有色冶金原理_緒論1

1、有色冶金原理有色冶金原理馬良12u課前知識(shí)準(zhǔn)備：課前知識(shí)準(zhǔn)備： 知識(shí)準(zhǔn)備：知識(shí)準(zhǔn)備：U、 H、 S、G、S、H、G、H、G、S、Hm、Gm、Sm含義含義及用途及用途3一、幾個(gè)概念一、幾個(gè)概念二、冶金原理研究?jī)?nèi)容二、冶金原理研究?jī)?nèi)容 三、冶金原理分類三、冶金原理分類 1234四、冶金熔體四、冶金熔體4一、幾個(gè)概念一、幾個(gè)概念 2、金屬分類、金屬分類 3、生鐵和鋼、生鐵和鋼含含C2.0%的鐵基合金的鐵基合金生鐵生鐵 鋼機(jī)械性能，焊接性能好，能鍛造成鋼機(jī)械性能，焊接性能好，能鍛造成型且成本較低，易獲得，因此，鋼材型且成本較低，易獲得，因此，鋼材成為了一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)材料。成為了一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)材料。 1）按

2、含）按含F(xiàn)e量劃分量劃分 鐵金屬和非鐵金屬鐵金屬和非鐵金屬2）按顏色劃分）按顏色劃分 分為黑色（分為黑色（Fe金屬）金屬）和有色金屬（如和有色金屬（如Cu，Al金屬）金屬）鋼性能鋼性能: :1 1、冶金過(guò)程、冶金過(guò)程 514、提取冶金提取冶金 一、幾個(gè)概念一、幾個(gè)概念（1）火法冶金火法冶金 高溫條件下從原料中（主要為礦石）提取有用高溫條件下從原料中（主要為礦石）提取有用金屬或化合物的過(guò)程金屬或化合物的過(guò)程（2）濕法冶金）濕法冶金 在常溫或稍高溫度條件下從礦石或其它原料中在常溫或稍高溫度條件下從礦石或其它原料中提取有用金屬或化合物的過(guò)程。提取有用金屬或化合物的過(guò)程。（3）電冶金電冶金 利用電能從

3、礦石中提取有用金屬或化合物的過(guò)程利用電能從礦石中提取有用金屬或化合物的過(guò)程5 5、冶金原理、冶金原理: : 定義 P1分類分類:61二、冶金原理研究?jī)?nèi)容二、冶金原理研究?jī)?nèi)容 冶金過(guò)程熱力學(xué)、冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)、冶金溶液。冶金過(guò)程熱力學(xué)、冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)、冶金溶液。 1 1、內(nèi)容、內(nèi)容冶金反應(yīng)進(jìn)行的冶金反應(yīng)進(jìn)行的可能性可能性，反應(yīng)進(jìn)行的，反應(yīng)進(jìn)行的限度限度，各種各種參數(shù)參數(shù)（或（或影響因素影響因素）對(duì)冶金反應(yīng)的影響。）對(duì)冶金反應(yīng)的影響。 2、冶金過(guò)程熱力學(xué)、冶金過(guò)程熱力學(xué)3、冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)、冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)冶金反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理，反應(yīng)速率限制冶金反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理，反應(yīng)速率限制環(huán)節(jié)，各種參數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響環(huán)節(jié)

4、，各種參數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響 主要研究?jī)?nèi)容：主要研究?jī)?nèi)容：主要研究?jī)?nèi)容：主要研究?jī)?nèi)容：714、冶金溶液、冶金溶液 冶金熔體冶金熔體和水溶液和水溶液 三、冶金原理分類三、冶金原理分類冶金溶液的冶金溶液的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、物理物理化學(xué)性質(zhì)，相平衡條件化學(xué)性質(zhì)，相平衡條件 三、冶金原理分類三、冶金原理分類 火法冶金原理火法冶金原理，濕法冶金，濕法冶金原理，電化學(xué)冶金原理原理，電化學(xué)冶金原理分類：分類：主要研究?jī)?nèi)容：按研究的具體冶金過(guò)程的工作條件劃分：按研究的具體冶金過(guò)程的工作條件劃分：鋼鐵冶金原理，有色冶金原理鋼鐵冶金原理，有色冶金原理按具體的冶金對(duì)象劃分：按具體的冶金對(duì)象劃分：8四、冶金熔體四、冶金熔體1、

5、冶金熔體含義、冶金熔體含義2、冶金熔體分類、冶金熔體分類(1) 金屬熔體金屬熔體例：鋼、生鐵、銅液例：鋼、生鐵、銅液(2) 熔渣熔渣P6： （1）冶煉渣；（）冶煉渣；（2）精煉渣；（）精煉渣；（3）富集渣；（富集渣；（4）合成渣。成分見(jiàn)表）合成渣。成分見(jiàn)表1-1(3) (3) 熔鹽熔鹽(4) 熔锍：熔锍：多種金屬硫化物的共熔體多種金屬硫化物的共熔體反應(yīng)介質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物(或中間產(chǎn)品)金屬及其分類有色金屬的分類 我國(guó)有色金屬的產(chǎn)量 冶金和冶金方法 有色金屬提取的特點(diǎn) 人類使用金屬的歷史 人類最早使用的金屬黃金。 銅也是最早使用的金屬之一，距今8000年以前，人類已經(jīng)使用銅。 鉛也是人類史前使用的金屬

6、，煉鉛和煉銅術(shù)大致始于同一歷史時(shí)期。 錫也是古老金屬，最初是在熔煉自然銅和錫礦石或處理錫銅礦石的混合物偶然獲得錫銅合金（錫青銅）構(gòu)成了人類古代文明的青銅器時(shí)代。人類使用金屬的歷史 鋅在古代是被人類制成黃銅作裝飾品應(yīng)用。我國(guó)是最早掌握煉鋅技術(shù)的國(guó)家，大概在北宋末年（12世紀(jì)初）已使用了金屬鋅。 鎳是既古老又年輕的金屬。古代埃及、中國(guó)、巴比倫人都曾用含鎳很高的隕鐵制作器物。古代云南生產(chǎn)的白銅中含鎳很高，在歐洲曾經(jīng)稱這種白銅為“中國(guó)銀”。而到了1751年，瑞典礦物學(xué)家克朗斯塔特（A.F. Cronstedt）才分離出金屬鎳，而且鎳用于工業(yè)上是近一百多年的事。 金屬的分類 西方：鐵（西方：鐵（Ferr

7、ous Metal）；）； 非鐵金屬（非鐵金屬（Non-Ferrous Metal）。）。 蘇聯(lián)、中國(guó)：黑色金屬和有色金屬。蘇聯(lián)、中國(guó)：黑色金屬和有色金屬。 黑色金屬：通常指鐵、錳、鉻及它們的合金（主要指黑色金屬：通常指鐵、錳、鉻及它們的合金（主要指鋼鐵）。錳和鉻主要應(yīng)用于制合金鋼，而鋼鐵表面常鋼鐵）。錳和鉻主要應(yīng)用于制合金鋼，而鋼鐵表面常覆蓋著一層黑色的覆蓋著一層黑色的Fe3O4，所以把鐵、錳、鉻及它們，所以把鐵、錳、鉻及它們的合金叫做黑色金屬。這樣分類主要是從鋼鐵在國(guó)民的合金叫做黑色金屬。這樣分類主要是從鋼鐵在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位出發(fā)的。經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位出發(fā)的。 有色金屬：

8、通常是指除黑色金屬以外的其他金屬。有色金屬：通常是指除黑色金屬以外的其他金屬。有色金屬的分類 有色金屬可分為四類：有色金屬可分為四類： （1）重金屬，一般是指密度在4.5 （或5）gcm-3以上的金屬，過(guò)渡元素大都屬于重金屬。主要有11種： 銅Cu、鉛Pb、鋅Zn、鎳Ni、錫Sn、鈷Co、砷As、鉍Bi、銻Sb、鎘Cd、汞Hg； （2）輕金屬，密度在4.5 （或5） gcm-3以下的金屬叫輕金屬，周期系中第A、A族均為輕金屬，主要有7種： 鋁Al、鎂Mg、鉀K、鈉Na、鈣Ca、鍶Sr、鋇Ba； （3）貴金屬，通常是指金、銀和鉑族元素。這些金屬在地殼中含量較少，不易開(kāi)采。這些金屬對(duì)氧和其他試劑較

9、穩(wěn)定，金、銀常用來(lái)制造裝飾品和硬幣。主要有8種： 銀Ag、金Au、鉑Pt、銥Ir、鋨Os、錸Re、銠Rd、鈀Pd； （4）稀有金屬，它們難于從原料中提取，在工業(yè)上制備及應(yīng)用較晚。稀有金屬跟普通金屬?zèng)]有嚴(yán)格的界限，如有的稀有金屬在地殼中的含量比銅、汞、鎘等金屬還要多。 a） 高熔點(diǎn)稀有金屬（共8種）： 鎢W、鉬Mo、釩V、鈦Ti、鋯Zr、 鉿Hf、鉭Ta、鈮Nb； b） 稀散金屬（共7種）： 鎵Ga、銦In、鉈Tl、鍺Ge、碲Te、硒Se、 錸 Re； c）稀土金屬（共15種）： 鈧Sc、銥Y、鑭La系元素； d）稀有輕金屬（共4種）： 鋰Li、鈹Be、銣Rb、銫Cs； e） 稀有放射性金屬（共

10、4種）： 鐳Ra、鈁Fr、錒Ac、鈾U。 我國(guó)有色金屬的產(chǎn)量 中國(guó)有色金屬產(chǎn)量 2002年為1012萬(wàn)t， 2003年達(dá)到1182萬(wàn)t， 2004年達(dá)到1398萬(wàn)t， 2005年達(dá)到1631.8萬(wàn)t， 2006年1917萬(wàn)t， 2007年達(dá)到2361萬(wàn)t。 2014年4417萬(wàn)噸冶金學(xué)發(fā)展歷史 源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的冶金生產(chǎn)技術(shù)，直到18世紀(jì)末，才從近代自然科學(xué)中汲取營(yíng)養(yǎng)，逐漸發(fā)育成一門(mén)近代科學(xué)冶金學(xué)。冶金學(xué)的成就冶金學(xué)的成就 冶金學(xué)不斷地吸收自然科學(xué)，特別是物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等方面的新成就，指導(dǎo)著冶金生產(chǎn)技術(shù)向廣度和深度發(fā)展。另一方面，冶金生產(chǎn)又以豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充實(shí)冶金學(xué)的內(nèi)容，發(fā)展成為兩大領(lǐng)域：即

11、提取冶金學(xué)（Extractive metallurgy） 物理冶金學(xué)（Physical metallurgy）。冶金學(xué)科分類 1）提取冶金學(xué)：從礦石中提取金屬（包括金屬化合物）的生產(chǎn)過(guò)程稱為提取冶金學(xué)。由于這些生產(chǎn)過(guò)程伴有化學(xué)反應(yīng)，故又稱為化學(xué)冶金學(xué)。它研究火法冶煉、濕法提取或電化學(xué)沉積等各種過(guò)程及方法的原理、流程、工藝及設(shè)備，故又稱為過(guò)程冶金學(xué)，中國(guó)習(xí)慣簡(jiǎn)稱冶金學(xué)。即狹義的冶金學(xué)指的是提取冶金學(xué)。 提取冶金學(xué)的任務(wù)是研究各種冶煉及提取方法，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，擴(kuò)大品種并增加產(chǎn)量。包括： 鋼鐵冶煉； 有色金屬冶煉 冶金過(guò)程的物理化學(xué)研究。 2）物理冶金學(xué)：物理冶金學(xué)

12、是通過(guò)成型加工的研究，制備有一定性能的金屬或合金材料的學(xué)科，又稱金屬學(xué)。 金屬（包括合金）的性能（物理性能及力學(xué)性能）不僅與其化學(xué)成分有關(guān)，而且被成型加工或金屬熱處理過(guò)程產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)所決定。 成型加工包括金屬鑄造、粉末冶金（制粉、壓制成型及燒結(jié)）及金屬塑性加工（壓、拔、軋、鍛）。 研究金屬的塑性變形理論、塑性加工對(duì)金屬力學(xué)性能的影響以及金屬在使用過(guò)程中的力學(xué)行為，則稱之為力學(xué)冶金學(xué)，也屬于物理冶金學(xué)的一個(gè)組成部分。 提取冶金方法提取冶金方法 1）火法冶金：）火法冶金：Pyrometallurgy； 2）濕法冶金：）濕法冶金：Hydrometallurgy ； 3）電冶金：）電冶金：Elect

13、rometallurgy ； 4）粉末冶金：）粉末冶金：Powder metallurgy?；鸱ㄒ苯鸹鸱ㄒ苯?利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過(guò)程。此過(guò)程沒(méi)有水溶液參加，故又稱為干法冶金。 火法冶金的工藝流程一般分為礦石準(zhǔn)備、冶煉、精煉3個(gè)步驟?；鸱ㄒ苯鸹鸱ㄒ苯?礦石準(zhǔn)備。選礦得到的細(xì)粒精礦不易直接加入鼓風(fēng)爐（或煉鐵高爐），須先加入冶金熔劑（能與礦石中所含的脈石氧化物、有害雜質(zhì)氧化物作用的物質(zhì)），加熱至低于爐料的熔點(diǎn)燒結(jié)成塊；或添加粘合劑壓制成型；或滾成小球再燒結(jié)成球團(tuán)；或加水混捏；然后裝入鼓風(fēng)爐內(nèi)冶煉?；鸱ㄒ苯鸹鸱ㄒ苯?硫化物精礦在空氣中焙燒的主要目的是：除去硫和易揮發(fā)的雜質(zhì)，并使之

14、轉(zhuǎn)變成金屬氧化物，以便進(jìn)行還原冶煉；使硫化物成為硫酸鹽，隨后用濕法浸取；局部除硫，使其在造锍熔煉中成為由幾種硫化物組成的熔锍。 冶煉。此過(guò)程形成由脈石、熔劑及燃料灰分融合而成的爐渣和熔锍（有色重金屬硫化物與鐵的硫化物的共熔體）或含有少量雜質(zhì)的金屬液。有還原冶煉、氧化吹煉和造锍熔煉3種冶煉方式： 還原冶煉：是在還原氣氛下的鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行。加入的爐料，除富礦、燒結(jié)塊或球團(tuán)外，還加入熔劑（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作為發(fā)熱劑產(chǎn)生高溫和作為還原劑。可還原鐵礦為生鐵，還原氧化銅礦為粗銅，還原硫化鉛精礦的燒結(jié)塊為粗鉛。 氧化吹煉：在氧化氣氛下進(jìn)行，如對(duì)生鐵采用轉(zhuǎn)爐，吹入氧氣，以氧化除去鐵水中的硅

15、、錳、碳和磷，煉成合格的鋼水，鑄成鋼錠。 造锍熔煉：主要用于處理硫化銅礦或硫化鎳礦，一般在反射爐、礦熱電爐或鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行。加入的酸性石英石熔劑與氧化生成的氧化亞鐵和脈石造渣，熔渣之下形成一層熔锍。在造锍熔煉中，有一部分鐵和硫被氧化，更重要的是通過(guò)熔煉使雜質(zhì)造渣，提高熔锍中主要金屬的含量，起到化學(xué)富集的作用。 精煉。進(jìn)一步處理由冶煉得到的含有少量雜質(zhì)的金屬，以提高其純度。如煉鋼是對(duì)生鐵的精煉，在煉鋼過(guò)程中去氣、脫氧，并除去非金屬夾雜物，或進(jìn)一步脫硫等；對(duì)粗銅則在精煉反射爐內(nèi)進(jìn)行氧化精煉，然后鑄成陽(yáng)極進(jìn)行電解精煉；對(duì)粗鉛用氧化精煉除去所含的砷、銻、錫、鐵等，并可用特殊方法回收粗鉛中所含的金及銀。對(duì)

16、高純金屬則可用區(qū)域熔煉等方法進(jìn)一步提煉。 2）濕法冶金）濕法冶金 濕法冶金是利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡(luò)合等化學(xué)作用，對(duì)原料中金屬進(jìn)行提取和分離，得到金屬或其化合物的過(guò)程，稱為濕法冶金。由于大部分溶劑是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境污染少，并且能提煉低品位的礦石，但成本較高。主要用于生產(chǎn)鋅、氧化鋁、氧化鈾及一些稀有金屬。 濕法冶金在機(jī)理上屬物理化學(xué)的內(nèi)容，其生產(chǎn)步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。 （1）浸出 選擇適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ缢?、堿、氨、氰化物、氯化物、有機(jī)溶劑等）把經(jīng)處理過(guò)的礦石中的常以化合物形式存在的金屬選擇性地溶解，以便使其與其它不溶的物質(zhì)分離的過(guò)程。浸

17、取過(guò)程常涉及到置換和氧化還原反應(yīng)，為得到所需要的產(chǎn)物，對(duì)浸取劑的酸堿度要加以控制。 此外，凡影響化學(xué)反應(yīng)的因素都對(duì)浸取過(guò)程產(chǎn)生影響，一般加溫和加壓可都加速浸取過(guò)程。還可以利用細(xì)菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱為微生物冶金或細(xì)菌采礦。 （2）分離： 將浸取溶液與不溶的殘?jiān)蛛x的過(guò)濾過(guò)程。同時(shí)還要考慮將殘?jiān)械娜軇┖徒饘匐x子洗滌回收。 （3）富集： 把分離得到的浸取液凈化和富集的過(guò)程，包括：化學(xué)沉淀、離子交換、溶劑萃取等方法： 化學(xué)沉淀又可分為置換沉淀（如用鐵置換硫酸銅中的銅）、水解沉淀（如鈹?shù)柠}類化合物水解成氫氧化物）、分布結(jié)晶（如銣和鉀的草酸鹽）等種類。 離子交換過(guò)程 是以固相的樹(shù)脂作為離

18、子交換劑，與液相中的離子發(fā)生可逆的離子交換過(guò)程，已用于鈾、鑭系和錒系金屬等的富集。 溶劑萃?。鹤屗芤号c不溶于水的有機(jī)溶液互相接觸，把水溶液中的溶質(zhì)擇優(yōu)地轉(zhuǎn)入有機(jī)相的過(guò)程。已用于鈾、稀土、銅、鎳和鈷等的富集。 （4）提取 從富集后的凈化液中獲得純金屬的過(guò)程。一般采用下面要講到的電解法。 3）電冶金）電冶金 利用電能從礦石或其他原料中提取、回收和精煉金屬的冶金過(guò)程。 電冶金成為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的先決條件是廉價(jià)電能的大量供應(yīng)。 電冶金包括電爐冶煉、熔鹽電解和水溶液電解等。 廣義上講電冶金是指應(yīng)用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過(guò)程。顯然也包括電爐冶煉。但實(shí)際工程上所提到的電冶金一般指

19、電解（電化學(xué)）冶金，包括水溶液電解和熔鹽電解，而把電爐冶煉歸入火法冶金的范疇。3）電冶金）電冶金 電爐冶煉是利用電能獲得冶金所要求的高溫而進(jìn)行的冶金生產(chǎn)。如電弧爐煉鋼是通過(guò)石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼，可獲得比用燃料供熱更高的溫度，且爐內(nèi)氣氛較易控制，對(duì)熔煉含有易氧元素較多的鋼種極為有利。3）電冶金）電冶金 熔鹽電解是利用電能加熱并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質(zhì)進(jìn)行電解，自熔鹽中還原金屬，以提取和提純金屬的冶金過(guò)程，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。 水溶液電解是利用電能轉(zhuǎn)化的化學(xué)能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽(yáng)

20、極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。 （1）水溶液電解： 以溶有金屬離子的水溶液作為電解質(zhì)，使金屬離子在陰極上析出的過(guò)程。水溶液電解過(guò)程也可以把含雜質(zhì)的金屬作為陽(yáng)極，電解過(guò)程使其不斷溶解到水溶液中，并在陰極析出，叫電解精煉（可溶陽(yáng)極電解），如金、銀、鈷、鎳、銅等貴重金屬大多采用電解精煉來(lái)獲得高純成分；如果陽(yáng)極材料本身不參與電解過(guò)程，只是把濕法冶金中獲得的浸取液中的金屬在陰極沉淀析出的過(guò)程，則叫電解提?。ú蝗荜?yáng)極電解），例如鋅、鉻、錳的提取。 （2）熔鹽電解： 以高導(dǎo)電率、低熔點(diǎn)的金屬熔鹽作為電解質(zhì)，使金屬離子在陰極析出的過(guò)程。主要用于不溶于水的金屬鹽類，如鋁、鎂、鈉等活

21、潑金屬。由于金屬能溶于熔鹽，或者與高價(jià)氧化物反應(yīng)生成低價(jià)化合物重新溶入熔鹽，熔鹽電解的電流效率要低于水溶液電解。 4）粉末冶金）粉末冶金 用濕法冶金和電冶金獲得的金屬往往是以顆粒的形式存在，要想得到大塊的致密金屬和金屬零部件，可采用粉末冶金的方法。 粉末冶金由以下幾個(gè)主要工藝步驟組成：配料、壓制成型、坯塊燒結(jié)和后處理。對(duì)于大型的制品，為了獲得均勻的密度，還需要采取等靜壓（各方向同時(shí)受液壓）的方法成型。 火法冶金大量用于鋼鐵材料的生產(chǎn)，濕法冶金和電冶金主要用于有色金屬（除鋼鐵以外的金屬）的生產(chǎn)。 許多有色合金既可以采用濕法冶金也可以采用火法冶金生產(chǎn)，可根據(jù)礦石品位、工程條件以及生產(chǎn)成本來(lái)選擇。 電冶金是獲得高純度金屬的一種有效辦法，火法冶金和濕法冶金的產(chǎn)品常常是作為初級(jí)產(chǎn)品，通