃左右。熔煉焙燒礦時,燃料率10%~15%,床能率3~6t/(m2·日)。銅精礦直接入爐,燃料率16%~25%,床能率為2~4t/(m2·日),稱生精礦熔煉。
反射爐熔煉 適于處理浮選的粉狀精礦反射爐熔煉過程脫硫率低,僅20%~30%,適于處理含銅品位較高的精礦。如原料含銅低、含硫高,熔煉前要先進(jìn)行焙燒。反射爐生產(chǎn)規(guī)模可大型化,對原料,燃料的適應(yīng)性強,長期來一直是煉銅的主要設(shè)備,70年代時各國都在研究改進(jìn)反射爐熔煉,有的采用氧氣噴撒裝置將精礦噴入爐內(nèi),加強密封,以提高SO2濃度。中國白銀公司第一冶煉廠將銅精礦加到反射爐中的熔體內(nèi),鼓風(fēng)熔煉,提高了熔煉強度,煙氣可用于制取硫酸。至80年代初左右全世界保有的反射爐能力仍居煉銅設(shè)備的首位。箱式電爐、但反射爐煙氣量大且含SO2僅1%左右回收非常困難。反射爐的熱效率僅25%~30%,熔煉過程的反應(yīng)熱利用較少,所需熱量主要靠外加燃料供給。
電爐熔煉 煉銅采用電阻電弧爐即礦熱電爐,對物料的適應(yīng)性非常廣泛,一般多用于電價低廉的地區(qū)和處理含難熔脈石較多的精礦。電爐熔煉的煙氣量較少,若控制適當(dāng),煙氣中SO2濃度可達(dá)5%左右,有利于硫的回收。
銅熔煉電爐多為長方形,少數(shù)為圓形。大型電爐一般長30 m~35m,寬8 m~10m,高4 m~5m,采用六根直徑為1.2 m~1.8m的自焙電極,由三臺單相變壓器供電。電爐視在功率3000~50000千伏安,單位爐床面積功率100kw/m2左右,床能率3~6t/(m2·日),爐料電耗400~500kw·h/t,電極糊消耗約2~3kg/t。
閃速熔煉是將硫化銅精礦和熔劑的混合料干燥至含水0.3%以下,與熱風(fēng)(或氧氣、或富氧空氣)混合,噴入爐內(nèi)迅速氧化和熔化,生成冰銅和爐渣。其優(yōu)點是電爐熔煉強度高,可較充分地利用硫化物氧化反應(yīng)熱。降低熔煉過程的能耗。管式爐閃速熔煉可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冰銅品位,一般控制在50%左右,這樣對下一步吹煉有利。但爐渣含銅較高,須進(jìn)一步處理。
煙氣中SO2濃度可超過8%之多。
冰銅吹煉 利用硫化亞鐵比硫化亞銅易于氧化的特點,在臥式轉(zhuǎn)爐中,往熔融的冰銅中鼓入空氣,使硫化亞鐵氧化成氧化亞鐵,并與加入的石英熔劑造渣除去,同時部分脫除其他雜質(zhì),而后繼續(xù)鼓風(fēng),使硫化亞銅中的硫氧化進(jìn)入煙氣,得到含銅98%~99%的粗銅,貴金屬也進(jìn)入粗銅中。
冰銅吹煉是放熱反應(yīng),可自熱進(jìn)行,通常還須加入部分冷料吸收其過剩熱量。吹煉后的爐渣含銅較高,一般為2%~5%,返回熔煉爐或以選礦、箱式電爐貧化等方法處理。吹煉煙氣含SO2濃度較高,一般為8%~12%,可以制酸。吹煉一般用臥式轉(zhuǎn)爐,間斷操作。表壓約1kgf/cm2的空氣通過沿轉(zhuǎn)爐長度方向安設(shè)的一排風(fēng)眼鼓入熔體,加料、排渣、出銅和排煙都經(jīng)過爐體上的爐口。
粗銅精煉分火法精煉和電解精煉火法精煉是利用某些雜質(zhì)對氧的親和力大于銅,而其氧化物又不溶于銅液等性質(zhì),通過氧化造渣或揮發(fā)除去。還原過程中用木炭或焦炭覆蓋銅液表面,以防止再氧化。精煉后可鑄成電解精煉所用的銅陽極或銅錠其過程是將液態(tài)銅加入精煉爐升溫或固態(tài)銅料加入爐內(nèi)熔化,然后向銅液中鼓風(fēng)氧化,使雜質(zhì)揮發(fā)、造渣扒出爐渣后,用插入青木或向銅液注入重油、石油氣或氨等方法還原其中的氧化銅。精煉爐渣含銅較高,可返回轉(zhuǎn)爐處理精煉作業(yè)在反射爐或回轉(zhuǎn)精煉爐內(nèi)進(jìn)行。
一個吹煉周期分為兩個階段:第一階段,將FeS氧化成FeO,造渣除去,得到白冰銅(Cu2S)。冶煉溫度1150℃~1250℃。主要反應(yīng)是:
2FeS+3O2→2FeO+2SO2
2FeO+SiO2→2FeO·SiO2
冶煉溫度1200℃~1280℃將白冰銅按以下反應(yīng)吹煉成粗銅:
2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2
Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2