重金属冶金学

1有色金属冶金学重金属冶金学部分符金开21绪论有色金属重金属轻金属贵金属稀有金属有色金属：是指铁、铬、锰以外的金属。64种重金属一般指比重大于5.0的金属，包括铜、铅、锌、镍、锡等十多种金属31.1我国有色冶金工业的发展现状和目标到2000年底，我国规模以上有色金属工业企业近3000家，总资产3100亿元，从业人员130万人。2000年10种主要有色金属冶炼能力为900万吨，其中铜160万吨，铝330万吨，铅120万吨，锌220万吨；铜加工能力为256万吨，铝材加工能力为335万吨。4(1)95年以来我国有色金属产销量持续增长，其产销量见表1-1。表1-1近年我国有色金属产销量(万吨)1.1.1“九五”期间我国有色金属工业取得的主要成绩产品名称1995年1996年1997年1998年1999年2000年年均递增率/%10种有色金属产量496.6523.1581.0616.4694.7775.09.3110种有色金属消费量442.0490.3502.0528.0570.06.56其中电解铜产量107.9111.9117.9121.1117.4137.04.89电解铜消费量119.3139.2128.5135.0140.04.08电解铝产量186.9190.1217.8243.5280.9289.09.11电解铝消费量191.7204.3226.0240.0270.08.94精铅产量60.870.670.775.791.8105.011.55精铅消费量44.247.049.350.051.03.64锌锭产量107.6118.5143.4148.6170.0195.012.63锌锭消费量75.582.986.190.095.05.915(2)我国已成为世界有色金属生产大国。世界有色金属生产大国的产量及位次见表1-2。国家1990年1994年1995年1998年产量位次产量位次产量位次产量位次美国9771103511175112471加拿大3084396341134383俄罗斯6282547238244224日本3313338536353665德国2435223724162676澳大利亚2127230622372597巴西1428169818581848智利1199128915192369法国11410127101431014510表1-2世界有色金属生产大国的产量及位次(万吨)中国23963954503261626表1-3近4年来我国10种常用有色金属产量（单位：万吨）铜铝铅锌镍锡锑镁海绵钛汞2002年产量1584361292115712233648t495t2003年产量1775561582296.51010344118t610t2004年产量2066841812527.5411.712.542.64694t424t2005年产量2587802382719.5311.914.6479274t361t2002年，中国有色金属产量为1012万吨，第一次超过美国，成为世界有色金属第一生产大国。2003年达到1182万吨，第二次居世界第一位。2004年达到1398万吨，第三次居世界第一位，2005年达到1631.8万吨，连续四年居世界第一位。7(3)进出口贸易有较大幅度增长。随着有色金属产量年均增长率的提高，改变了我国有色金属长期短缺的状况。目前我国在常用金属中，除了铜因受资源限制尚存缺口外，铝的供需已基本平衡，铅锌自给有余，镁产量激增，大量进入国际市场，钨、锡、锑、钼和稀土等传统出口产品仍保持一定的出口规模，我国已成为有色金属冶炼产品净出口国。(4)部分大企业技术装备水平明显提高。通过对重点企业的改扩建项目的实施，采用了世界上最先进的铜、铝冶炼技术与装备，如奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔池熔炼、ISA法熔炼、拜耳法生产氧化铝、300kA预焙阳极铝电解槽等，使一批有色金属生产基地的工艺技术装备达到了国际先进水平。8(5)依靠科技进步，主要技术经济指标明显改善。通过推广强化熔炼、铝电解槽大型化、低浓度SO2烟气制酸等先进技术，有色金属主要经济指标提高了很多。指标名称1995年1999年降低的％氧化铝综合能耗(标煤)/Kg·t-11783130223.9氧化铝碱耗/Kg·t-11477946.3氧化铝成本/元·t-11589134715.2原铝直流电耗/kW·h·t-114530143421.3铝锭综合交流电耗/kW·h·t-116600156036.0铝锭成本/元·t-111065105035.1铜精矿成本/元·t-113847955731.0铜冶炼综合能耗(标煤)/Kg·t-1118411522.7电解铜成本/元·t-1189871325430.2铅精矿成本/元·t-12723210522.7电铅成本/元·t-14304334022.4锌精矿成本/元·t-12634224214.9电锌成本/元·t-1728466988.191.2制约21世纪有色金属工业可持续发展的主要问题(1)矿山资源紧缺，形势严峻。我国铜品位低，大型铜矿少，可供利用的资源严重不足，难以满足铜工业发展要求。2000年铜精矿进口量达31万吨，2004年铜矿进口总量为288万吨，铜（包括阳极铜、精炼铜和铜合金）进口总量为138万吨。铝土矿储量虽然丰富，但大多属于高铝、高硅、低铁的一水硬铝石，矿石的溶出性差，与国外高铝硅比、易溶出的三水铝石相比，在氧化铝回收率、碱耗和综合能耗方面有较大差距。铅、锌、钨、锡、锑、稀土矿资源比较丰富，但富矿多数已被开发利用。(2)产品结构不合理。到2000年底，我国10种有色金属矿山原料年生产能力为550万吨，而冶炼能力达900万吨，矿山建设严重滞后于冶炼。10(3)生产集中度低。全国共有电解铝厂116家，平均规模2.4万吨/a，超过10万吨/a的企业只有8家，占总能力的40％。50家铜冶炼厂，平均规模仅2万吨/a，超过10万吨的企业只有9家，占总能力的50％。770多家铅锌冶炼厂，平均规模0.3万吨/a，超过5万吨/a的企业有11家，占总能力的50％。而发达国家铜冶炼和电解铝厂的规模一般都在20万吨/a以上，铅锌冶炼厂规模一般在10万吨/a以上。(4)技术装备落后，环境污染严重。按生产能力计算，目前技术装备达到国际先进水平的不足20％，大多数中小企业技术和装备落后，众多小冶炼企业仍采用土法工艺，浪费资源，污染环境。11(5)我国有色金属工业能耗高。我国吨粗铜综合能耗(标煤)平均为1.130t/t，其中最低的粗铜能耗(标煤)为0.68t/t。而国外闪速炉的能耗(标煤)只有0.3t/t。我国的密闭鼓风炉铅能耗(标煤)为0.78t/t，国外的为0.45t/t。我国的火法炼铜成本为1600美元/t，炼镍成本为6000美元/t，而国外的火法炼铜的成本为1200～1300美元/t，炼镍成本为4500美元/t。目前我国的有色金属企业的二氧化硫利用率约76％左右，达到96％以上利用率的仅有少数企业，致使二氧化硫排放量较大，污染较为严重，而国外企业的二氧化硫利用率普遍可达96％以上。我国水资源短缺，而有色金属工业普遍水资源消耗强度大，1997年有色金属工业万元产值耗水为309.2t，与美国的1993年万元产值耗水9t相比，相差34倍。121.321世纪有色金属工业环境友好可持续发展的战略目标指导思想(1)以市场为导向，以经济效益为中心，以科技进步为动力，加快结构调整。(2)重点发展矿产原料、深加工产品和新材料。(3)搞好总量调控，加快淘汰落后工艺装备。(4)加强技术创新，推进清洁生产。(5)培育有国际竞争力的大型企业集团，实现有色冶金工业持续、健康发展。13规划目标(2000年制定)(1)总量调控。2005年10种有色金属产量调控目标为800万吨。其中铜170万吨，铝350万吨，铅90万吨，锌170万吨，锡、锑各6万吨，钨1.2万吨，稀土氧化物6万吨。(2)产品结构。调整各种有色金属原料的产量；完善并促进废杂料的回收，提高再生金属产量；集中力量发展国内大量进口的有色金属深加工产品，加快半导体及高纯材料、超导材料、储氢材料、高性能电池材料、粉体及微孔材料等新材料的产业化。14(3)技术装备。大型企业工艺技术装备和主要技术经济指标接近或达到世界先进水平。(4)组织结构。通过联合重组，培育1～2个具有国际竞争力的大型企业集团；组建8～10家具有比较优势的区域性集团，生产高附加值产品，在国内有较强的竞争力；创建一批新材料产业化为主的高新技术企业；中小型企业以专业化生产为主，向特、精、新、深的方向发展。(5)环境保护。在2000年的基础上，2005年工业污染物排放总量再消减10％；工业水复用率由2000年的79％提高到85％以上；大中型冶炼企业环保设施达到国际先进水平，建成一批“清洁生产”企业。15重金属冶金学部分主要讲：Cu、Pb、Zn、Ni、Sn五种重金属的冶金Au、Ag和铂族金属冶金，包括Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir16重金属生产和使用的历史铜是人类最早发现和使用的金属之一，距今8000年以前，人类已经使用铜。铅也是人类史前金属，炼铅术和炼铜术大致始于同一历史时期。锡也是古老金属，最初是在熔炼自然铜和锡矿石或处理锡铜矿石的混合物偶然获得锡铜合金（锡青铜）－构成了人类古代文明的青铜器时代。锌在古代是被人类制成黄铜作装饰品应用。我国是最早掌握炼锌技术的国家，大概在北宋末年（12世纪初）已使用了金属锌。镍是既古老又年轻的金属。古代埃及、中国、巴比伦人都曾用含镍很高的陨铁制作器物。古代云南生产的白铜中含镍很高，在欧洲曾经称这种白铜为“中国银”。而到了1751年，瑞典矿物学家克朗斯塔特（A.F.Cronstedt）才分离出金属镍，而且镍用于工业上是近一百多年的事。17贵金属生产和使用的历史：贵金属中金和银是被人类发现和使用最早。早在新石器时代，人类就已识别黄金。约在公元前3000年，人类掌握了炼银技术。铂族金属Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir，于19世纪初到中叶，由欧洲的科学家们发现。18从铜的原子结构来看，铜具有d组元素的通性，所以只能失去电子，不会和电子结合。从而有以下特点：a)有两种价态(Cu+，Cu2+)，2价铜离子在溶液中显蓝色；b)能生成络合物，如[Cu(NH3)4]SO4；c)能和非金属性强的元素直接化合成二元化合物，如CuS、Cu2S、CuO、Cu2O、CuCl2等；d)铜的高导电性、导热性及良好的延展性是最有价值的特性；e)铜与金银一样属于活性小的金属。但在含CO2的潮湿空气中，铜的表面会慢慢生成有毒的铜绿即铜锈［Cu(OH)2CO3］。铜与盐酸与稀硫酸不起作用，但有氧存在时，可缓慢溶解。2铜冶金2.1概述2.1.1铜的性质19CuS呈黑绿色或棕色，自然界中以铜蓝矿物形态存在，比重4.66，熔点1110℃；中性或还原性气氛中加热分解：4CuS＝2Cu2S＋S2Cu2S呈蓝黑色，自然界中呈辉铜矿矿物存在，比重5.785，熔点1135℃；常温下很稳定，加热到200～300℃时，可氧化成CuO和CuSO4，加热到330℃以上时就氧化成Cu2O。在高温下（1150℃），有氧条件下强烈氧化：Cu2S＋O2＝2Cu＋SO2Cu2S与FeS及其他金属硫化物共熔形成锍。Cu2S不溶于水，几乎不溶于弱酸，能溶于硝酸。Cu2S与浓盐酸作用时，逐渐溶解时放出H2S。Cu2S能很好地溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、CuCl2和HCN（需氧）。2.1.2铜的主要化合物及其性质20CuO呈黑色无光泽，在自然界以黑铜矿形态存在，比重6.3左右，熔点1447℃；CuO不稳定，加热时离解：4CuO＝2Cu2O＋O2CuO不溶于水，但能溶于硫酸、盐酸等酸中，还能溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、NH4OH和(NH4)2CO3等溶液中。Cu2S与FeS及其他金属硫化物共熔形成锍。Cu2S不溶于水，几乎不溶于弱酸，能溶于硝酸。Cu2O粉末呈红色，致密的呈缨红色，有光泽，在自然界以赤铜矿形态存在，比重5.7～6.1，熔点1230℃；加热到2