反射爐熔煉原理?

　　【中國幕墻網 12月26日消息 記者kiko】用一段法處理雜銅時，一般都在固定反射爐中進行，所以實際上，在反射爐 進行的 既是熔煉也是精煉。
　　雜銅反射爐精煉原理實質上與礦銅的火法精煉原理相同，不過，由于次粗銅雜質含量高（有時高達 4% ），所以在操作上有其獨特特點，雜銅在反射爐中處理時，整個精煉過程包括熔化、氧化、還原、除渣、澆鑄等作業。整個作業的核心是氧化和還原。下面主要闡述氧化和還原。
　　雜銅氧化精煉的基本原理在于銅中存在的大多數雜質對氧的親合力都大于銅對氧的親合力，且多數雜質的氧化物在銅液中溶解度小，所以當向熔體中鼓入空氣時，便優先將雜質氧化脫除，但熔體中銅占絕大多數，而雜質量很少，故氧化時，首先是銅被氧化。
　　4Cu+O2=2Cu2O
　　所產生 Cu2O 立即溶于銅液中，并與銅液中的雜質發生反應，使雜質氧化。
　　[Cu2O]+[Me]=2[Cu]+(MeO)
　　式中：[ ] 表示銅液中物質濃度；
　　（ ）表示渣相中物質濃度；
　　Me 為雜質金屬。
　　此反應的平衡常數為：
　　銅液中的主體為金屬銅，濃度很大，因雜質量相對很少，故盡管雜質被 Cu2O 氧化，可認為 [Cu] 基本不變（即為常數）。同時，由于雜質氧化物（ MeO ）在銅液中的溶解度很小，能迅速達到飽和，因此在大多數情況下，當溫度一定時， [MeO] 可認為也是一個恒定值，所以反應的平衡常數可用下式表示：
　　K’=[Cu2O][Me]
　　這表明，在一定溫度下（即 K 為確定常數）銅液中的雜質含量與 Cu2O 的含量成反比， [Cu2O] 越大， [Me] 越小，即殘留在銅液中未氧化的雜質越少，精煉作業愈完全。實踐表明，為了更迅速、徹底地除去銅液中的雜質，應力求強化氧化過程，使 Cu2O 在銅液中的濃度達到飽和狀態。
　　Cu2O 在銅液中的溶解度隨溫度升高而增加：
　　溫度℃ 1100 1150 1200 1250
　　溶解度 % 5 8.3 12.4 13.1
　　當 Cu2O 的溶解量超過該溫度下的溶解度時，熔體將分為兩層，下層是飽和了 Cu2O 的銅液，上層是飽和了銅的 Cu2O 相，這一關系可從 Cu ￠ O 系相圖看得清楚。銅液中的溶解度增加很少，并且熔體出現分層，使部分 Cu2O 進入渣層中，而且過度的氧化，使還原過程增長，同時要消耗更多的還原劑，所以為了避免銅液過度氧化，要求氧化期保持在 1150 ～ 1170 ℃下進行。
　　主要雜質在氧化精煉過程中的行為簡述如下：
　　鐵。鐵對氧的親合力遠遠大于銅對氧的親合力，所以鐵很容易氧化，并造渣脫除。鐵氧化反應按下式進行：
　　Cu2O+Fe=2Cu+FeO
　　按熱力學估算，在精煉過程中鐵可除到十萬分之一。
　　鎳。鎳是難于除去的雜質，鎳和銅能生成一系列固溶體，盡管鎳在熔化期和氧化期均受到氧化，但既緩慢又不完全，并且在氧化期所生成的 NiO 分布于銅液和爐渣之間。溶于渣中的 NiO 可生成不溶于銅液而溶于渣相中的 NiO · Fe2O3 ，這部分鎳可脫除，熱力學計算表明，當銅液中含鎳 16% 時，鎳可除到 0.25% 。
　　當銅液中既含鎳又含砷和銻時，鎳的脫除更為難。因為溶于銅液中的 NiO 能與 Cu 、 As 或 Sb 形成溶于銅液的鎳云母（ 6Cu2O · 8NiO · 2As2O3 或 6Cu2O · 8NiO · 2Sb2O3 ）。為了脫鎳，這時只有加堿性熔劑，使鎳云母分解。
　　鋅。鋅與銅在液態時完全互溶，鋅的沸點為 906 ℃，在精煉時，大部分鋅在熔化階段即以金屬形態揮發，而后被爐氣中的氧氧化成 ZnO 隨爐氣排出，并在收塵系統中收集下來，其余的鋅在氧化初期被氧化成 ZnO ，并形成硅酸鋅（ 2ZnO · SiO2 ）和鐵酸鋅（ ZnO · Fe2O3 ）進入爐渣。當精煉含鋅高的雜銅料（黃雜銅等）時為加速鋅的揮發，在熔化期和氧化期均提高爐溫 ( 一般保持在 1300 ～ 1350 ℃ ) ，并在熔體表面上覆蓋一層木炭或不含硫的焦碳顆粒，使氧化鋅還原成金屬鋅而揮發，以免生成氧化鋅結殼妨礙蒸鋅過程的進行。
　　鉛。固態鉛不溶于銅，在液態時溶解得也很少，但在氧化期，當鉛氧化成氧化鉛后，因其密度（ 9.2 ）比銅的密度（ 8.9 ）高，故沉于爐底，所以如果是酸性爐底，則 PbO 將與筑爐材料中的 SiO2 作用，生成密度小的硅酸鉛（ XPbO · YSiO ）。從而上浮到熔池表面而被除去。如果爐底為堿性耐火材料，則鉛的脫除很困難，這時必須向熔體中吹入石英熔劑，增大風量并保持較高的爐溫（約 1250 ℃），使 PbO 和 SiO2 作用，產出硅酸鉛。用石英造渣除鉛方法耗時長，銅入渣損失大，為了改進除鉛效果，克服該法缺點，可改加磷銅，使鉛以磷酸鹽形態除去。也可以氧化硼作熔劑，使鉛呈硼酸鉛形態脫去。
　　錫。處理青銅料時，料中含錫高，錫與銅液態時互溶，在反射爐中錫氧化生成氧化亞錫（ SnO ）和二氧化錫（ SnO2 ）， SnO 呈弱堿性，能與 SiO2 造渣，還能部分揮發。 SnO2 呈弱酸性，且溶于銅液中，這時需加入堿性溶劑（蘇打或石灰石）使其造渣，生成不熔于銅液的錫酸鈉（ Na2O · SnO2 ）或錫酸鈣（ CaO · SnO2 ）。實踐證明，加入由 30% 氧化鈣和 70% 碳酸鈉組成的混合熔劑，可使銅中含錫量從 0.029% 降到 0.002% 。使用 Fe2O3 與和 SiO2 各占 50% 的混合熔劑亦能使錫的含量很快下降至 0.005% ，并可除去部分鉛。
　　砷。從 As ? Cu 相圖可知，砷與銅在液態時互溶，在氧化時，砷能氧化成易揮發的 As2O3 ，從而隨爐氣排走，但也有少量砷氧化成 As2O5 ，并生成砷酸銅（ Cu2O · XAs2O5 ），溶于銅液中，當銅液中有鎳存在時，砷還能與銅、鎳一起生成鎳云母，這都給脫砷增加了困難。
　　銻。銻與銅在液態時無限互溶，而且銅與銻還能生成 Cu3Sb 和 Cu3Sb2 。與砷一樣，在氧化時銻也生成易揮發的 Sb2O3 ，還可生成溶于銅液的 Cu2O · Sb2O3 和 Cu2O · Sb2O5 。所以當處理含 As 和 Sb 高的雜銅時，氧化和還原過程需反復進行數次，使不揮發的 As2O5 和 Sb2O5 還原為易揮發的 As2O3 和 Sb2O3 ，未揮發的 As 和 Sb ，加堿性熔劑處理。
　　金和銀。金和銀完全富集在陽極銅中，在電解精煉時進入陽極泥，進一步處理陽極泥得以回收。
　　當全部雜質脫除后，氧化期結束，過程轉入還原期。還原的作用一是使過氧化的銅氧化物還原成金屬銅，二是脫除溶于銅液中的氣體，因為在氧化結束時，銅液中還存有 8% 左右的 Cu2O ，銅中含氧過多，將使銅變脆，延展性和導電性降低，故必須進行還原。在還原期，使用重油、插木等還原時，發生的主要化學反應如下：
　　6Cu2O+2C2Hm=12Cu+2Co+mH2+2CO2
　　用 NH3 還原時，發生下列反應：
　　Cu2O+2NH3 6Cu+N2+3H2O
　　如果用天然氣作還原劑，必須對天然氣進行所謂“重整”，否則，天然氣中的成分甲烷 CH4 在 1000 ℃時分解產出大量 H2 ，雖能加強還原，但也增加銅對氫氣的吸附。 【完】