有色金属冶金概论-总论

李主楼605#冶金与资源学院,有色金属冶金概论,安徽工业大学 冶金与资源学院 有色金属冶金概论,教学目标,安徽工业大学 冶金与资源学院 有色金属冶金概论,课 程 资 源教材,教材：冶金学下卷（邱竹贤主编，东北大学出版社，2010.10第二版） 有色冶金概论的相关教材较为稀缺，要么内容过于陈旧，要么内容广度不够，综合考虑后选用上面这本受欢迎程度较高的经典教材。课堂教学中，对部分内容进行了删减和补充。,安徽工业大学 冶金与资源学院 有色金属冶金概论,课 程 资 源辅助教材,1.有色金属简史及分类2.有色金属资源及地位3.有色金属提取冶金4.有色金属冶金展望,总论,1. 有色金属简史及分类,金属是可塑性、导电性及导热性良好，具有金属光泽的化学元素。金属：黑色金属和有色金属黑色金属：铁、铬、锰有色金属：除黑色金属以外的所有金属。,1.1 有色金属定义,据考证，铜、铅、锡、汞、金、银和铁都是史前金属。铜是人类最早发现的古老金属之一，8000年以前，人类就知道使用铜，7000年前知道有铅，3000年前就在炼丹术中使用汞，2000年前就出现了炼锡技术；铅也是人类最早提炼出来的金属之一，欧洲于17世纪有大规模生产铅的记载；中国是最早掌握炼锌技术的国家，约在16世纪，中国生产的金属锌开始传人欧洲，纯度在95以上，英国于18世纪初期开始生产锌。,1.2 有色金属简史,稀有金属的工业化生产较晚，大多始于20世纪，如钨和钼是在20世纪初期，而钛、锆、钽和铌则是在第二次世界大战之后。有色金属工业早期是从开采与利用金、银、铜、铅、锌等逐步发展起来的。,20世纪前半叶，铝、镁、镍等金属的生产有了较快的发展。20世纪中期是稀有金属蓬勃发展时期。随着科学技术的发展和各工业部门对有色金属需求的日益增加，促使有色金属冶金技术的迅速发展和生产规模的不断扩大。,1.2 有色金属简史,在有色金属分类上，全世界还没有统一的标准，各国分类方法不尽相同，而且在分类中某些金属的归属存在交又的情况。按中国惯例，大体上把有色金属分为五类。, 重有色金属 轻金属 贵金属 稀有金属 半金属,1. 3有色金属分类,简称重金属，包括铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锡(Sn)、锑（Sb）、汞（Hg）镉(Cd)、铋(Bi)10种，锑有时被划归半金属类。这类金属的共同特点是密度较大，都在6600kg/m3以上。每一种重有色金属根据其特性，在国民经济各部门中都具有其特殊的应用范围和用途。例如，铜是军工及电气设备的基本材料；铅在化工方面制耐酸管道、蓄电池等有着广泛应用；镀锌的钢材广泛应用于工业和生活方面；而镍和钴则是制定高温合金与不锈钢的重要合金元素。,（1）重有色金属,包括铝（Al）、镁（Mg）、钠（Na）、钾（K）、钙(Ca)、锶（Sr）、和钡（Ba）7种。这类金属的共同特点是密度较小，都在4000kg/m3以下；化学性质活泼，易与氧、卤素、水等作用。,（2）轻金属,包括金、银及铂族金属中的铂、锇、铱、钌、铑、钯 8种金属。这类金属的共同特点是化学性质稳定，密度大(10000-22000 kg/m3)，熔点较高(1189-3273K)。,（3）贵金属,这个名称并不是由于它们在地壳中的含量都稀少，而是因为某些稀有金属在地壳中的赋存状态比较分散，或发现较迟，或制取较困难，因而其生产和应用都较晚。在历史上给人以“稀有”的概念，遂被称为稀有金属，而沿用至今。稀有金属根据其物理化学性质或其在矿物中的共生情况，可分为五类。,（4）稀有金属, 稀有轻金属：包括锂、铷、铯、铍4种金属，其性质及生产方法与轻金属铝、镁等相似。锂电池在数码相机、手机等电子产品中广泛应用, 稀有高熔点金属：包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼和铼，共9种金属，其共同特点是熔点高，钨的熔点达3680K；耐腐蚀性能好。钛由于密度小，也有将它划归轻金属类的。铼由于无独立的矿床，主要分散在某些金属（特别是钼）的硫化矿中，因而也有人将它划归稀散金属类。, 稀土金属：包括镧系元素镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇，共17个金属。其共同特点是最外两层电子结构相同，钇与钪也与之相似，因而它们的物理化学性质非常相近，在矿物中共生在一起，在冶炼过程中的行为也大体相似。, 稀散金属：包括镓、铟、铊，锗、硒、碲，共6种金属，其共同特点是只有极少的独立矿物，一般都是以类质同象形态存在于其他矿物中，锗、硒、碲具有典型的半金属性质，因此也有把它们划归入半金属类的。,铟用在电脑显示屏等设备, 放射性金属：包括天然放射性金属钋 ，钫、镭、锕、钍、镤和铀，以及人造放射性金属锝、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹和104-117号元素，共33种金属，其共同特点是能自发放射出具有某种能量的射线(、射线）。,（5）半金属,又称似金属或类金属，包括硼、硅、砷、砹。其特点是它们的导电率介于金属和非金属之间，并且都具有一种或几种同质异构体，其中一种具有金属性质。硒、硫、锗、锑、钋也具有半金属的属性，按中国惯例已划归入其他类别中。,硅是重要的半导体材料,2. 有色金属资源及地位,2.1 有色金属资源,包括矿产资源和二次资源两类，世界有色金属矿产资源分布很不均匀，一半以上的储量集中在亚洲、非洲和拉丁美洲的一些发展中国家，40的储量分布于工业发达国家，这部分储量的4/5又集中在前苏联、美国、加拿大和澳大利亚。有色金属消费量很大的西欧和日本的资源却很少，其有色金属原料对外依赖的程度很大。,中国的有色金属资源十分丰富，品种齐全，钨、锑、钒、稀土、钛、锂及某些稀散金属的金属储量居世界首位，铅、锌、钼、钕等金属的储量处于世界前列。,二次资源亦称再生资源，主要是指含有色金属的废杂物料，如金属及其合金材料生产、加工过程中产生的废品、边角料，消费使用后的废弃物品等。这部分资源也蕴藏着大量的有色金属，是有色金属仅次于矿产资源的重要来源。,充分利用有色金属二次资源，除了其含金属量比矿石高、容易冶炼、能耗少因而冶炼成本低外，在保护资源和环保方面其有特殊意义，日益受到人们的重视。到20世纪80年代末，欧洲、美国、日本铜、铅的再生率平均达到1/2以上，铝、锌接近1/3。美国、英国、西德从二次铜资源回收的铜占其精铜总量40以上，而意大利所产的精铜几乎100%是再生铜。 根据中国有色金属工业协会统计，我国再生有色金属总产量在2006年达到了453万吨，占当年有色金属产量的23.6%。,2.2 有色金属的地位,从人类文明的历史来看，某些有色金属材料的出现和应用往往能促进整个人类文明历史的进步或促进某一科技领域取得突破性的进展。青铜的出现和应用标志着人类历史从此结束了历时数十万年的石器时代，进入了一个崭新的历史时期。,石器时代,青铜时代,铁器时代,2.3有色金属在民用工业的应用,有色金属在能源、电器、航空、冶金、机械、石油、化工、医疗卫生等工业部门中有着重要的应用。铜、铝以其极好的电导性和热导性及价廉易得，而大量用作各种发电、电器设备及电缆材料。各种化学电池如锌电池、镍镉电池、镍氢电池和硒光电池等，主要是用有色金属及其合金制造的。,铀、钍、钚是核电站反应堆的核燃料;锆、铍是反应堆的结构材料;铅则是反应堆的理想控制材料,铝、钛及其合金是航空、航天工业的基础材料。有色金属中的镍、钴、钨、钼、钒、稀土等是各种合金钢的主要添加剂，可以说没有这些有色金属就不会有合金钢。 锌作为耐腐蚀徐层，大量用于镀锌钢板的生产和钢铁材料的防腐。以碳化钨为基、以钴为粘结相的硬质合金在近1273K下仍能保持高的耐磨性和硬度，因而成为制造各种切削工具、钻头的理想材料，在历史上曾起过推动机械加工工业技术进步的作用。,材料工业，电子工业、印刷、陶瓷、超导技术、农业、食品工业等都离不开有色金属，特别是铝及其合金已广泛用于各工业领城，成为仅次于钢铁的金属材料。,2.3有色金属在民用工业的应用,有色金属广泛应用于军事工业各部门，成为军事工业发展必不可少的重要材料。如喷气式战斗机中的铝、钛、镁，枪炮弹中的铜，导弹、舰船中的钨、钼、铼、钒，核潜艇中的锆、铪，激光技术中的稀土、镓、硒、碲，红外技术中的锗、硅、镓，反坦克穿甲炮弹中的钨基高比重合金，等等。鉴于有色金属与军事工业关系密切，而被各国列为重要战略物资。,2.3有色金属在军事工业的应用,3. 有色金属提取冶金,3. 1 冶金学的定义与范畴,冶金学是指导人们合理有效利用矿产资源和二次资源，采用各种化学或物理方法提取出有价成分，经加工、转化后，使之成为具有一定使用性能的金属或非金属材料（钢铁、有色金属、合金、矿物材料、冶金中间产品与化合物等）的一门综合性的工程科学学科分支。 冶 冶金工程主要分为物理冶金和化学冶金两类，化学冶金又可分为钢铁冶金和有色金属冶金。有色金属提取冶金的任务是从矿石、精矿、二次资源或其他物料中分离出其他伴生元素产出金属或其化合物。,化学冶金,钢铁冶金,有色金属冶金,火法冶金湿法冶金电（化学）冶金外场冶金,炼铁炼钢,3.2 有色金属提取冶金的方法,火法冶金是高温条件下进行的冶金过程。包括焙烧、熔炼、还原、吹炼、火法精炼、真空精炼等主要过程，同时也包括某些辅助作业如熔铸和收尘等。矿石或精矿中的局部或全部矿物在高温下经过一系列物理化学变化。分别富集在气体、液体或固体产物中，生成另一种形态的化合物或单质。,火法冶金,达到所要提取的金属与脉石及其它杂质分离的目的实现火法冶金过程所需热能，通常是依靠燃料燃烧来供给，也有依靠过程中的化学反应供给的比方，硫化矿的氧化焙烧和熔炼就无需由燃料供热；金属热还原过程也是自热进行的火法冶金包括：干燥、焙解、焙烧、熔炼、精炼、蒸馏等过程。,湿法冶金是在水溶液中进行的冶金过程，湿法冶金是溶液中进行的冶金过程。湿法冶金温度不高。现代湿法冶金中的高温高压过程，一般低于100度，温度也不过200度，极个别情况温度可达300度。包括浸出、液固分离、溶液净化和溶液中金属提取等主要过程。,湿法冶金,电冶金是一种利用电热或电化学反应进行的冶金过程，分为电热冶金和电化冶金两类。 电化冶金按电解质分为水溶液电解和熔盐电解；按电解目的分为电解提取和电解精炼。,电冶金,三种主要冶金方法各有优缺点，有色金属的提取冶金常根据原料的不同和对产品的要求，采用两种或三种方法相互配合组成的提取流程。,大多数的重金属如铜、铅、锡，镍、钴等多采用以火法冶金方法制取粗金属，以电化冶金方法制取纯金属的提取流程。,轻金属多采用以湿法冶金方法制取金属纯化合物，以电冶金方法制取粗金属和纯金属的提取流程。,大多数稀有金属采用以湿法冶金方法制取纯金属化合物，以火法冶金方法或电冶金方法制取纯金属的提取流程。,贵金属中的金、银多采用以湿法冶金方法富集化合物，以火法冶金方法制取金属和以电冶金产出纯金属的提取流程。,3.3 有色金属的提取步骤,有色金属种类繁多，且原料的性质和成分各不相同，因此不但各金属提取的步骤各异，即使同一种金属其提取步骤亦会因原料性质、成分及对产品要求不同而异，这是有色金属有别于黑色金属的特点之一。一般常需经过三个主要步骤。,矿物分解和化学物制取；金属制取；金属精炼。,（1）矿物分解和化合物制取 破坏矿物稳定结构，并使其中欲提取的金属与主要伴生元素分离的过程。主要采用焙烧、造锍熔炼或浸出等方法，使欲提取的金属或转变成氧化物、硫酸盐、氯化物等，经过挥发和冷凝（或经进一步处理）使之或转入锍相，或转入水溶液而达到与主要伴生元素分离的目的。矿物分解所得的产物经过进一步提纯可得到金属的纯化合物。,（2）金属制取 将精矿或金属化合物还原产出粗金属的过程。根据物料的性质可采用还原熔炼以及金属热还原法、碳还原法、氢还原法等，在高温下将以精矿或金属化合物形式存在的金属还原产出粗金属，而与进入渣中的伴生元素分离。也可通过熔盐电解、水溶液电解或置换等方法将金属化合物还原产出金属。,（3）金属精炼 脱除粗金属中的杂质，产出符合应用要求的纯金属的过程。主要有火法精炼和电解精炼两类方法，前者是在精炼炉内，大多于物料熔融的高温条件下进行；后者是在电解槽内，于电解质中，通直流电使粗金属阳极溶解而在阴极析出精金属的过程。,4. 有色金属冶金展望,有色冶金工业既古老，又在不断的发展中，在国民经济中具有及足轻重的作用；改革开放以来，我国有色冶金工业实现了跨越式发展，新技术和新工艺得到广泛应用；我国的钢铁、有色金属产量均居世界第一；进入21世纪，有色冶金工业面临着重大发展机遇，也面临着来自资源、能源、环境等方面的严重挑战；发展低能耗、低成本、高效率和资源循环型的冶金新技术和新工艺，是有色冶金工业的重要发展方向。,随着人类科学技术的进一步发展，对有色金