第一篇 冶金工程概论部分 第1章,第2章 4h.ppt

第一篇冶金工程概论,第1第2章矿物工程第3章重金属冶金概况（铜锌）1998华一新，有色冶金概论（第2版），冶金工业出版社，1986,第1章绪论,3,材料是社会进步的物质基础与先导，是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，是人类进步的里程碑。材料从组成上可分为三大类：高分子材料、无机非金属材料、金属材料。而金属材料是一切材料的基础。,第1章绪论,4,要得到金属材料，第一步就是要得到金属。得到金属就必须从含有金属元素的原料中把金属提取出来，然后制成材料。而冶金不只是制备金属材料，还可以制备无机非金属材料。金属元素常常是无机非金属材料的成分之一。所以冶金也就是材料的制备。,第1章绪论,冶金,5,1.1冶金的概念,冶金工程就是实施从矿石和各种物料中提取，制备和加工金属的手段与工艺过程。,冶金就是从矿石及各种物料中把金属提取出来、并制备和加工成所需要的各种材料。,冶金是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并制成材料的科学,第1章绪论,6,1.2、金属的分类,有两种分类方法1.分为铁金属（ferrous）与非铁金属（non-ferrousmetals)采用这种分类法的主要有欧、美、日等2.分为黑色金属与有色金属前苏联、我国等。,第1章绪论,7,1.2金属的分类,Fe、Mn、Cr因为铬和锰的生产与铁及铁合金关系密切。我们所指的黑色金属主要是铁金属。,1.黑色金属,第1章绪论,8,1.2金属的分类,2.有色金属,1）重有色金属密度超过6.0gcm以上的常用有色金属CuPbZnNiCoSnSbHgCdBi,2）轻有色金属密度为4.5gcm以下的常用有色金属AlMgTiNaCaKBa,十种常用金属铝、铜、锌、铅、镍、镁、锡、锑、钛、汞,第1章绪论,9,1.2金属的分类,2.有色金属,3）贵金属:AuAg铂及铂族元素,4）稀有金属稀有轻金属：LiBeRbCs稀有难熔金属:WMoNbTaZrHfV稀散金属:InGeGaTlSeTeRe稀土金属:ScY及La系元素稀有放射金属：ThPaURa锕及锕系元素,第1章绪论,10,说明：轻金属重金属稀有轻金属稀有难熔金属稀土金属贵金属,有色金属在元素周期表中的位置,11,1.3冶金与提取冶金,1、冶金过程广义：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。从矿石中或精矿提取金属（金属化合物）的生产过程称为提取冶金。,第1章绪论,12,1.4冶金与提取冶金,2、提取冶金方法的分类1）火法冶金在高温条件下通过一系列物理化学变化，使矿物中的金属与脉石及其杂质分离，提取纯金属或化合物的方法。此过程没有水溶液参加，故又称为干法冶金。包括原料准备、熔炼和精炼三个主要工序。特点：高温、需要热源；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。,第1章绪论,13,根据是否需要外加热源，火法冶金又分为自热过程和外热过程。不需要外加热源的火法冶金过程叫自热过程，如利用反应放出来的热或原料本身的物理热的进行的火法冶金过程。需要外加热源的火法冶金过程叫外热过程。常用的热源有燃料燃烧，电加热等。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,火法冶金的自热和外热,14,第1章绪论,15,火法冶金主要优缺点,污染不易控制，不能有效的提取复杂矿或贫矿中的金属，回收率低。,反应快、设备少、处理量大、流程短、占地少、投资省、见效快。,优点：,缺点：,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,16,主要火法冶金单元过程：,焙烧：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。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。煅烧（焙解）：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。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,17,主要火法冶金单元过程：,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。如鼓风炉熔炼，高炉炼铁，氧气底吹炼铅的物料准备。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、氧化吹炼,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,18,主要火法冶金单元过程：,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。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。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,19,1.4冶金与提取冶金,2、提取冶金方法的分类2）湿法冶金在常温下（低于100C）常压或高温（100300C）高压下用溶剂处理矿物，使部分组分进入溶液，达到互相分离的目的，然后再从溶液（或者沉淀物）中提取金属或化合物的冶金方法。因为常以水为溶剂，所以又被称为水法冶金。主要包括浸出、分离与富集和提取过程。,20,湿法冶金主要优缺点,反应慢，流程长，占地多，投资大。,缺点,能处理复杂矿、等外矿和贫矿，金属的回收率高、纯度高，污染少易治理，流程连续，便于机械化和自动控制，劳动条件较好，操作简单。,优点,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,21,主要湿法冶金单元过程：,浸出（溶出）：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、溶出、湿法分解。液固分离：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。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,22,主要湿法冶金单元过程：,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。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、锌电积；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。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,23,主要湿法冶金单元过程：,离子交换：通过离子交换的方式使溶液中的有用成分与杂质分离的过程。溶剂萃取：通过两种不互溶的溶液中组分的分配比的不同达到分离不同组分的目的的过程；,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,24,水处理离子交换,离子交换柱,浸出罐,第1章绪论,25,1.3冶金与提取冶金,2、提取冶金方法的分类,3）电冶金利用电能来提取或精炼金属或化合物的方法。,把电能转化为热能，为化学反应提供所需的热能的冶金方法。本质同火法冶金。,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。,电化学冶金,电热冶金,26,主要单元过程,电炉熔炼：用电作为热源的熔炼过程；,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,27,主要单元过程：,水溶液电解：通过电化学的方法从溶液中提取或精炼金属的过程,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,28,主要单元过程：,熔盐电解：既用电做热源，又用电化学源的提取金属或精炼金属的过程。,2、提取冶金方法的分类,29,注意,任何一种金属的提取都不是一步完成的，需要分为若干个阶段进行；一种金属的提取往往是多步冶金过程联合作用的结果；金属的提取方法取决于金属的性质、原料的情况、最终产品的要求等。钢铁冶金主要采用火法，有色金属的提取往往是多种冶金方法联合而制备的。,2、提取冶金方法的分类,第1章绪论,30,金属的冶金过程是由若干个阶段或步骤完成的，各个阶段的冶炼方法和使用的设备不尽相同。各阶段过程间的联系及其所获得的产物间流动线路图称为工艺流程图。可分为设备连接图，原则流程图和数质量流程图。,3、工艺流程图,第1章绪论,设备连接图是表示冶炼厂主要设备之间联系的图；原则流程图是表示各阶段作业间联系为主的图；数质量流程图是表示各阶段作业所获得产物的数量和质量情况的图。,31,3.工艺流程图,32,如：,锌精矿,沸腾焙烧,焙砂,浸出,净化,电解,废电解液,电锌,第1章绪论,3.工艺流程图,33,学好冶金工程重要教学环节,化学（无机、有机、物理化学、分析化学）冶金原理冶金设备学机械设计与冶金课程设计认识实习、生产实习、毕业论文（设计）,第1章绪论,34,1.4.我国的冶金基本情况钢铁,1943年钢铁产量：92.3万吨1949年钢产量：15.8万吨1952年钢产量为135万吨1978年超过3178万吨1988年钢铁产量：5640万吨1994突破9000万吨2001年钢产量：1.49亿吨，2003年钢产量：2.201亿吨2005年钢产量：3.31亿吨(连续10年世界第一)2006年钢产量：4.1878亿吨(连续11年世界第一)2007年钢产量：4.89亿吨(连续12年世界第一)2008年钢产量：5.005亿吨,第1章绪论,第1章绪论,35,1.4.我国的冶金基本情况有色金属,解放前，年产量只有1.33万吨1950年在世界有色金属产量排名中没有我们的地位1960年上升到12位1987年占第六位1990年年产220万吨，居第四位1997年十种常用金属产量达530万吨。2003年十种常用金属产量1205万吨2005年十种常用金属产量1632万吨2006年十种常用金属产量1917万吨（连续5年世界第一）2007年十种常用金属产量2360.56万吨,占全界的1/42008年十种常用金属产量2520.28万t，同比增长8.2%，,第1章绪论,第2章矿物工程,37,地壳中丰度最大的元素是氧，24种重要经济元素中只有铝、铁、镁、钾等4种金属在地壳中的含量超过1%。人类常用的大多数不可缺少的金属在地壳中含量是微乎其微的。但由于亿万年的种种变迁过程使几十种金属富集成或大或小的可供开采和提取的矿床。各种矿藏是提取金属及其化合物最主要的资源。,第2章矿物工程,38,2.1矿物、矿石、矿床,1.矿物受地壳中天然的物理化学作用和生物作用而形成的具有均一内部晶体结构以及一定物理化学性质的自然元素或自然化合物。即具有一定的化学成分和物理属性的天然元素和化合物。,39,辉铜矿Cu2S,淡红银矿Ag3AsS3,40,辉铜矿,橄榄石(Mg,Fe)2SiO4,白铅矿(PbCO3),ZnS,41,金红石,菱锰矿,磁铁矿,自然铜,42,锡石（SnO2),黄铁矿(FeS2),43,白云石,方铅矿,黑钨矿,黄铜矿,44,赤铁矿,菱铁矿,铅矾,45,孔雀石CuCO3Cu(OH)2,辉锑矿Sb2S3,46,方铅矿与萤石,47,2.矿石,在天然的物理化学与生物作用下，许多矿物共生在一起形成结构致密的结晶体，即矿物集合体。,花岗岩闪锌矿和萤石,2.1矿物、矿石、矿床,48,闪锌矿,49,毒砂水晶黄铜矿方解石共生标本,50,祖母绿矿石,51,在目前的经济条件下不能够从中提取金属和化合物的矿物集合体。,在目前的经济条件下能够从中提取金属和化合物的矿物集合体.,矿石：,岩石：,矿物的集合体有两种：矿石岩石,矿物是组成岩石和矿石的基本单位.,52,复合矿石(多金属矿),矿石中的无用矿物叫做,只含一种有用矿物或金属的矿石叫,含两种或两种以上有用矿物或金属的矿石叫做,第2章矿物工程,单一矿石,脉石矿物,53,矿石中有用成分的含量叫做矿石的品位：常用%或克/吨、克/米表示。根据有用成分的多少分为贫矿和富矿，但其划分是根据不同的矿种，不同的时期，不同的地区而不相同。矿石的价值主要取决于矿石中有用成分的含量及其价值，但同样有效成分的矿石脉石的成分和有害杂质的多少也是影响矿石价值的重要因素。,第2章矿物工程,54,赋存于地壳中或地球表面并具有各种形态、产状（矿床在地下空间的产出形态）和一定规模的矿石自然聚集体。具有开采价值的矿石堆积体。矿床的基本组成单位。矿体周围无经济价值的岩石是矿体的围岩。,3.矿体,55,4矿床,不符合开采和利用要求的叫,在目前技术经济条件下具有开采和利用价值的矿床,具有一定规模的，由一个或若干个矿体组成的矿石的在然集合体,矿床,工业矿床,非工业矿床,2.1矿物、矿石、矿床,第2章矿物工程,56,2.2采矿,根据矿床的埋藏深度、矿床的厚度、长度、走向以及矿石的物理化学性质等，采用不同的采矿方法。1、露采-露天开采2、坑采-地下开采或坑道开采,第2章矿物工程,57,露天开采,从敞露的地表矿采出有用矿物的开采方法。用于矿床埋藏得比较浅的矿区。采矿时，首先把表面岩石剥离掉，到达矿体后，把矿岩划成一定厚度的水平层，自上而下逐层开采。开采中，各工作水平在空间上构成阶梯状。露采能充分利用资源，回采率高，建设快，生产率高，生产成本高，劳动条件好，生产安全，作业简单，机械化强度高，不过受气候影响大。,第2章矿物工程,58,攀钢兰尖铁矿,59,世界第一人工“天坑”大冶铁矿东露天采场,大冶铁矿是中国一部冶金矿业发展文明史，是中国近代史上第一座采用机械化开采的大型露天矿山，具有极高的史料价值、工业文明的见证价值和旅游价值。,60,智利最大的露天铜矿坑,61,巴西露天铁矿,第2章矿物工程,62,卫星上拍到的马钢南山露天矿场,63,170吨电动轮运矿汽车(轮胎直径3米多),64,65,德兴铜矿154吨电动载重雄风,66,67,68,液压履带钻机,69,坑采地下开采,对于那些埋藏得比较深而且薄的矿床，在技术上难于露天开采的矿床，就只能采取地下开采。从地面挖出水平、竖直和斜的井巷，坑道到达矿体，使矿段与地面连通。坑采作业复杂，机械化强度不高，生产率低，成本高，劳动条件差。但采矿的方式是受矿床的自然条件所限制的。,第2章矿物工程,70,71,72,1980年南非政府在约翰内斯堡在一座大型金矿的旧址筹建金矿博物馆，保留了大量当年开采金矿使用的机械设备以及相关的图片和文字信息。该金矿最深曾开采到地下3000余米，博物馆里参观者还可以乘坐缆车深入到地下200多米的采矿巷道，这是一名工作人员在巷道里为参观者重现当年金矿的作业现场。,第2章矿物工程,73,2.3选矿,冶炼过程，对矿石是有一定要求的，因此大多数矿石是不能直接冶炼的，通过选矿获得满足现代冶金方法要求的精矿。1、选矿的目的富集有用的矿物或金属除去部分脉石和杂质分离共生