三。熔融熔炼是指炉料在高温(1300-1600K)炉内发生一定的物理化学变化，产生粗金属或金属富集物和炉渣的冶金过程。此外还有炉料精矿、焙砂、烧结矿等。，有时需要加入熔剂使炉料易于熔化，加入还原剂进行某种反应。另外，为了提供必要的温度，往往需要添加燃料进行燃烧，给人空气或富氧空气。由于与熔渣的低互溶性和密度差，粗金属或金属富集物被分层分离。富集物有冰铜、黄渣等。需要进一步吹制或用其他方法处理以获得金属。本质上可以分为氧化熔炼和还原熔炼。此外，还有其他熔炼方法，如还原硫化熔炼、挥发熔炼、沉淀法、反应熔炼等，由于各种原因没有广泛使用。(1)氧化熔炼是以氧化反应为基础的熔炼工艺，如硫化铜和镍矿原料的冰铜熔炼、冰铜吹炼、硫化锑精矿的鼓风炉熔炼等。熔炼过程中的主要反应有:MeS(s，L)+O2 (G) = = = Me (L)+SO2 (G) MES (S，L)+1.5 O2(G)= = MEO(S，L，G)+SO2(G)[Me ' S](L)+(MEO)(L)= = =[MeS](L)+[Me ' o](L)式中，Me '代表金属，[]代表主金属熔体，()代表炉渣。氧化熔炼是一个富集分离的过程，如硫化铜镍精矿。在冶炼过程中，铜和镍富集成冰铜，同时被氧化、除渣，与杂质金属(如铁)和脉石一起分离。熔炼按使用的设备分为高炉熔炼、反射炉熔炼和电炉熔炼；根据工艺特点可分为闪速熔炼、熔池熔炼、涡流熔炼、富氧熔炼、热风熔炼和自热熔炼。1.闪速熔炼。这是一种将硫化物精矿(铜镍精矿)、熔剂、氧气或富氧空气体或预热空气体喷入炽热的反应塔中，使炉料在漂浮状态下迅速氧化熔化的冶炼方法。冶炼过程中的氧化反应与传统工艺没有实质性区别，但通过改进冶炼设备和工艺，改善了硫化精矿氧化的动力学条件，达到强化冶炼的目的。闪速熔炼的优点是:①微细颗粒悬浮在湍流中，气固液三相传质传热条件好，化学反应速度快；(2)人喷的细干精矿表面积大，硫化物的氧化反应速率随接触面积的增加而显著增加；③反应速度快，单位时间释放的热量多，使燃料消耗减少，从而减少燃料燃烧产生的废气量，结果烟气中SO2含量增加，为烟气综合利用创造了条件。闪速熔炼类型有:Outokumpu型、国际镍公司Inco型、Kivcet法、氧喷熔炼(OSS)法等。2.在熔池中熔化。这是一种强化熔炼法，将炉料直接加入吹搅的熔池中，快速完成气、液、固三相之间的主要反应。该方法适用于有色金属原料的熔炼、硫化、氧化、还原、造锍、烟化等冶金过程。【接下来】为了追根溯源，这种方法可以追溯到19世纪末20世纪初吹炼铜锍和高炉渣的烟化炉。但它们只植根于反射炉、电炉或高炉处理得到的液态中间产品(冰铜和炉渣)。直到20世纪70年代以后，硫化物精矿才被直接用这种方法处理。属于这一方法范畴的现代熔池熔炼新方法有:诺兰达法(1973年)、三菱法(1974年)、泰尼斯特法(1977年)、银铜熔炼法(1980年)、氧气底吹炼铅法(1981年)、胡涅科夫熔炼法(1984年)和顶吹转炉法(TBRC)。这些方法主要用于铜(镍)精矿的锍熔炼、铜(镍)锍吹炼、硫化物精矿的直接熔炼(包括连续炼铜和直接炼铅)、氧化物料和含铅锌的炉渣的还原和烟化。根据反应气体吹入熔体的方式，可分为侧吹、顶吹和底吹三种熔池熔炼方法。(1)侧吹将富氧空气体从布置在侧壁并埋在熔池中的风口直接吹入熔融铜锍渣中，未干燥的精矿和熔剂加入到被鼓风强烈搅拌的熔池表面，然后浸入熔体中完成氧化和熔化反应。铜冶炼方法有诺兰达法、瓦纽科夫法、特尼恩特法和银冶炼法。(2)顶吹从炉顶向炉内插入喷枪，喷枪出口距熔池液面一定高度或浸入熔体中。根据冶金反应的需要，注入氧化或还原气体，在湍流熔池中完成氧化或还原反应。熔炼铜、镍、铅的方法，如三菱法、顶吹旋转转炉法、Isa熔炼法等，都属于这一类。(3)底吹氧气底吹炼铅法采用卧式长圆筒形反应器，在被隔墙隔开的氧化段和还原段布置多个底吹喷嘴。向氧化段注入氧气，将硫化铅精矿氧化成金属铅或高铅(锌)渣；氧气和还原剂(粉煤或天然气)被注入粗还原段，以稀释炉渣并回收铅和锌。3.涡流熔炼这是一种细粒炉料和粉状燃料随着高速气流沿涡流室的切线方向进入人体内，主要冶金反应在涡流室内的旋流中迅速完成的熔炼方法。炉料与气体反应速度快，是一种能强化冶金过程的冶炼方法。其生产能力远大于常规高炉冶炼。过程如下:将处理后的物料用一次风(20-40 m3/s)喷入涡流室，二次风(100m3/s)沿涡流室的切线方向喷入，产生高速旋转气流，使细粒物料快速完成焙烧熔化反应；粗颗粒被离心力加速到炉壁，形成熔融的粘膜，慢慢向下流到沉淀池。粘膜的缓慢流动不仅延长了炉料的停留时间，有助于完成反应，还起到保护炉壁的作用。4.热风熔炼这是一种将预热空气体或预热富氧空气体吹入冶金炉中强化冶金过程的熔炼方法。在有色金属冶炼过程中，大多依靠燃料燃烧和硫化物氧化反应提供热量，从而维持一定的高温，使炉料熔化，完成预定的氧化或还原反应，实现金属或金属富集与脉石的分离。因为，首先，热风显热可以替代部分燃料燃烧产生的热量，降低燃料消耗，减少助燃空气量，减少单位金属烟气量和烟气造成的热量损失，提高热量利用率，降低燃料消耗。其次，热空气提高了燃料和反应物的活性，有利于提高燃料的燃烧温度和完全性，以及硫化物氧化和氧化物还原的反应速度和还原程度，从而强化冶炼过程，提高金属回收率。又是热风可以集中熔炼炉的高温，加快炉料的熔化速度，提高炉渣的过热程度。【下一篇】预热鼓风用于高炉炼铁已有一个多世纪的历史。然而，热空气在有色金属冶炼中的应用只是在20世纪中期。目前已广泛应用于铜、镍的闪速熔炼，高炉冶炼锌、铅。5.富氧熔炼这是一种用工业氧气部分或全部替代空气体强化冶金过程的熔炼方法。20世纪，由于高效廉价的制氧方法的发展，氧气炼钢和富氧炼铁得到广泛应用。同时，在有色金属冶炼中利用富氧开发新的冶炼方法，改造传统的冶炼方法。有色金属冶炼过程中硫化矿的氧化反应为2mes+3o2 → 2meo+2so2(氧化熔炼)[FeS]+(MEO) → [MES] +(FeO)(锍熔炼)[MES]+O2 → [ME]+SO2(直接熔炼)[MES]+2 (MEO) → 3 [ME]+SO2(锍吹炼)然而硫化矿冶炼获得金属的过程自始至终都是一个氧化过程。冶炼鼓风中氧气浓度越高，炉内氧气分压越高，氧气扩散速度越快，硫化矿氧化速度也越快。氧化矿石或氧化物料的还原熔炼多采用固体碳质燃料作为发热剂和还原剂，主要反应为:c+O2 → CO2(碳的完全燃烧)c+CO2 → 2co(碳的氧化反应)MEO+co → me decaCO2。根据燃料燃烧理论，最高温度随鼓风中氧含量的增加而升高，燃烧速度加快，气相中一氧化碳的分压和炉内温度升高，从而加速还原反应和炉料的熔化。1952年，加拿大国际镍公司(Inco)首次使用工业氧气(含95%氧气)闪速熔炼铜精矿。冶炼过程中不添加燃料，烟气中SO2浓度可达80%，是最早的富氧冶炼实例。随后的Outakumpu闪速炉以及随后发展起来的熔池熔炼法，如诺兰达法、三菱法、银铜熔炼法、氧气底吹炼铅法等，都应用富氧进行熔炼。根据经济分析，只要(单位质量)油/(单位质量)氧的价格≥4，用氧代替油在经济上是可行的。6.硫化物精矿的自热熔炼。这是一种主要靠精矿中硫化物氧化和氧化亚铁造渣的反应热维持高温冶炼过程的冶炼方法。因为不需要添加或添加很少的燃料，所以称为自热熔炼。这里所说的自热熔炼，并不是早年处理含硫量不低于36%的黄铁矿型含铜块矿，而是在熔炼本身加入2%-4%的焦炭，而是有了新的意义。由于制氧技术和喷射冶金的发展以及能源的短缺，充分利用氧化反应、造渣反应和精矿富氧的热量进行喷射熔炼，通过强化熔炼减少热量损失，实现自热熔炼。【下一步】实践证明，用闪速熔炼炼铜时，用40%富氧和473K热风熔炼，产出65%的铜锍，则可进行自热熔炼。自热熔炼不仅可以降低熔炼过程的能耗，还可以减少烟气量，提高烟气中SO2的浓度，有利于减少环境污染。自热熔炼应该是未来的主要发展方向。(二)还原熔炼这是一种在高温熔炼炉的还原气氛中将金属氧化物材料还原成熔融金属的熔炼方法。还原熔炼使用碳质还原剂，如煤和焦炭。碳质还原剂与金属氧化物在高温下的主要反应为:MEO+C = = = ME+CO = = = ME+CO2。CO2+C = = = 2co由于MeO和C的反应是固相接触，受接触面的限制，反应不能很好的进行。一氧化碳气体还原剂在金属氧化物的还原中起主要作用。因此，必须加入过量的还原剂，以确保MeO和CO反应产生的CO2在高温下被过量的碳还原成CO。因此，为氧化物还原连续提供足够的气体还原剂。冶炼物料中除主金属氧化物外，往往还含有多种次生金属氧化物，它们在还原冶炼过程中也被还原成金属，熔化在主金属中，所以还原冶炼得到的金属是含有多种杂质的粗金属。如高炉炼铅，反射炉炼锡、铋、锑。需要进一步精炼以获得纯金属。除金属氧化物外，正常还原熔炼与高铁氧化物的还原造渣密切相关。物料中的高价铁氧化物被还原成低价铁氧化物(FeO)，然后与物料中的SiO2、CaO等成分反应生成炉渣。必须适当控制还原条件，否则Fe3O4或Fe的形成会影响还原熔炼过程。因此，控制高价铁的还原反应是决定工艺条件的主要因素。上述技术条件除了根据氧化标准生成自由能的变化来判断还原顺序和程度外，还常用反应的平衡常数logkp = p CO2:pco MEO+co = = = CO2+me来比较确定。4.精炼是对粗金属进行提纯以去除杂质的过程。对于高熔点金属，精炼也有致密化。有化学精炼和物理精炼两种。(1)化学精炼为了达到高纯度的目的，往往需要进行化学精炼和物理精炼，利用其不同的化学性质，将杂质从主金属中分离出来。1.氧化精炼:利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化成渣或氧化挥发的一种精炼方法。精炼效果和除杂极限不仅与主要金属和杂质元素的氧化物的标准生成变化自由能(△Go)有关，还取决于杂质和氧化物的活性。【下一篇】2。硫化精炼，加入硫磺或硫化物，去除粗金属中的杂质。这种方法能否应用取决于主金属和杂质金属对硫的亲和力。当金属熔体加硫时，主金属的浓度(活度)远高于杂质金属，所以先被硫化生成主金属硫化物MeS，然后发生如下除杂反应:MeS+me′= = = me′s+me。这个反应能否进行取决于硫化物标准生成自由能△Go的变化。必要的反应条件是PS2 (me's) >: Ps2(MeS)，即在给定条件下，主金属硫化物的电离压力大于杂质硫化物的电离压力，从而可以形成杂质硫化物。如果熔体中形成的各种杂质硫化物的溶解度小，密度小于主金属，就会浮到熔体表面而被除去。粗铅、粗锡和粗锑是硫化物精炼的典型例子，通过添加硫来去除铜和铁。3.氯化精炼一种火法冶金精炼方法，其中引入氯气或加入氯化物，使杂质形成氯化物并与主要金属分离。这种方法的前提是氯对杂质的亲和力大于主金属，生成的氯化物不溶于或难溶于主金属。氯化广泛用于从粗铅中除锌、从粗铝中除钠、钙和氢、从粗铋中除锌以及从粗锡中除铅。现在举个例子。在铅的粗氯化精炼过程中，向铅液中通入氯气，使锌形成氯化锌，进入浮渣，与铅分离。此时，铅被部分氯化，但根据下式被锌取代:pbcl2+Zn = = = zncl2+Pb。因此，用氯化法提炼铅时，铅的损失很小。铅溶液中的其他杂质，如砷、锑和锡，也形成氯化物挥发，与铅分离。4.碱炼。烟火精炼法，在粗金属熔体中加入碱，使杂质氧化并与碱结合形成熔渣，然后除去。该方法的实质是在精制过程中用氧气或其他氧化剂(如NaNO3)氧化杂质，然后与加入的碱金属或碱土金属复合溶剂反应，生成更稳定的盐(渣)以加快反应速度，使反应更完全。碱性精炼用于从粗铜中除去镍，从粗铅中除去砷、锑和锡，从粗锑中除去砷等。(2)物理精炼是以物理变化为主要因素，利用它们不同的物理性质去除杂质的方法。如精馏精炼、真空精炼、熔体精炼等。1.蒸馏精制利用物质的沸点不同，多次交替蒸发冷凝除去杂质。精制包括蒸馏和冷凝回流两个过程。【下一步】蒸馏通常在精馏塔中进行，气液相逆流接触，进行相间传热传质。液相中的挥发性组分进入气相，所以塔顶冷凝得到几乎纯的挥发性组分，塔底得到几乎纯的非挥发性组分。塔顶冷凝液的一部分作为回流液返回精馏塔。塔顶出液量与塔顶出液量之比称为回流比，它影响精馏操作的分离效果和能耗。精炼适用于互溶或部分溶解的金属液体，但不适用于沸点恒定的两种金属熔体。在有色金属冶金中，精馏已成功地用于粗锌的精炼。2.True 空精炼一种火法冶金精炼方法，在较低或低得多的大气压下除去粗金属中的杂质。真空精炼不仅可以防止金属与空气体中的氧和氮发生反应，避免气体杂质的污染，更重要的是还可以在许多精炼过程(尤其是脱气)中创造有利于金属与杂质分离的热力学和动力学条件。真空精炼主要包括真空蒸馏(升华)和真空脱气。True 空蒸馏(升华)是在true 空条件下，利用同一温度下各种物质的蒸汽压和蒸发速率不同，控制适当的温度，使某些物质选择性挥发和冷凝，从而获得纯净物质的方法。这种方法主要用于提纯一些低沸点的金属，如汞、锌、硒、碲、钙等。真空脱气是指在真空的条件下去除气体中的杂质，包括通过化学反应去除气体形式中的部分杂质。true 空除气工艺的作用主要是降低气体杂质在金属中的溶解度。3.熔出精炼是一种火法冶金精炼方法，它利用杂质或其化合物在主要金属中的溶解度变化，通过改变精炼温度来去除它们。熔融-结晶相变定律用于熔融-结晶精炼，即当均质二元或多元液体在相变温度下凝固时，会变成两种或几种成分不同的平衡共存相，杂质会富集在某些固相或液相中，从而达到金属提纯的目的。如果用粗铅除铜，根据Cu-Pb二元系状态图，共晶温度为599℃，析出铜的理论值为0.06%。一般温度控制在613℃，铅中铜含量高于0.06%。但当砷、锑仍存在时，会与铜形成铅不溶性化合物——固溶体，可使铅中铜含量降至理论值以下0.02%-0.03%。