有色金属冶金学1

有色金属冶金学Non-ferrousMetallurgy有色金属冶金系卢惠民2002年4月绪论•有色金属及其分类•有色金属冶金方法•有色金属冶金工艺过程•有色金属冶金在国民经济中的地位和作用•有色金属冶金学内容及课时安排•有色金属冶金学教学形式•参考书§1有色金属及其分类1金属：通常把元素周期表中具有光亮的金属光泽，很高的导热、导电性及良好的延展加工性的化学元素称为金属。109种元素中93种金属元素分类：（1）铁金属和非铁金属：铁金属指铁和铁基合金，包括生铁、铁合金和钢；非铁金属：铁和铁合金以外的金属元素；（2）黑色金属和有色金属：黑色金属：铁、铬、锰；有色金属：将铁、铬、锰以外的金属。（90种）通常按密度大小、矿物原料富集程度、发现的早晚、用途和价格将有色金属分为：轻金属、重金属、稀有金属和贵金属四大类。2轻金属：密度小于5.0,具有很大活性的有色金属,如：铝(2.7)、镁(1.74)、钠、钾、钙、锶、钡，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔盐电解或真空冶金方法来提取。3重金属：密度大于5.0，而化学性质不如轻金属活泼的有色金属，如铜(8.95)、镍、钴、铅、锌、锡、锑、汞、镉、铋等，一般用火法冶金或湿法冶金方法来提取。我国10种常用有色金属(铝AlCuZnPbNiMgSnSbTiHg)因产量大，用途广，价格低，称为常用有色金属或贱金属。贵金属：金(Au)、银(Ag)和铂族金属（PtPdRhIrOsRu)。由于化学活性低，又称惰性金属。3稀有金属：93种金属元素中占60种。有的在地壳中丰度小，天然资源少；有的虽丰度大，赋存状态分散，不能经济提取；有的物理化学性质接近不容易分离成单一金属；有的开发较晚，过去使用的较少。钛有时列入轻金属。稀有金属按元素物理化学性质、赋村状态，生产工艺以及其他一些特征，分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀有分散性金属、稀土金属和稀有放射性金属。稀有轻金属：LiBeRbCr密度小，锂：0.53稀有高熔点金属:TiVZrNbMoHfTaW,Ti:1660℃,W:3400℃稀散金属：InGeGaTlSeTeRe稀土金属：ScY57~71号镧系元素（17个）稀有放射性金属：TcPoFrRa89~103锕系元素，104~112号元素§2有色金属冶金方法有色金属冶金学：是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取有色金属或有色金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的有色金属材料的科学。广义：矿石采矿、选矿、冶炼和加工。狭义：矿石或精矿的冶炼，提取冶金。有色金属冶金方法：（1）火法冶金：它是指在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的有色金属与脉石和杂质分开，获得较纯有色金属的过程。整个过程包括原料准备、熔炼和精炼三个工序。过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供。（2）湿法冶金：它是在常温（或低于100℃）常压或高温（100~300℃）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的有色金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将有色金属提取和分离出来的过程。该方法主要包括浸出、分离、富集和提取的过程。（3）电冶金：它是利用电能提取和精炼有色金属的方法。A、电热冶金：利用电能转变成热能在高温下提炼有色金属，本质同火法冶金。B、电化学冶金：用电化学反应使有色金属从所含盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为水溶液电解，可归入湿法冶金；后者称为熔盐电解，可归入火法冶金。§3有色金属冶金工艺过程（1）焙烧：是指将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求。焙烧过程按控制的气氛不同，分为：氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。（2）煅烧：是指将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解，除去二氧化碳或水分变成氧化物的过程，如石灰石煅烧为石灰；氢氧化铝煅烧成氧化铝，作电解铝原料。（3）烧结和球团：将粉矿或精矿经加热焙烧，固结成多孔状或球状的物料，以适应下一工序熔炼的要求。（4）熔炼：是指将处理好的矿石、精矿或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿物原料中有色金属组分与脉石和杂质分离为两个液相层即金属（或金属锍）液和熔渣的过程，也叫冶炼。分为还原熔炼、造锍熔炼和氧化吹炼。（5）火法精炼：在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得的含有少量杂质的粗金属以提高其纯度。种类：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等。（6）浸出：用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其它不溶组分初步分离的过程。浸出又称浸取（重金属）、溶出（轻金属）和湿法分解（稀有金属）。（7）液固分离：该过程是将矿物原料经过酸、碱等溶液处理后的残渣与浸出液组成的悬浮液分离成液相与固相的湿法冶金单元过程。主要有物理方法和机械方法：重力沉降、离心分离、过滤等。（8）溶液净化：将矿物原料中与欲提取的有色金属一道溶解进入浸出液的杂质金属除去的湿法冶金单元过程。净液的目的是使杂质不至于危害下一工序对主金属的提取。方法主要有：结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。（9）水溶液电解：利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属而析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极。前者从浸出净化液中提取金属，称为电解提取或电解沉积（简称电积），也称不溶阳极电解，如铜电积；后者以粗金属为原料进行精炼，称为电解精炼或可溶阳极电解，如粗铜、粗铅的电解精炼。（10）熔盐电解：利用电热维持熔盐所要求的高温，又利用直流电转换的化学能自熔盐中还原金属，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。§4有色金属冶金工业在国民经济中的地位和作用•国民经济的基础产业•高科技发展的支柱产业•资源优势，世界第三：总量丰富、储量可观、品种齐全、资源配套程度高，世界首位储量：WSnTaLiBeMg稀土•产量：世界第一：ZnSbWMg稀土世界第二：PbMo第三：HgBi第四：CuTiCd第七：Ni第八：Ag复习思考题：1有色金属分为几类？有色金属中的稀有金属又分为几类？对于每一类有色金属和稀有金属你能举出几种有代表性的金属吗？2提取冶金方法是如何分类的？3火法、湿法、电化学法三种冶金方法包括哪些基本冶金过程？这些冶金单元过程在提取冶金工艺中各起什么作用？§5有色金属冶金学内容及课时安排绪言（2）1轻金属冶金（10）1.1铝冶金1.2镁冶金2重金属冶金（16）2.1铜冶金2.2锌冶金2.3镍冶金3稀有金属冶金（6）3.1钛冶金3.2钨冶金3.3稀土冶金4贵金属冶金（6）4.1金、银及铂组金属冶金4.2贵金属二次资源与生态环境§6有色金属冶金学教学形式1课堂教学2录像教学3自学讨论§7参考书1有色金属冶金学，邱竹贤主编，冶金工业出版社，1988年2有色金属提取冶金手册（11本），冶金工业出版社第一篇轻金属冶金学1铝冶金1.1概述1.1.1铝冶金的历史•铝在自然界中的分布地壳中铝8%，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。•我国开采历史悠久（1）汉代《本草经》（2）明代《天工开物》•Aluminum由来Pott,Marggraf,Morveau,Davy•化学法制取铝1825Oersted丹麦钾汞还原无水氯化铝1827Wohler德国钾还原无水氯化铝1854Deville法国钠还原NaCl-AlCl1865Bektob俄国镁还原冰晶石•电解法炼铝1886年美国Hall法国Heroult申请专利：方法不同，结果一样Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法法国：1889挪威：1906英国：1890意大利：1907德国：1898西班牙：1927奥地利1899前苏联：1931中国：19381.1.2现代铝工业•全世界原铝产量1890180t19006990t192518万t1950150万t19701025万t19801560万t20002400万t中国：2001年350万吨，世界第二美国、中国、加拿大、俄罗斯•用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为原铝，现代还生产精铝、高纯铝及多种铝基合金•现代铝工业三个主要生产环节：（1）从铝土矿提取纯氧化铝（2）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝（3）铝加工•辅助环节：（1）炭素电极制造（2）氟盐生产•现代铝工业生产流程简图•铝电解原理：现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950~970℃。电解液的密度约为2.1g/cm3，铝液密度为2.3g/cm3，两者因密度差而上下分层。铝液用真空抬包抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，纯度达99.5~99.8%。阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。经过净化后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用。1.1.3铝的性质和用途铝是元素周期表上第三周期IIIA族元素，原子序数13，相对原子量26.98154。1.1.3.1铝的物理性质•铝是轻金属，具有银白色的金属光泽•熔点低99.996%铝熔点为933K(660℃)•沸点高2467℃•密度小2.6966~2.6988g/cm3•电阻率小(2.8~2.85)×10-8·m•铝具有良好的导热能力在20℃，铝的热导率为2.1W/(cm·℃)•铝具有良好的反射光的能力，特别对于波长为0.2~12µm的光线•铝没有磁性，不产生附加的磁场，在精密仪器中不会起干扰作用•铝易于加工•铝的再生利用率高•铝可以同多种金属构成合金1.1.3.2铝的化学性质•铝同氧反应，生成Al2O3氧化铝的生成热为-31KJ/gAl•铝在高温下能够还原其他金属氧化物2Al+3MeO=Al2O3+3Me•在800℃以上温度，铝同三价卤化物（如AlF3）起反应生成一价铝的卤化物，在冷却时一价铝的卤化物分解出常价铝的卤化物和铝2Al+AlF3=3AlF•铝易同稀酸起反应，又易被苛性碱溶液侵蚀，生成氢气和可溶性盐•铝不与碳氢化合物起反应•铝的保护剂1.1.3.3铝与人体健康的关系•人体摄入少量的铝对健康无损害•维生素C的损失•少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中,如西红柿•要禁忌过量的铝•铝制品应用酸或碱食物，可用来烧煮米饭、稀粥、面条、土豆，不可存放隔夜食物•铝能对抗铅的某些毒性1.1.3.4铝合金的种类•铸造铝合金•加工用铝合金自学内容:何为铸造铝合金?加工用铝合金?1.1.3.5铝的用途•传统用途•铝在交通运输业上的应用•铝在航空工业上的应用•铝在冶金工业上的应用•铝在农业上的应用•铝合金能源1.1.4铝矿