有色金屬冶金學(xué)1

1、有色金屬冶金學(xué)有色金屬冶金學(xué)Non-ferrous Metallurgy有色金屬冶金系盧惠民2002年4月緒論 有色金屬及其分類 有色金屬冶金方法 有色金屬冶金工藝過程 有色金屬冶金在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用 有色金屬冶金學(xué)內(nèi)容及課時(shí)安排 有色金屬冶金學(xué)教學(xué)形式 參考書 1有色金屬及其分類 1 金屬： 通常把元素周期表中具有光亮的金屬光澤，很高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性及良好的延展加工性的化學(xué)元素稱為金屬。 109種元素中93種金屬元素分類： （1） 鐵金屬和非鐵金屬： 鐵金屬指鐵和鐵基合金，包括生鐵、鐵合金和鋼； 非鐵金屬：鐵和鐵合金以外的金屬元素； （2）黑色金屬和有色金屬： 黑色金屬：鐵、鉻、錳； 有

2、色金屬：將鐵、鉻、錳以外的金屬。（90種） 通常按密度大小、礦物原料富集程度、發(fā)現(xiàn)的早晚、用途和價(jià)格將有色金屬分為：輕金屬、重金屬、稀有金屬和貴金屬四大類。 2 輕金屬： 密度小于5.0,具有很大活性的有色金屬,如：鋁(2.7)、鎂(1.74)、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔鹽電解或真空冶金方法來提取。 3 重金屬： 密度大于5.0，而化學(xué)性質(zhì)不如輕金屬活潑的有色金屬，如銅(8.95)、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、汞、鎘、鉍等，一般用火法冶金或濕法冶金方法來提取。 我國10種常用有色金屬(鋁Al Cu Zn Pb Ni Mg Sn Sb Ti Hg)因產(chǎn)量大，用途廣，價(jià)格低

3、，稱為常用有色金屬或賤金屬。 貴金屬： 金(Au)、銀(Ag)和鉑族金屬（Pt Pd Rh Ir Os Ru )。 由于化學(xué)活性低，又稱惰性金屬。3 稀有金屬：93種金屬元素中占60種。 有的在地殼中豐度小，天然資源少； 有的雖豐度大，賦存狀態(tài)分散，不能經(jīng)濟(jì)提取； 有的物理化學(xué)性質(zhì)接近不容易分離成單一金屬； 有的開發(fā)較晚，過去使用的較少。 鈦有時(shí)列入輕金屬。 稀有金屬按元素物理化學(xué)性質(zhì)、賦村狀態(tài)，生產(chǎn)工藝以及其他一些特征，分為稀有輕金屬、稀有高熔點(diǎn)金屬、稀有分散性金屬、稀土金屬和稀有放射性金屬。 稀有輕金屬：Li Be Rb Cr 密度小， 鋰：0.53 稀有高熔點(diǎn)金屬:Ti V Zr Nb

4、Mo Hf Ta W ,Ti:1660, W:3400 稀散金屬：In Ge Ga Tl Se Te Re 稀土金屬：Sc Y 5771號(hào)鑭系元素（17個(gè)） 稀有放射性金屬：Tc Po Fr Ra 89103錒系元素，104112號(hào)元素 2 有色金屬冶金方法 有色金屬冶金學(xué)： 是一門研究如何經(jīng)濟(jì)地從礦石或精礦或其它原料中提取有色金屬或有色金屬化合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的有色金屬材料的科學(xué)。 廣義：礦石采礦、選礦、冶煉和加工。 狹義：礦石或精礦的冶煉，提取冶 金。 有色金屬冶金方法： （1）火法冶金：它是指在高溫下礦石或精礦經(jīng)熔煉與精煉反應(yīng)及熔化作業(yè)，使其中的有色金屬與脈石和雜質(zhì)分

5、開，獲得較純有色金屬的過程。 整個(gè)過程包括原料準(zhǔn)備、熔煉和精煉三個(gè)工序。過程所需能源主要靠燃料燃燒供給，也有依靠過程中的化學(xué)反應(yīng)熱來提供。 （2）濕法冶金： 它是在常溫（或低于100）常壓或高溫（100300 ）高壓下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的有色金屬溶解于溶液中，而其它雜質(zhì)不溶解，然后再從溶液中將有色金屬提取和分離出來的過程。 該方法主要包括浸出、分離、富集和提取的過程。 （3）電冶金： 它是利用電能提取和精煉有色金屬的方法。 A、電熱冶金：利用電能轉(zhuǎn)變成熱能在高溫下提煉有色金屬，本質(zhì)同火法冶金。 B、電化學(xué)冶金：用電化學(xué)反應(yīng)使有色金屬從所含鹽類的水溶液或熔體中析出。前者稱為水溶液

6、電解，可歸入濕法冶金；后者稱為熔鹽電解，可歸入火法冶金。 3 有色金屬冶金工藝過程 （1）焙燒：是指將礦石或精礦置于適當(dāng)?shù)臍夥障?，加熱至低于它們的熔點(diǎn)溫度，發(fā)生氧化、還原或其它化學(xué)變化的過程。其目的是改變?cè)现刑崛?duì)象的化學(xué)組成，滿足熔煉或浸出的要求。焙燒過程按控制的氣氛不同，分為：氧化焙燒、還原焙燒、硫酸化焙燒、氯化焙燒等。 （2）煅燒：是指將碳酸鹽或氫氧化物的礦物原料在空氣中加熱分解，除去二氧化碳或水分變成氧化物的過程，如石灰石煅燒為石灰；氫氧化鋁煅燒成氧化鋁，作電解鋁原料。 （3）燒結(jié)和球團(tuán)： 將粉礦或精礦經(jīng)加熱焙燒，固結(jié)成多孔狀或球狀的物料，以適應(yīng)下一工序熔煉的要求。 （4）熔煉： 是

7、指將處理好的礦石、精礦或其他原料，在高溫下通過氧化還原反應(yīng)，使礦物原料中有色金屬組分與脈石和雜質(zhì)分離為兩個(gè)液相層即金屬（或金屬锍）液和熔渣的過程，也叫冶煉。分為還原熔煉、造锍熔煉和氧化吹煉。 （5）火法精煉：在高溫下進(jìn)一步處理熔煉、吹煉所得的含有少量雜質(zhì)的粗金屬以提高其純度。種類：氧化精煉、硫化精煉、氯化精煉、熔析精煉、堿性精煉、區(qū)域精煉、真空冶金、蒸餾等。 （6）浸出：用適當(dāng)?shù)慕鰟ㄈ缢?、堿、鹽等水溶液）選擇性地與礦石、精礦、焙砂等礦物原料中金屬組分發(fā)生化學(xué)作用，并使之溶解而與其它不溶組分初步分離的過程。浸出又稱浸取（重金屬）、溶出（輕金屬）和濕法分解（稀有金屬）。（7）液固分離： 該過程

8、是將礦物原料經(jīng)過酸、堿等溶液處理后的殘?jiān)c浸出液組成的懸浮液分離成液相與固相的濕法冶金單元過程。主要有物理方法和機(jī)械方法：重力沉降、離心分離、過濾等。 （8）溶液凈化： 將礦物原料中與欲提取的有色金屬一道溶解進(jìn)入浸出液的雜質(zhì)金屬除去的濕法冶金單元過程。凈液的目的是使雜質(zhì)不至于危害下一工序?qū)χ鹘饘俚奶崛?。方法主要有：結(jié)晶、蒸餾、沉淀、置換、溶劑萃取、離子交換、電滲析和膜分離等。（9）水溶液電解： 利用電能轉(zhuǎn)化的化學(xué)能使溶液中的金屬離子還原為金屬而析出，或使粗金屬陽極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極。前者從浸出凈化液中提取金屬，稱為電解提取或電解沉積（簡稱電積），也稱不溶陽極電解，如銅電積；后者以粗金屬為原

9、料進(jìn)行精煉，稱為電解精煉或可溶陽極電解，如粗銅、粗鉛的電解精煉。 （10）熔鹽電解： 利用電熱維持熔鹽所要求的高溫，又利用直流電轉(zhuǎn)換的化學(xué)能自熔鹽中還原金屬，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。 4 有色金屬冶金工業(yè)在國民經(jīng) 濟(jì)中的地位和作用 國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) 高科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè) 資源優(yōu)勢(shì)，世界第三：總量豐富、儲(chǔ)量可觀、品種齊全、資源配套程度高，世界首位儲(chǔ)量：W Sn Ta Li Be Mg 稀土 產(chǎn)量：世界第一：Zn Sb W Mg 稀土 世界第二：Pb Mo 第三：Hg Bi 第四：Cu Ti Cd 第七：Ni 第八： Ag 復(fù)習(xí)思考題：1 有色金屬分為幾類？有色金屬中的稀有金屬又分為

10、幾類？對(duì)于每一類有色金屬和稀有金屬你能舉出幾種有代表性的金屬嗎？2 提取冶金方法是如何分類的？3 火法、濕法、電化學(xué)法三種冶金方法包括哪些基本冶金過程？這些冶金單元過程在提取冶金工藝中各起什么作用？5 有色金屬冶金學(xué)內(nèi)容及課時(shí)安排 緒言 （2） 1 輕金屬冶金 （10） 1.1 鋁冶金 1.2 鎂冶金2 重金屬冶金 （16） 2.1 銅冶金 2.2 鋅冶金 2.3 鎳冶金 3 稀有金屬冶金 （6） 3.1 鈦冶金 3.2 鎢冶金 3.3 稀土冶金 4 貴金屬冶金 （6） 4.1 金、銀及鉑組金屬冶金 4.2 貴金屬二次資源與生態(tài)環(huán)境6 有色金屬冶金學(xué)教學(xué)形式 1課堂教學(xué) 2 錄像教學(xué) 3 自學(xué)

11、討論 7 參考書 1 有色金屬冶金學(xué)，邱竹賢主編， 冶金工業(yè)出版社，1988年 2 有色金屬提取冶金手冊(cè)（11本）， 冶金工業(yè)出版社第一篇 輕金屬冶金學(xué)1 鋁冶金21.1 概述31.1.1 鋁冶金的歷史鋁在自然界中的分布 地殼中鋁8%，僅次于氧和硅，在金屬元素中，鋁居首位。我國開采歷史悠久 （1）漢代本草經(jīng) （2）明代天工開物 Aluminum由來 Pott, Marggraf , Morveau, Davy 化學(xué)法制取鋁 1825 Oersted 丹麥 鉀汞還原無水氯化鋁 1827 Wohler 德國 鉀還原無水氯化鋁 1854 Deville 法國 鈉還原NaCl-AlCl 1865 Be

12、ktob 俄國 鎂還原冰晶石 電解法煉鋁 1886年美國Hall法國Heroult申請(qǐng)專利： 方法不同，結(jié)果一樣 Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法 法國：1889 挪威：1906 英國：1890 意大利：1907 德國：1898 西班牙：1927 奧地利1899 前蘇聯(lián)：1931 中國：1938 1.1.2 現(xiàn)代鋁工業(yè) 全世界原鋁產(chǎn)量 1890 180t 1900 6990t 1925 18萬t 1950 150萬t 1970 1025萬t 1980 1560萬t 2000 2400萬t 中國：2001年350萬噸，世界第二 美國、中國、加拿大、俄羅斯 用電解法或其它方法直接生產(chǎn)

13、出來 的純鋁稱為原鋁，現(xiàn)代還生產(chǎn)精鋁、 高純鋁及多種鋁基合金 現(xiàn)代鋁工業(yè)三個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)： （1）從鋁土礦提取純氧化鋁 （2）用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁 （3）鋁加工 輔助環(huán)節(jié)： （1）炭素電極制造 （2）氟鹽生產(chǎn) 現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)流程簡圖 鋁電解原理： 現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，其中氧化鋁是煉鋁的原料，冰晶石是熔劑。直流電通入電解槽，在陰極和陽極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物，陰極上是液體鋁，陽極上是氣體CO2（7580%）和CO（2025%）。在工業(yè)電解槽內(nèi)，電解質(zhì)通常由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的冰晶石和5%的氧化鋁組成，電解溫度為950970。電解液的密度約為 2.1g/

14、cm3，鋁液密度為2.3 g/cm3，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空抬包抽出后，經(jīng)過凈化和過濾，澆鑄成商品鋁錠，純度達(dá)99.5 99.8%。陽極氣體中還含有少量有害的氟化物、瀝青煙氣和二氧化硫。經(jīng)過凈化后，廢氣排入大氣，收回的氟化物返回電解槽內(nèi)繼續(xù)使用。 1.1.3 鋁的性質(zhì)和用途 鋁是元素周期表上第三周期IIIA族元素，原子序數(shù)13，相對(duì)原子量26.98154。 1.1.3.1 鋁的物理性質(zhì) 鋁是輕金屬，具有銀白色的金屬光澤 熔點(diǎn)低 99.996%鋁熔點(diǎn)為933K (660) 沸點(diǎn)高 2467 密度小 2.69662.6988g/cm3 電阻率小 ( 2.82.85) 10-8m 鋁具有

15、良好的導(dǎo)熱能力 在20，鋁的熱導(dǎo)率為2.1W/(cm ) 鋁具有良好的反射光的能力， 特別對(duì)于波長為0.212m的光線 鋁沒有磁性，不產(chǎn)生附加的磁場，在精密儀器中不會(huì)起干擾作用 鋁易于加工 鋁的再生利用率高 鋁可以同多種金屬構(gòu)成合金1.1.3.2 鋁的化學(xué)性質(zhì) 鋁同氧反應(yīng)，生成Al2O3 氧化鋁的生成熱為-31KJ/g Al 鋁在高溫下能夠還原其他金屬氧化物 2Al + 3MeO = Al2O3 + 3Me 在800以上溫度，鋁同三價(jià)鹵化物（如AlF3）起反應(yīng)生成一價(jià)鋁的鹵化物，在冷卻時(shí)一價(jià)鋁的鹵化物分解出常價(jià)鋁的鹵化物和鋁 2Al + AlF3 = 3AlF 鋁易同稀酸起反應(yīng)，又易被苛性堿溶液侵蝕，生成氫氣和可溶性鹽 鋁不與碳?xì)浠衔锲鸱磻?yīng) 鋁的保護(hù)劑1.1.