一、混合熔炼机理
混合熔炼机理包括氧化铋的还原机理、硫化铋的置换机理、反应熔炼机理。
（一）氧化铋的还原机理。在混合熔炼高温范围内，一氧化碳是碳燃烧的唯一产物。各金属氧化物自由焓随温度而变化的关系如图1所示。
图1 金属氧化物的自由焓图
图1中各金属氧化物的稳定次序为：直线位置低的氧化物稳定，而直线位置高的不稳定。同时，直线位置低的可还原直线位置高的金属氧化物，如用CO可还原Cu2O、Bi2O3、PbO等
被还原的杂质金属，一部分进入粗铋，一部分硫化进入冰铜，当还原剂充分时，重新氧化入渣的可能性极少。
（二）硫化铋的置换机理。在混合熔炼高温范周内，各种金属硫化物自由焓与温度的关系如图2所示。
图2 金属硫化物的自由焓图
从图2可见，各种金属硫化物在给定温度下的稳定性次序是直线位置低的稳定，可置换直线位置高的金属硫化物。所以铁能置换Ag2S、Bi2S3、PbS等。
由于铁屑价廉，容易获得，所以采用铁屑作置换剂，其反应为：
当铁屑加入量不足时，被置换的杂质金属又能将硫化铋置换：
硫化亚铁是组成冰铜的主体，其它杂质金属硫化物则溶于其中。
（三）反应熔炼机理。由于炉料中同时存在硫化铋与氧化铋，所以必然发生反应熔炼：
在适当温度下，反应伴生少量碱式硫酸铋：
当铁屑和煤粉配入量充足时，混合熔炼主要为沉淀熔炼与还原熔炼，反应熔炼的比例不大。这可以从熔炼产出大量以硫化亚铁为基体的冰铜及炉气中二氧化硫浓度极低的情况得以说明。
二、混合熔炼的热工原理
冶金炉内热传导包括物理热显热、物料间的化学反应热与燃料的燃烧热，随炉料带入炉内的物理显热和炉料各组分间的化学反应热不大，在总的热收入中只占15%～20%，其余80%～85%的热来自燃料的燃烧。燃料燃烧产生高温，炽热气体在炉内流动时，将热量直接传给炉料，但更主要是通过赤热的炉顶、炉壁，将热量间接地传给炉料。
在冶金炉内，传导、对流和辐射传热常常是同时存在，而以辐射传热为主。
（一）传导传热。传导传热的计算依照傅立叶定律，即：
式中Q－沿x方向的热流（焦耳／小时）；
F－与热流垂直的传热面（米2）；
－温度梯度（℃／米）：
λ－导热系数，（焦耳／米·时·℃）。
傅立叶公式表明，传导传热与传热面及温度梯度有关。
（二）对流传热。对流传热用雷诺定律表示：
Q对＝523μCiw0（T1－T2）F（焦耳／小时）
式中Q对－对流热量（焦耳）；
μ－流动摩擦阻力系数；
Ci－炉气的比热（焦耳／克·度）；
w0－在0℃及1大气压（101325帕）对的炉气速度（米／时）；
T1－炉气绝对温度（K）；
T2－炉料表面的绝对温度（K）；
F－炉料受热表面积（米）。
（三）辐射传热。辐射传热按四方律推算：
式中Q辐－辐射热量（焦耳）；
C－辐射传热系数；
F－炉料受热表面积（米2）；
T1－炉气绝对温度（K）；
T2－炉料表面绝对温度（K）；
T－时间（小时）。
由上式可见，提高炉气温度是增加辐射热量的关键因素。
实际上，辐射公式中应考虑辐射热的损失。通过冶金炉门孔的辐射热损失可用下式计算：
式中Q损－辐射热损失（焦耳）：
T－炉气绝对温度（K）；
F－受热面积（米2）。
炼铋冶金炉使用的燃料，主要有烟煤与重油。烟煤中固定碳含量45%～65%，其发热量：
关于冶金炉内烟煤的燃烧过程，可根据布多尔反应讨论。布多尔通过对反应CO2＋C 2CO的研究，发现此反应是可逆的，反应进行的方向以及平衡、稳定的程度，与气体的平衡组成有关。请参看表1。
表1 反应CO2＋C＝2CO在高温下气体平衡组成
由表1可见，在冶金炉熔炼高温（1250℃）下，CO是碳燃烧的唯一产物，当有过剩空气存在时，CO将继续燃烧成CO2。
碳燃烧的热化学方程可分为不完全燃烧与完全燃烧两种：
前一式为碳与氧不完全燃烧生成CO的反应，后一式为碳与氧完全燃烧生成CO2的反应。比较上两式可见，碳的完全燃烧的热效应为碳的不完全燃烧的热效应的三倍以上。所以，为了在冶金炉内获得高温，就要求进行碳的完全燃烧。因此，在鼓入空气时，应先考虑适当的过剩空气量，使碳完全燃烧而获得高温。
与煤相比较，由于重油发热量高，易于完全燃烧，灰分少，火焰亮度大，所以是在冶金炉中普遍采用液体燃料，重油的性质列于表2。
表2 燃料重油的性质
重油的近似成分列于表3。
表3 重油的近似成分（%）
冶金炉作燃料用的重油含硫量限制在0.5%、2.0%与3.5%（分别为低硫、含硫与高硫重油）其热工特性列于表4。
使用重油作燃料时，燃料的雾化很重要。雾化通常是通过喷嘴实现的。关于液体燃料雾化的机理，目前存在两种解释：毛细波理论与空化理论。
表4 重油的热工特性
雾化的毛细波理论认为：在振动的液体表面产生了超声波，由振动振幅所构成的波峰，从液面以液滴形态分离，随着振动频率的增加，燃料雾滴的直径减小，超声波可获得直径几微米级的燃料雾滴。
雾化的空化理论认为：在液体燃料薄层中，由液体蒸汽填充的气泡形成空化，这些气泡的破坏，形成强烈的冲击波，破坏液体燃料表面的稳定性，使其雾化。
重油燃料虽较固体燃料优越，但燃烧后也会产生焦化残渣。以100号重油为例，燃烧后残渣率可达19%，它会影响燃料燃烧过程。已雾化的重油的燃烧，可分解成着火前准备阶段与焦质残余物的完全燃烧阶段。着火前准备阶段包括燃料雾滴加热烈开始沸腾、蒸发、直至形成燃料－空气可燃混合物，并将其加热到着火温度。经测定，重油着火前准备阶段达60微秒。
焦质残余物的完全燃烧阶段包括燃料雾滴的燃烧，气相中自由碳析出及火焰中炭粒燃烧。燃料雾滴燃烧时产生的残炭粒直径在25～150微米，而气态的碳氢化合物中析出的碳黑直径仅约0.01～0.05微米，山于两者所形成的碳黑粒度差距很大，因此，燃烧时火焰中气体的热分解很重要。重油燃烧时，分解度达1%～2%。
强化重油燃烧的途径主要有以下措施：
提高燃料的雾化质量，通过计算选择合适的喷嘴：
实行燃料的多段燃烧，即分段供给空气，以保证雾化后重油能完全燃烧：
高温气体的再循环，返回到燃料－空气混合物着火区的高温气流中所含的自由原子团与氢化剂和碳氢化合物分子互相作用，形成链式反应活泼中心，使燃烧产物向火焰根部再循环，不仅强化了热过程，而且稳定了火焰；
混合的强化，实现空气或燃烧产物气流的紊流化，是强化燃料与空气的混合、强化燃烧的有效方法；
其它如燃料的反向流股燃烧……等，这些强化重油燃烧的措施，在设计冶金炉重油喷嘴时，应综合考虑，以期发掘潜力，强化燃烧过程。
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