干式提炼法pyrometallurgy.ppt

第 五 章 乾式提煉法 (Pyrometallurgy) * 乾式提煉原理 ■乾式提煉包括將礦石在高溫熔融狀態之提煉以及將目的金屬揮發 成氣體之兩種方法 。前者稱為熔融提煉，後者稱為揮發提煉。 揮發提煉僅適用於少數揮發氣壓大的金屬而已，大部份的金屬 仍以熔融提煉為主，如高溫之氧化、還原以及熔融電解都屬於 此種提煉法。 ■熔融提煉之要件，首先要將礦石中之金屬礦物分解為金屬， 則因分解熔融金屬滴落至爐床，同時脈石與溶劑 也成熔融 狀之爐渣 (Slag) 一起滴落至爐床。如何使共存於爐床之此 兩熔融物不互相溶解或再生成化合物為此提煉法之第二要件。 如此才能使比重較小之爐渣浮在比重較大的熔融金屬層上成 為兩層，再由不同出口分別取出，而可得粗金屬產物與廢棄 之爐渣。 還原提煉法 (Reducing smelting) ■利用還原劑 (Reductant) 奪取氧化礦物中之氧，使其還原為金屬之提煉 稱為還原提煉法，適用於氧化礦之提煉。依廣義之還原而言，就不僅適 用於氧化礦而已，例如 AgS + O2 → Ag + SO2 ■硫化銀 (AgS) 被氧化分解成金屬銀亦可看成還原 (若是單獨對硫黃而言是 被氧所氧化成為SO2)，因此許多礦物之提煉為金屬，亦即將金屬化合物 轉變為金屬都可稱為還原提煉。 ■在工業上重要之還原劑有C、CO 與H2，其中最重要的 C (碳) 來源包括焦炭、 煤木炭等固體還原劑，另外有使用鋁、鎂、矽等金屬當還原劑。 炭還原製鐵 生鐵之製造是從熔礦高爐上端裝入鐵礦石、焦炭以及作為熔劑之石灰石， 從下部通風口吹進熱風。因此上述裝入物在熔礦爐內逐漸下降，而溫度 漸漸上升，各種不同程度之還原反應逐步進行，最後使礦石與脈石完全 熔融，在爐底分離成爐渣與生鐵兩層。 氧化礦物中，Fe2O3 的解離壓相當大，在430℃可達一氣壓。 從冶金學的見解而言，利用高熱無需還原劑即可使其解離成 Fe3O4。但因Fe3O4與 FeO的解離壓非常小，如無CO，C及H2 等還原劑無法使它解離。因此就此等氧化物利用CO的還原進行考察。 FeO 受到CO 的作用而被還原成Fe ，假如提高溫度或使氣體中CO2 濃度昇高時，Fe反而會被CO2所氧化。 FeO+CO = Fe+CO2------------ (5.1) 氧化─還原之兩反應，適相頡頑，假設 (5-1) 式之反應達到平衡時， 與各溫度所含之 CO-CO2﹪ 之平衡予以圖示，可得5-2 圖中的Ⅲ曲線。 此曲線是 (5-1)式的平衡曲線。在該圖中也表示CO氣體還原氧化鐵的 許多反應之平衡曲線(1) 。 Ⅰ曲線 3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2 --------(5.2) Ⅱ曲線 Fe3O4+CO→3FeO+CO2 -------------(5.3) Ⅲ曲線 FeO+CO→Fe+CO2 ---------------------(5.1) Ⅳ曲線 Fe3O4+4CO→3Fe+4CO2 ------------(5.4) Ⅴ曲線 CO2+C→2CO ----------------------------(5.5) 如5-2圖所示，FeO 之存在範圍隨著溫度之降低漸趨縮小， 在A點 (850°K)以下不復存在。在A 點的溫度以上時，由 (5-2)或(5-3) 或(5-1) 式之反應可知，氧化鐵被 CO 所還原 之順序，依照Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe 之階段被還原。 若在A 點的溫度以下其還原順序則為Fe2O3→Fe3O4→Fe 而不經由 FeO之階段，也就是Fe3O4由(5-4)式直接還原為鐵。 在5-2圖的a 點 (1100°K、CO20﹪、CO280﹪) 在過剩的焦炭 存在下，設有Fe3O4存在，此點係在Fe3O4的安定領域內， Fe3O4是不會變化的。為產生變化起見，如把溫度昇高至e 點 ( 1200°K以上，或使CO濃度高於b點(30﹪CO) ，Fe3O4會依 照Ⅱ曲線之平衡向右進行生成 FeO。而且實際上在1100°K之 條件下，此CO2濃度 (80﹪) 對Ⅴ曲線是不安定的，會發生熔炭 反應，因此CO之濃度應依 (5-5)式之平衡，經由 b→c→d之路線 產生變化。若變化達到曲線上的b 點，在b 點Fe3O4與 FeO達成 平衡，但因b點的CO2尚不安定，須要使CO 濃度增加，如此Ⅱ 曲線的平衡向右進行，Fe3O4反應為 FeO。依此反應，CO會消 失而生成CO2，但在此溫度只要有過剩的C存在，CO2會由(5-5) 式變化成CO。氣體組成由b 點到達c 點，在c 點，F