熔炼     (smelting)

炉料在高温(1300～1600K)炉内物料发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的火法冶金过程。炉料除精矿、焙砂、烧结矿等外，有时还需添加为使炉料易于熔融的熔剂，以及为进行某种反应而加入还原剂。此外，为提供必须的温度，往往需加入燃料燃烧，并送入空气或富氧空气。粗金属或金属富集物由于与熔融炉渣互溶度很小和密度差分为两层而得以分离。富集物有锍、黄渣等，它们尚须经过吹炼或其他方法处理才能得到金属。

分类       按所用设备分为鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔炼；按工艺过程特征分为闪速熔炼、熔池熔炼、旋涡熔炼、富氧熔炼、热风熔炼、造锍熔炼、硫化精矿直接熔炼和硫化精矿自热熔炼等。这两种分类法很难说明熔炼过程的实质。鼓风炉熔炼是以块状物料或混捏精矿为原料，焦炭为燃料或兼作还原剂。反射炉熔炼是以粉状物料为原料，靠燃料燃烧供热进行熔炼的方法。电炉熔炼是以颗粒或粉状物料为原料，利用电热进行熔炼的方法。

按过程反应的实质可分为氧化熔炼、还原熔炼、还原硫化熔炼、挥发熔炼、沉淀熔炼和反应熔炼等。

氧化熔炼        以氧化反应为主的熔炼过程，如硫化铜、镍矿物原料的造锍熔炼、锍的吹炼、硫化锑精矿的鼓风炉熔炼等。这些熔炼过程中发生的主要化学反应是硫化矿物的氧化过程，其代表反应有：

式中的Me，Me’ 代表金属，[    ]代表主金属熔体，(     )代表熔渣。这种氧化熔炼往往是一种富集过程，如铜、镍硫化精矿的造锍熔炼，是将原来精矿中含量较低的主金属富集在锍中，部分铁被氧化后与脉石一道造渣而和主金属分离，故这种熔炼方法又称富集熔炼。氧化熔炼一般采用空气、富氧空气和工业氧作氧化剂。

还原熔炼          以主金属氧化物被还原剂还原为主的熔炼过程。属于这种熔炼方法的有铅烧结块的鼓风炉还原熔炼、鼓风炉炼锌(又称ISP法)，氧化锡精矿的还原熔炼、锑氧的还原熔炼等，以碳质还原剂为例表示的一般反应式为：

还原剂以碳质为主，通常采用的有煤和焦炭。在还原熔炼过程中不仅是主金属氧化物还原，还有杂质金属氧化物的还原，还原后的杂质又往往溶于主金属中而形成合金熔体[Me](l)。如铅鼓风炉还原熔炼除了铅氧化物还原外，还会发生铜、铋、锡、砷、锑等金属氧化物的还原，这些金属被还原后又会溶于铅中，故还原熔炼产出的金属铅是含有杂质金属的粗铅。渣中金属氧化物(MeO)(s，l)要比游离金属氧化物MeO难还原，这是渣含金属高的重要原因。

为了在还原熔炼过程中得到比较纯的粗金属，可以适当控制还原气氛或CO／CO₂ 来达到，在生产实践中就是适当调节风煤(焦)比，这种还原熔炼又称选择性还原熔炼或优先还原熔炼，这种原则几乎适用于各种还原熔炼领域。

除了碳质还原剂之外，还可以根据金属氧化物△G^e   - T图，选择一种比被还原金属氧化物生成自由能变化更负的金属或合金(Si - Fe)作还原剂，常称这种还原过程为金属热还原。如镁的硅热还原，四氯化钛的镁热还原，铌氧化物的铝热还原。

还原硫化熔炼         铜、镍氧化矿在有还原剂和硫化剂存在的条件下，使铜、镍被硫化为Cu₂s和Ni₃S₂并富集在锍中。在这种冶金过程中使用的仍是碳质还原剂，使用的硫化剂有石膏CaSO₄ 或黄铁矿FeS₂ 。其一般反应式：

MeO+4CO+CaSO₄ === MeS+CaO+4CO₂

MeO+FeS === MeS+FeO

随着湿法冶金的发展，氧化铜矿现在大都采用湿法冶金处理，故这种熔炼方法已多不用。

挥发熔炼       这是基于某些金属或其化合物的挥发性，如鼓风炉炼锌便属于还原挥发熔炼，是利用熔炼产物金属锌的挥发性，其反应式为：

ZnO(s)+CO(g) === Zn(g)  ↑+  CO₂ (g)

硫化锑精矿的鼓风炉熔炼属于氧化挥发熔炼，这是基于Sb₂S₃及其氧化后Sb₂O₃的挥发性而形成的一种熔炼方法，其反应式：

Sb₂S₃+4．5 O₂ === Sb₂O₃↑ + 3SO₂

含锌与含锡炉渣的烟化炉烟化亦属于挥发熔炼的范畴。

沉淀熔炼        选择一种对硫亲和力较大的金属作还原剂，使原料中的MeS被置换成金属Me。一般反应式表示为：

MeS+Me’ =Me’ S+Me

在有色金属的火法冶金中，这种熔炼方法已不再单独使用，只在某些主要过程中作为一种辅助手段。

反应熔炼        基于下面的反应而得名：

2MeO+MeS = 3Me+SO₂因此这种熔炼方法一定是氧化物与硫化物两种物料或其混合物料相互反应所致。但在高温熔体的复杂反应过程中，很难确定这种反应的程度，因此反应熔炼的称呼也逐渐消失。

产物         熔炼得到的主金属产物一般是粗金属(多元合金熔体)或中间产物锍，锍需要进一步处理才能得到粗金属。粗金属中往往富集有贵金属及其他有价组分，需要进一步精炼以获得适合于各种用途的最终金属产品，并综合回收其中的贵金属及其他有价组分。

熔炼还产出另一重要产物炉渣。有色金属炉渣是一种以铁硅酸盐(2FeO•SiO₂ )为主的氧化物熔体，主要由FeO - SiO₂  - CaO三元系组成，约占总渣量的80％～90％。炉渣量往往等于或超过主金属产物的产量，其性质对熔炼过程能否顺利进行影响极大。

熔炼过程产生含SO₂ 的高温烟气，往往需要回收SO₂或处理后才能排放。烟气夹带的烟尘要经各种收尘设备收集，以提高原料的综合利用程度并减少对环境的污染。高温烟气也是二次热源，可用余热锅炉或其他热交换设备回收，以产生蒸气或作其他用途。

设备       高温熔炼过程进行的反应是很迅速的，故熔炼设备生产率高，每平方米熔池面积的昼夜生产能力达几吨乃至几十吨。这是湿法冶金或电化冶金设备无法与之比拟的。除此，单台设备的生产能力也很大。常用的熔炼设备有鼓风炉、反射炉、电炉、闪速炉、转炉、短窑和新型熔池熔炼炉等。熔炼设备均已大型化，过程已开始用计算机控制。由于这些熔炼设备都是在1273K以上高温和炉渣熔体的侵蚀下工作，大都用耐高温与耐腐蚀的耐火材料构筑，或用特别的金属水套围砌。在选择不同耐火材料或水套金属时，必须认真考虑熔炼所产炉渣的侵蚀性能，同时也要注意熔体运动对炉壁的冲刷与渗透。

工艺     高温熔炼过程的热源，除了冶金本身的放热反应之外，主要靠碳质燃料燃烧供热，如煤、焦炭、重油、天然气等矿物燃料，其次是电能。水电资源丰富的地区，用电加热则是熔炼过程供热最方便和热效率最高的方法，但电力供应往往难以满足需求。

熔炼过程的燃料燃烧，大都采用空气供风，由于空气中含有79％(体积)的氮气，燃料燃烧放出的热大量地被氮气带走，而使燃料的热效率大大降低；烟气体积也相应地膨胀，使烟气的收尘与净化复杂，加之环境保护日益严格，大体积烟气的净化处理已成当今熔炼过程一大负担。为提高燃料热效率和减少烟气体积，相继出现富氧或工业氧的熔炼工艺，如氧一油燃料燃烧，鼓风炉富氧熔炼、富氧闪速熔炼、氧气熔池熔炼等。

为了充分利用烟气带走的热，除了设置余热锅炉生产蒸气外，亦可用来预热空气，以增加熔炼过程所需空气带进显热，从而出现了热风熔炼，如鼓风炉炼锌，炉渣烟化和吹炼等。

为充分利用硫化精矿及其它粉状物料的大比表面积而发展起来的喷射冶金，如闪速熔炼、三菱法等顶插喷吹，可使粉状物料充分分散地悬浮在气流中进行反应，使反应速度大大加速。

由于富氧与喷射技术在熔炼过程中的应用，大大降低了能耗，使许多硫化精矿的熔炼过程能自热进行。因而过去在鼓风炉中熔炼高硫富块矿的自热熔炼技术又重新得到了发展，如氧气闪速熔炼，苏联的氧气熔池熔炼，诺兰达法，氧气底吹法炼铅等均已达到自热熔炼的程度。

在熔体内进行硫化精矿的氧化熔炼，能使硫化物氧化放出的热直接传给熔体，出炉烟气温度与熔炼温度相接近，故烟气带走的热与通过炉墙的辐射热损失都是较少的。因此强化的熔池熔炼已在有色冶金熔炼过程中引起了广泛的重视，已在铜、铅的熔炼过程中开始工业应用。