[科普中国]-造铜期

简介

吹炼（converting）鼓风将液态氧化除去铜锍中的铁和硫，产出粗金属或金属富集物的火法冶金过程。铜的吹炼过程一般分为两周期，第一周期是FeS的氧化造渣产出白铜铣（Cu2S），第二周期是Cu2S的氧化得到粗铜。一般称第一周期为造渣期，第二周期为造铜期。镍硫的吹炼只有第一周期，产出高镍硫（Ni3S2），不继续吹炼得粗镍而另行处理。

吹炼作业是火法炼铜工序中不可缺少的作业，将空气鼓入铜锍熔体并与铜锍熔体中的铁、硫进行氧化反应放出热量，维持自热吹炼，经过造渣期和造铜期操作，生成粗铜。

在造铜期，随着Cu2S的氧化，炉内熔体的体积逐渐减小，到造铜期终点出铜。出铜后迅速捅风眼，清除结块。然后装入铜锍，开始下一炉次的吹炼。

造铜期物化反应白冰铜氧化过程中的相变按反应：Cu2S+O2（g）═ 2Cu（l）+SO2（g） （脱硫过程）
在吹炼中可取温度1200℃，由于熔体Cu2S脱硫至19.80%（重量）即开始分层，直至含硫量为1.2%左右，才开始转变为低硫单相熔体。因此在白冰铜吹炼期，长时间是在分层期进行氧化作业的。转炉中的PSO2取0.1atm，平衡PO2=0.7atm。故

K = PSO2/PO2=106

反应平衡常数很大。因此，反应可用下列示意图表示。
Cu2S+O2→ （Cu2S，SO2，Cu）→ （SO2，Cu）

再从Cu-S系及Cu-O系相图可以看出，当熔体含硫量等于20.14%（Cu2S化学计量成分），整个熔体为均匀的单相熔体。随着氧化反应的进行，熔体的含硫量不断降低，至图中B点时开始分层。二液相共存，一层以Cu2S为主含有饱和金属铜；另一层则以金属铜为主含有饱和的硫，由于比重差的关系铜熔体在下部。继续吹风，含硫量继续减少，如图中BC线段。至C点时熔体由二液相转变为单相熔体，此时含硫量约在1.2%左右，单独的Cu2S层已消失而代之以金属铜，只含有少量的硫。视氧化程度和温度条件，铜液中同时含少量硫和氧。图中C-e线即为铜中含硫量与温度的关系。继续吹风，铜中含硫量还可降低，但含氧量则相应增多。在生产上为避免过吹，要严格控制脱硫的程度，一般含硫量在0.5%左右，即需停止吹风，从图中还可看出，如吹炼控制不好，过吹的结果将使铜转变为Cu+Cu2O，固溶体，至D点时，Cu2O开始析出并分层，吹炼将告失败。1

转炉富氧氧化在粗铜生产期共存有炉气一白冰铜一金属钢三相，其组分共有 Cu，S及O。因此，按相律决定体系状态变数只有两个，即温度与气相中的分压（PO2或PSO2）。

从Cu-S系相平衡图可以看出，白冰铜在吹炼期，脱硫反应在很大的范围内处于分层区进行。这一段含硫量由19.80%降至1.2%（1200℃）。因此，讨论强化过程在分层区具有重要实际意义。

按Cu2S-Cu系分层区的硫势与温度的关系：

log（Ps2）= -15505/T + 4.56

二氧化硫离解的硫势和氧势关系：

log（Ps21/2）= -18940/T+3.87 - log（PO2）+ log（PSO2）

又按吹炼生产作业的气体组成见下表所示。

|| ||

表中示出二周期SO2+SO3平均达18%左右，自由氧波动在1.3×103—4.2×103atm。指定二周期平均温度为1200℃，SO2=18%。1

造铜期的反应动力学造铜期的主要反应为白冰铜（Cu2S）的氧化，反应速率与熔体中的含硫量和供氧速度均有一定的关系。Cu2S的氧化产物会有不同的存在形态，因而使白冰铜的氧化过程变得复杂。在1193℃的温度下用O2—Ar混合气体（10%O2，90%Ar）氧化Cu2S熔体时，熔体的质量变化ΔW与反应时间t的关系如下图所示。由图可见，Cu2S的氧化过程可以分成两个不同的阶段：第一阶段为Cu2S的脱硫反应，熔体的质量随反应的进行而减小；第二阶段为Cu的氧化反应，熔体的质量随反应的进行而增大。2

这种现象可以用Cu-S系和Cu-O系相图进行说明。从下图可以看出，当熔体含硫量等于33.3%（原子百分数）时，熔体完全由Cu2S组成，体系处于均匀的单相区，如图中a点所示。随着氧化反应的进行，熔体含硫量开始下降，并有少量的金属铜生成，但生成的金属铜能够完全溶解在白冰铜中，熔体仍处于单相区，此时，反应速率与熔体含硫量成正比，如图中曲线a-b段所示，故

-dΔW/dt= k1Csn

式中，k1为表观速率常数；Cs为熔锍的含硫量，n为经验常数。

随着反应的继续进行，当熔体含硫量降低到图中b点时，金属铜在Cu2S熔体中的浓度达到饱和并析出，熔体开始分层，上层为含有饱和金属铜的Cu2S熔体，下层为含有饱和Cu2S的铜熔体，体系处于两相共存区。此时，氧化反应只改变熔锍和金属的相对数量，而不改变它们的化学组成，故熔锍的含硫量在反应中保持不变，脱硫速度为一常数，如图7—18中曲线b-c段所示，因此

-dΔW/dt= k2

式中，k2为常数。

当体系的含硫量降低到c点时，Cu2S熔体氧化时质量变化与时间的关系熔锍相完全消失，体系中只有金属相存在，其中的含硫量很低。随着含硫量的降低，脱硫速度不断减小，如图中曲线c-d段所示，此时，反应速率可以表示为

-dΔW/dt = k3Csm

式中，k3为表观速率常数；Cs为铜液的含硫量；m为经验常数。

最后，当体系中的含硫量为零时，反应速率也等于零，如图中曲线的d点所示。此后，如继续氧化，则金属铜液将被氧化，铜中含氧量将不断增加，质量变化将转变为正值，如图中曲线d-e段所示。待氧化反应进行到e点时，体系又开始分层，氧化速率再次发生转折。2