材料工程基础第七章冶金工程基础

1、第七章第七章 冶金工程基础冶金工程基础材料工程基础材料工程基础u 冶金工程是材料的源头工程。冶金工程是材料的源头工程。u不仅金属材料的生产离不开冶金工程，一些不仅金属材料的生产离不开冶金工程，一些特种无机材料的制备也涉及冶金工程。特种无机材料的制备也涉及冶金工程。u金属冶金按其原理可划分为金属冶金按其原理可划分为火法冶金火法冶金(又称干法冶金又称干法冶金)、湿法冶金湿法冶金、电冶金电冶金以以及及粉末冶金粉末冶金等四大基本类型。等四大基本类型。u第一节火法冶金第一节火法冶金 u火法冶金是利用高温从矿石中提取金火法冶金是利用高温从矿石中提取金属或其他化合物的冶炼方法。属或其他化合物的冶炼方法。火法

2、冶金一般包括火法冶金一般包括炉料准备、熔炼和精炼炉料准备、熔炼和精炼三大三大基本过程。基本过程。 冶金过程中的产物除金属或金属化合物之外，冶金过程中的产物除金属或金属化合物之外，还有炉渣、烟气和烟尘等。还有炉渣、烟气和烟尘等。参与火法冶金过程的物质有固体、气体和熔体。参与火法冶金过程的物质有固体、气体和熔体。一般固体包括精矿、熔剂、燃料、炉渣等；一般固体包括精矿、熔剂、燃料、炉渣等；气体包括燃烧气体、烟气、烟尘等；气体包括燃烧气体、烟气、烟尘等；熔体则涉及金属熔液、熔锍和熔渣等。熔体则涉及金属熔液、熔锍和熔渣等。 火法冶金是通过一系列复杂的高温化学反应完成的。火法冶金是通过一系列复杂的高温化学

3、反应完成的。u主要的反应类型有主要的反应类型有气固相气固相、气液相、固液相、气液相、固液相、液液相、固固相反应液液相、固固相反应，以及，以及气液固三相气液固三相之之间的反应。间的反应。u一、熔炼一、熔炼 u 熔炼是指炉料在高温熔炼是指炉料在高温(一般需达一般需达13001600K)炉内发生一定的物理、化学变化，生成粗金炉内发生一定的物理、化学变化，生成粗金属或金属富集物和炉渣的冶金过程。属或金属富集物和炉渣的冶金过程。 炉料中除精矿、焙砂、烧结矿等外，有时还需添加为使炉料易于熔融的熔剂，以及为进行某种反应而加入还原剂。此外，为提供必要的温度，往往需加入燃料燃烧，并送入空气或富氧空气。经化学反应

4、熔炼后，由于粗金属或金属富集物与熔融炉渣互溶度很小和密度的差异而分层，使金属最终得以富集沉淀和分离。u1氧化熔炼氧化熔炼 u以氧化反应为主的熔炼，通常称为以氧化反应为主的熔炼，通常称为氧氧化熔炼。化熔炼。如硫化铜及硫化镍矿物原料的造锍熔炼、锍如硫化铜及硫化镍矿物原料的造锍熔炼、锍的吹炼，以及硫化铜精矿的鼓风炉熔炼等。的吹炼，以及硫化铜精矿的鼓风炉熔炼等。均属此类。均属此类。锍li 有色金属冶炼过程中生产出的各种金属硫化物的互熔体。其熔炼过程中发生的主要反应如下：其熔炼过程中发生的主要反应如下：MeS(液液)+MeO(液液)= MeS(液液)+MeO(液液)(Me为杂质金属元素) (73) 2）

5、2）（7（7SOSOMeOMeO1.5O1.5OMeSMeS1）1）（7（7M代表金属元素M代表金属元素SOSOMeMeO OMeSMeS气气2 2固、液、气固、液、气2 2(固、液）(固、液）气气2 2液液气气2 2(固、液）(固、液）u 氧化熔炼是一个富集和分离过程，按所用设备氧化熔炼是一个富集和分离过程，按所用设备可分类为可分类为鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔炼；炼；u按工艺特征，可分为按工艺特征，可分为闪速熔炼、熔池熔炼、闪速熔炼、熔池熔炼、旋涡熔炼、富氧熔炼、热风熔炼和自旋涡熔炼、富氧熔炼、热风熔炼和自热熔炼等。热熔炼等。 u (1)闪速熔炼闪速熔炼这是

6、一种将硫化精矿这是一种将硫化精矿(如铜、镍精矿如铜、镍精矿)、熔剂与、熔剂与氧气或富氧空气或预热空气一起喷入赤热的反氧气或富氧空气或预热空气一起喷入赤热的反应塔内，使炉料在飘悬状态下迅速氧化和熔化应塔内，使炉料在飘悬状态下迅速氧化和熔化的熔炼方法。的熔炼方法。该熔炼过程的氧化反应与传统工艺没有实质上的区别，只是通过熔炼设备和工艺的改进来改善锍化精矿氧化的动力学条件，达到强化熔炼的目的。u(2)熔池熔炼熔池熔炼这是一种将炉料直接加入鼓风翻腾的熔池这是一种将炉料直接加入鼓风翻腾的熔池中迅速地完成气、液、固相之间主要反应中迅速地完成气、液、固相之间主要反应的强化熔炼方法。的强化熔炼方法。适用于有色金

7、属原料熔化、硫化、氧化、还原、造锍和烟化等冶金过程。按反应气体鼓入熔体的方式，可分为侧吹、顶吹和底吹三种类型的熔池熔炼方法。u(3)旋涡熔炼旋涡熔炼这是一种使细粒炉料和粉状燃料随高速气这是一种使细粒炉料和粉状燃料随高速气流沿旋涡室的切线方向进入，并在旋涡室流沿旋涡室的切线方向进入，并在旋涡室内的旋流中迅速完成主要冶金反应的熔炼内的旋流中迅速完成主要冶金反应的熔炼方法。方法。炉料成分与气相间的反应速度大，是一种能强化冶金过程的熔炼方法。其生产能力比常规的鼓风炉熔炼大得多。u(4)热风熔炼热风熔炼这是一种将预热空气或预热富氧空气鼓入这是一种将预热空气或预热富氧空气鼓入冶金炉以强化冶金过程的熔炼方法

8、。冶金炉以强化冶金过程的熔炼方法。预热鼓风用于高炉炼铁已有一个多世纪的历史，但对有色金属的冶炼应用还仅仅是20世纪中叶的事，目前已广泛地应用于铜、镍闪速熔炼，鼓风炉中炼锌和铅。u(5)富氧熔炼富氧熔炼这是一种利用工业氧气来部分或全部取代这是一种利用工业氧气来部分或全部取代空气以强化冶金过程的熔炼方法。空气以强化冶金过程的熔炼方法。在20世纪中叶由于高效价廉制氧方法的开发，氧气炼钢和富氧炼铁得到广泛应用。与此同时，在有色金属熔炼中也开始用富氧开发新的熔炼方法和改造传统的熔炼方法。u(6)自热熔炼自热熔炼u这是一种主要由精矿中硫化物的氧化及氧化亚铁造这是一种主要由精矿中硫化物的氧化及氧化亚铁造渣等

9、反应热来维持高温熔炼过程的熔炼方法。渣等反应热来维持高温熔炼过程的熔炼方法。u因不必补加或补加很少的燃料，故成为自热熔炼。因不必补加或补加很少的燃料，故成为自热熔炼。这里所说的自然熔炼，并非指早年处理含硫不低于这里所说的自然熔炼，并非指早年处理含硫不低于36的黄铁矿型的黄铁矿型含铜块矿，熔炼自需补加含铜块矿，熔炼自需补加24焦炭即可，而是含有新的意义。焦炭即可，而是含有新的意义。因为制氧技术和喷射冶金的发展及能源的日益紧缺，充分利用精矿因为制氧技术和喷射冶金的发展及能源的日益紧缺，充分利用精矿自身氧化反应热、造渣反应热的热量和富氧进行喷射熔炼，经强化自身氧化反应热、造渣反应热的热量和富氧进行喷

10、射熔炼，经强化熔炼而减少热损失，实现自热熔炼。熔炼而减少热损失，实现自热熔炼。u自热熔炼应是将来的主要发展方向。自热熔炼应是将来的主要发展方向。u2还原熔炼还原熔炼 这是一种金属氧化物料在高温熔炼炉还原气氛下这是一种金属氧化物料在高温熔炼炉还原气氛下被还原成熔体金属的熔炼方法。被还原成熔体金属的熔炼方法。还原熔炼采用碳质还原剂，如煤、焦炭，在高温条件下碳质还原剂与金属氧化物发生的主要反应如： MeO+C=Me+CO (7-4) MeO+CO=Me+CO2 (7-5) CO2+C=2CO (7-6)由于MeO与C的反应为固相接触，受接触面的限制，反应不可能很好进行，CO气体还原剂对金属氧化物还原

11、起主要作用。为此，必须加入过量还原剂，以保证MeO和CO反应产生的CO2在高温下被过剩碳还原为CO。这样循环不断地为氧化物还原提供足够的气体还原剂。还原熔炼得到的金属是含有各种杂质的粗金属，还原熔炼得到的金属是含有各种杂质的粗金属，需送下一道工序进行精炼。需送下一道工序进行精炼。u 二、精炼二、精炼 u精炼是粗金属去除杂质的提纯过程。精炼是粗金属去除杂质的提纯过程。对于高熔点金属，精炼还具有致密化作用。对于高熔点金属，精炼还具有致密化作用。u精炼分化学精炼和物理精炼两大类。精炼分化学精炼和物理精炼两大类。 u 1化学精炼化学精炼u (1)氧化精炼氧化精炼是利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧

12、化是利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化挥发除去的精炼方法。挥发除去的精炼方法。精炼效果及除杂程度不仅与主金属和杂质元素的氧化物标准生成自由能(G*)有关，而且还取决于杂质和氧化物的活度。u(2)硫化精炼硫化精炼是用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质的火法是用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质的火法精炼方法。精炼方法。能否适用此法取决于主金属和杂质金属对硫的亲和力。当金属熔体加硫之后，由于主金属的浓度当金属熔体加硫之后，由于主金属的浓度(活度活度)比杂质金比杂质金属高得多，所以首先被硫化生成主金属硫化物属高得多，所以首先被硫化生成主金属硫化物MeS，然后，然后才发生以下除去杂质金属

13、才发生以下除去杂质金属Me的反应：的反应：MeS+Me=MeS+Me。如果所生成的各种杂质硫化物在熔体中的溶解度小，密度比主金属的也小，它们便会浮到熔体表面而被除去。u粗铅、粗锡和粗锑中加硫除铜、铁是硫化精炼的典粗铅、粗锡和粗锑中加硫除铜、铁是硫化精炼的典型应用。型应用。u (3)氯化精炼氯化精炼通入氯气或加入氯化物使杂质形成氯化物而与主通入氯气或加入氯化物使杂质形成氯化物而与主金属分离的火法精炼方法。金属分离的火法精炼方法。该方法是基于氯对杂质的亲和力大于主金属，且以生成的氯化物不溶或少溶于主金属为前提条件。 u(4)碱性精炼碱性精炼 向粗金属熔体中加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣而向粗金属

14、熔体中加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣而被除去的火法精炼方法。被除去的火法精炼方法。其实质是在精炼过程中用氧或其他氧化剂其实质是在精炼过程中用氧或其他氧化剂(如如NaNO3)使杂使杂质氧化，然后与加入的碱金属或碱土金属化合物溶剂反质氧化，然后与加入的碱金属或碱土金属化合物溶剂反应，加速生成更为稳定的盐应，加速生成更为稳定的盐(渣渣)反应的进行，促使反应进反应的进行，促使反应进行得更加完全。行得更加完全。u碱性精炼用于粗铜除镍，粗铅除砷、锑、锡，碱性精炼用于粗铜除镍，粗铅除砷、锑、锡，粗锑除砷等。粗锑除砷等。u2物理精炼物理精炼 u(1)精馏精炼精馏精炼利用物质沸点的不同，交替进行多次蒸发和冷凝

15、除去杂利用物质沸点的不同，交替进行多次蒸发和冷凝除去杂质的火法精炼方法。质的火法精炼方法。精馏精炼适用于相互溶解或部分溶解的金属液体，不适精馏精炼适用于相互溶解或部分溶解的金属液体，不适用于两种具恒沸点的金属熔体。用于两种具恒沸点的金属熔体。u在有色金属冶金中，精馏成功地用于粗锌的在有色金属冶金中，精馏成功地用于粗锌的精炼。精炼。u(2)真空精炼真空精炼在低于或远低于常压下脱除粗金属中杂质的火法精练方在低于或远低于常压下脱除粗金属中杂质的火法精练方法。法。真空精炼除能防止金属与空气中氧氮反应和避免气体杂质的污染外，更重要的是对许多精炼过程(特别是脱气)还能创造有利于金属和杂质分离的热力学和动力

16、学条件。真空精炼还包括真空蒸馏真空精炼还包括真空蒸馏(升华升华)和真空脱气。和真空脱气。u(3)熔析精炼熔析精炼 利用杂质或其化合物在主金属中的溶解度变化的利用杂质或其化合物在主金属中的溶解度变化的性质，通过改变精炼温度将其脱除的火法精炼方性质，通过改变精炼温度将其脱除的火法精炼方法。法。 熔析精炼利用了熔化结晶相变规律，即利用均匀二元系或多元系液体，在相变温度下开始凝固时会变成两个或几个组成不同的平衡共存相，杂质将富集在其中的某些固相或液相中，从而达到金属提纯的目的。u第二节湿法冶金第二节湿法冶金湿法冶金是利用浸出剂湿法冶金是利用浸出剂(溶剂溶剂)将矿石、精矿、焙将矿石、精矿、焙砂及其他物料

17、中有价值的金属组分溶解变为溶液砂及其他物料中有价值的金属组分溶解变为溶液或以新的固相析出，进行金属分离、富集和提取或以新的固相析出，进行金属分离、富集和提取的技术。的技术。u由于这种冶金过程大都是在浸出剂的水溶液由于这种冶金过程大都是在浸出剂的水溶液中进行，故称湿法冶金。中进行，故称湿法冶金。 许多金属或化合物都可以用湿法冶金方法进行生产。 湿法冶金在有色金属、稀有金属及贵金属等冶金行业中占有重要地位。u湿法冶金过程主要包括湿法冶金过程主要包括浸出、液浸出、液-固分离、溶固分离、溶液净化、溶液中金属提取及废水处理等单元液净化、溶液中金属提取及废水处理等单元操作过程。操作过程。u 一、浸出一、浸

18、出 u浸出是借助于浸出剂选择性地从矿石、精矿、浸出是借助于浸出剂选择性地从矿石、精矿、焙砂等固体物料中提取某些可溶性组分的湿焙砂等固体物料中提取某些可溶性组分的湿法冶金单元过程。法冶金单元过程。根据浸出剂的不同可分为酸浸出、碱浸出和盐浸出；根据浸出剂的不同可分为酸浸出、碱浸出和盐浸出；根据浸出化学过程可分为氧化浸出和还原浸出；根据浸出化学过程可分为氧化浸出和还原浸出；根据浸出方式可分为堆浸出、就地浸出、渗滤浸出、搅根据浸出方式可分为堆浸出、就地浸出、渗滤浸出、搅拌浸出、热球磨浸出、管道浸出、流态化浸出。拌浸出、热球磨浸出、管道浸出、流态化浸出。根据浸出过程的压力可分为常压浸出和加压浸出。根据浸

19、出过程的压力可分为常压浸出和加压浸出。 u影响浸出速度的因素影响浸出速度的因素主要有固体物料的组成、结构和粒度、浸出剂的浓度、主要有固体物料的组成、结构和粒度、浸出剂的浓度、浸出的温度、液固相相对流动的速度和矿浆粘度等。浸出的温度、液固相相对流动的速度和矿浆粘度等。u目前，采取强化浸出的途径有：目前，采取强化浸出的途径有：u(1)高温加压浸出高温加压浸出 提高浸出温度和压力，不仅可加快反应速度，而且可使提高浸出温度和压力，不仅可加快反应速度，而且可使一些在常温常压下不可能进行的化学反应成为可能，并一些在常温常压下不可能进行的化学反应成为可能，并能使某些气体能使某些气体(如如O2)或易挥发性的氨

20、等在浸出时有更高的或易挥发性的氨等在浸出时有更高的分压，使反应可在较有利的条件下进行。分压，使反应可在较有利的条件下进行。 u (2)超细振动研磨浸出超细振动研磨浸出 将固体物料进行振动细磨，当颗粒磨细到几微米以下时将固体物料进行振动细磨，当颗粒磨细到几微米以下时浸出性能将出现显著变化，但关键是如何降低研磨的能浸出性能将出现显著变化，但关键是如何降低研磨的能耗和提高效率。耗和提高效率。 u (3)硫化矿的活化浸取硫化矿的活化浸取利用固体的缺位结构特性利用固体的缺位结构特性,或使矿物品格转变和活化后再或使矿物品格转变和活化后再浸出浸出,以降低可浸出条件。以降低可浸出条件。u (4)利用外力场的作

21、用强化利用外力场的作用强化如利用强电场脉冲及振荡作用、超声波、微波能辐照及如利用强电场脉冲及振荡作用、超声波、微波能辐照及热效应等，有可能加速浸出效果。热效应等，有可能加速浸出效果。 u (5)探索新的高效浸出剂探索新的高效浸出剂 如无毒的非氰化浸金试剂，或将有机溶剂或非水溶剂用如无毒的非氰化浸金试剂，或将有机溶剂或非水溶剂用于浸出过程。于浸出过程。u二、固二、固-液分离液分离 u固固-液分离是将浸出液分离成液相和固相的过程。液分离是将浸出液分离成液相和固相的过程。u常用的方法是沉降分离法和过滤分离方法常用的方法是沉降分离法和过滤分离方法 u沉降分离法沉降分离法借助于重力作用将浸出矿浆分离为含

22、固体量较多的底流借助于重力作用将浸出矿浆分离为含固体量较多的底流和清亮的溢流的液固分离方法，其先决条件是在固相与和清亮的溢流的液固分离方法，其先决条件是在固相与溢流液之间存在密度差。溢流液之间存在密度差。u过滤分离法过滤分离法是利用多孔介质拦截浸出矿浆中的固体离子，用压强差是利用多孔介质拦截浸出矿浆中的固体离子，用压强差或其他外力为推动力，使液体通过微孔的液固分离方法。或其他外力为推动力，使液体通过微孔的液固分离方法。 u固固-液分离过程包括洗涤、过滤或离心分离等，液分离过程包括洗涤、过滤或离心分离等，是湿法冶金中比较复杂的单元操作。是湿法冶金中比较复杂的单元操作。除涉及高效固液分离设备的开发

23、和应用基础理论研究外，除涉及高效固液分离设备的开发和应用基础理论研究外，对新型絮凝剂对新型絮凝剂(带微孔的液固分离剂带微孔的液固分离剂)的研究亦属重要环节。的研究亦属重要环节。u三、溶液净化三、溶液净化 u指除去溶液中杂质的湿法冶金过程。指除去溶液中杂质的湿法冶金过程。一般浸出液中除含欲提取金属外，尚有金属和非金属杂质，故必须一般浸出液中除含欲提取金属外，尚有金属和非金属杂质，故必须先分离掉这些杂质才能最终提取目的金属。先分离掉这些杂质才能最终提取目的金属。u溶液净化方法有多种多样，工业上常用的有结晶、溶液净化方法有多种多样，工业上常用的有结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析蒸馏

24、、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。和膜分离等。为了获得纯净溶液，往往多种方法综合使用。为了获得纯净溶液，往往多种方法综合使用。 u 1结晶结晶 u通常将物质从溶液、熔融体或蒸气中以晶体通常将物质从溶液、熔融体或蒸气中以晶体状态析出的过程称为结晶。状态析出的过程称为结晶。在湿法冶金中，结晶操作主要是从溶液中析出晶体，以在湿法冶金中，结晶操作主要是从溶液中析出晶体，以制取纯净的固体产品。制取纯净的固体产品。物质从溶液中结晶析出主要依赖于它的过饱和度。产生物质从溶液中结晶析出主要依赖于它的过饱和度。产生过饱和度的方法可分为降温、蒸发、真空和盐析结晶四过饱和度的方法可分为降温、蒸发、

25、真空和盐析结晶四种。种。u结晶法是使溶液净化的一种方法。结晶法是使溶液净化的一种方法。 u 2蒸馏蒸馏 蒸馏是一种利用液体混合物中各组分蒸气压的差异，加蒸馏是一种利用液体混合物中各组分蒸气压的差异，加热混合物至一定的温度使蒸气压大的组分蒸发，或由矿热混合物至一定的温度使蒸气压大的组分蒸发，或由矿物中还原出来的组分以气态挥发，然后再使其冷凝成液物中还原出来的组分以气态挥发，然后再使其冷凝成液体或固体的过程。体或固体的过程。蒸馏的方法很多，有简单蒸馏、真空蒸馏、分子蒸馏等。蒸馏的方法很多，有简单蒸馏、真空蒸馏、分子蒸馏等。蒸馏是湿法冶金提取有色金属的重要过程之一，这种技术常用于锌、镉、汞、硒、锂、

26、镓、铷、铯的合金分离和精炼。 u 3沉淀沉淀 使水溶液中金属离子生成难溶固体化合物从溶液中析出使水溶液中金属离子生成难溶固体化合物从溶液中析出的过程称为沉淀。的过程称为沉淀。它分为水解沉淀、中和沉淀、硫化沉淀、成盐沉淀、离它分为水解沉淀、中和沉淀、硫化沉淀、成盐沉淀、离子浮选和共沉淀等几种不同沉淀法。子浮选和共沉淀等几种不同沉淀法。 金属盐类和水发生分解反应生成氢氧化物或碱式盐沉淀金属盐类和水发生分解反应生成氢氧化物或碱式盐沉淀的过程，即为水解沉淀；的过程，即为水解沉淀；向酸性溶液中加入碱或向碱性溶液中加入酸使溶液中的向酸性溶液中加入碱或向碱性溶液中加入酸使溶液中的金属离子水解成氢氧化物或碱性

27、盐沉淀的过程，即为金属离子水解成氢氧化物或碱性盐沉淀的过程，即为中中和沉淀；和沉淀；向原生溶液中加入硫化剂生成难溶的金属硫化物沉淀，向原生溶液中加入硫化剂生成难溶的金属硫化物沉淀，即为即为硫化沉淀硫化沉淀；使水溶液中的金属离子生成某种难溶盐并沉淀出的过程，使水溶液中的金属离子生成某种难溶盐并沉淀出的过程，即为即为成盐沉淀；成盐沉淀；用捕集剂用捕集剂(表面活性物质表面活性物质)与溶液中的金属离子形成一种难与溶液中的金属离子形成一种难溶的疏水化合物，粘附于气泡上浮而得以分离的过程，溶的疏水化合物，粘附于气泡上浮而得以分离的过程，即为即为离子浮选法离子浮选法；存在于溶液中的几种物质同时发生沉淀的过程

28、，即为存在于溶液中的几种物质同时发生沉淀的过程，即为共共沉淀。沉淀。这种技术也是湿法冶金过程中溶液净化的常用手这种技术也是湿法冶金过程中溶液净化的常用手段。段。u四、萃取四、萃取 u 萃取是湿法冶金过程中的最后工艺环节，有时也与溶液净化联合进行。u湿法冶金的金属萃取方法有多种，以下重点介绍三湿法冶金的金属萃取方法有多种，以下重点介绍三种方法：种方法： u1溶剂萃取法溶剂萃取法 利用水溶液中某些金属在有机溶剂和水溶液中分配比例利用水溶液中某些金属在有机溶剂和水溶液中分配比例的不同，当有机相与水相充分接触时，水相中某些金属的不同，当有机相与水相充分接触时，水相中某些金属会选择性的转移到有机相中，通

29、常将这种金属的转移萃会选择性的转移到有机相中，通常将这种金属的转移萃取过程称为取过程称为溶剂萃取法溶剂萃取法。u因为接触的水溶液和有机溶液都是液相，因而又称因为接触的水溶液和有机溶液都是液相，因而又称其为其为液液+液萃取液萃取。u2离子交换法离子交换法 u 它是离子交换剂功能基中的阳离子它是离子交换剂功能基中的阳离子(或阴离或阴离子子)与溶液中的同性离子进行可逆交换的过程。与溶液中的同性离子进行可逆交换的过程。离子交换法在湿法冶金中常用于从水溶液提取有价值金离子交换法在湿法冶金中常用于从水溶液提取有价值金属或作为溶液净化的一种手段。属或作为溶液净化的一种手段。u交换树脂交换树脂 有固定阴离子的

30、离子交换树脂，有固定阴离子的离子交换树脂，它交换的离子带正电荷，其交换过程称为阳它交换的离子带正电荷，其交换过程称为阳离子交换；离子交换；u另一种树脂为有固定阳离子的离子交换树脂，所交另一种树脂为有固定阳离子的离子交换树脂，所交换的离子带负电荷，其交换过程称为阴离子交换。换的离子带负电荷，其交换过程称为阴离子交换。通过离子交换剂的吸附和解吸作用，进行物质的分离或富通过离子交换剂的吸附和解吸作用，进行物质的分离或富集以及离子交换树脂的再生。集以及离子交换树脂的再生。 影响离子交换反应速度的因素有交换树脂的种类、交换离子、离子浓影响离子交换反应速度的因素有交换树脂的种类、交换离子、离子浓度、搅拌和

31、作业温度等，而真正影响交换速度的是扩散。度、搅拌和作业温度等，而真正影响交换速度的是扩散。u3膜分离法膜分离法 u 是在外力推动下，使溶液中的溶剂或溶是在外力推动下，使溶液中的溶剂或溶质可选择性地通过隔膜的分离方法。质可选择性地通过隔膜的分离方法。根据外加推动力和分离膜的不同，膜分离技术包括反渗透、超滤、微孔过滤、扩散渗析和液膜分离等。反渗透、超滤、微孔过滤是以不同的压力差作外加推力差，达到溶剂与溶质、大小溶质粒子和悬浮物与溶液分离的目的；扩散渗析是以离子浓度差作为推动力；而液膜分离，则利用物质在液膜中的溶解度和渗透速度不同来实现物质的分离。u第三节第三节 电冶金技术及原理电冶金技术及原理u电

32、冶金是以电能为能源进行提取和处理电冶金是以电能为能源进行提取和处理金属的工艺过程。金属的工艺过程。根据电能转化形式的不同分为根据电能转化形式的不同分为电化学冶金电化学冶金和和电热电热学冶金学冶金两类。两类。一、电化学冶金一、电化学冶金 电化学冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法，对电解电化学冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法，对电解质水溶液或熔盐等离子导体通以直流电，电解质便发生质水溶液或熔盐等离子导体通以直流电，电解质便发生化学变化，在阳极化学变化，在阳极(电流向电解液流动的电极电流向电解液流动的电极)上发生氧化上发生氧化反应反应(称为阳极反应称为阳极反应)： Me-2e=Me2+ (金属溶解

33、金属溶解)而在阴极而在阴极(电流从电解液流向的电极电流从电解液流向的电极)上则发生还原反应上则发生还原反应(即阴极反应即阴极反应)： Me2+2e=Me(金属离子还原，析出该金属金属离子还原，析出该金属)u以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应，以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应，这一过程称为这一过程称为电解精炼电解精炼(或称可溶性阳极电解或称可溶性阳极电解)，如图，如图7-la所所示。示。图7-1 电解精炼和电解提取示意图 a)电解精炼u使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行还原、分解的过程，称

34、为还原、分解的过程，称为电解提取电解提取如图如图7-1b所示。所示。b)电解提取u 电化学冶金，依所用电解质的物理状态有两电化学冶金，依所用电解质的物理状态有两种类型：种类型：一种是水溶液中电解精炼；另一种是熔盐电解精炼。一种是水溶液中电解精炼；另一种是熔盐电解精炼。原则上两种方法均适用于所有金属。原则上两种方法均适用于所有金属。但实际上，前者主要用于电极电位较正的金属，但实际上，前者主要用于电极电位较正的金属，如铜、镍、钴、金、银等；如铜、镍、钴、金、银等；后者主要用于电极电位较负的金属，如铝、镁、后者主要用于电极电位较负的金属，如铝、镁、钛、铍、锂、钽、铌等。钛、铍、锂、钽、铌等。以下对其

35、冶金过程及原理分别加以介绍：以下对其冶金过程及原理分别加以介绍： u 1水溶液电解水溶液电解 u水溶液电解是以金属的浸出液作为电解液进行电解水溶液电解是以金属的浸出液作为电解液进行电解还原，使目的金属在阴极表面上析出的冶金过程，还原，使目的金属在阴极表面上析出的冶金过程，也是一氧化也是一氧化-还原过程还原过程。体系接通直流电后，在阴极附近的离子由于接受电子而体系接通直流电后，在阴极附近的离子由于接受电子而被还原，而在阳极处离子或分子失去电子而氧化。被还原，而在阳极处离子或分子失去电子而氧化。总的电解池反应是两个电极反应的总和。总的电解池反应是两个电极反应的总和。当电解进行时，离子不断向两极迁移

36、，正离子当电解进行时，离子不断向两极迁移，正离子(阳离子阳离子)向向阴极迁移，负离子阴极迁移，负离子(阴离子阴离子)向阳极迁移。向阳极迁移。u电解精炼电解精炼使用的是可溶性阳极使用的是可溶性阳极(通常为火法冶金所得的粗金属通常为火法冶金所得的粗金属)，其，其理论分解电压由阳极粗金属与阴极纯金属的活度比决定。理论分解电压由阳极粗金属与阴极纯金属的活度比决定。但二者活度实际上相差无几，因而理论分解电压接近零但二者活度实际上相差无几，因而理论分解电压接近零值，故以很小的电压便可使电流通过而进行电解。值，故以很小的电压便可使电流通过而进行电解。u电解提取电解提取u则使用的是不溶阳极，它的优点是：则使用

37、的是不溶阳极，它的优点是：不经过粗金属的中间阶段，一次得到高纯度的金属；不经过粗金属的中间阶段，一次得到高纯度的金属；伴随电解的进行，电解液可以再生，并循环用于浸出过伴随电解的进行，电解液可以再生，并循环用于浸出过程。程。因此，电解提取常常用来作为湿法冶金的萃取技术。因此，电解提取常常用来作为湿法冶金的萃取技术。u其缺点是：其缺点是：由于使用不溶阳极，槽电压必须高于电解液的分由于使用不溶阳极，槽电压必须高于电解液的分解电压；一般电流效率较低，耗电量较大，电能解电压；一般电流效率较低，耗电量较大，电能消耗约为电解精炼的消耗约为电解精炼的10倍。倍。此外，在电解提取时，电解液组成则不断变化，此外，

38、在电解提取时，电解液组成则不断变化，因此电解提取所得金属要比电解精炼所得金属纯因此电解提取所得金属要比电解精炼所得金属纯度低。度低。u2熔盐电解熔盐电解 u熔盐电解是以熔融盐类为电解质进行金属提熔盐电解是以熔融盐类为电解质进行金属提取或金属提纯的电化学冶金过程。取或金属提纯的电化学冶金过程。对于那些电位比氢负得多，而不能从水溶液中电解析出对于那些电位比氢负得多，而不能从水溶液中电解析出的金属和用氢或碳难以还原的金属，常用熔盐电解法制的金属和用氢或碳难以还原的金属，常用熔盐电解法制取。取。u按所用电解质，一般分为按所用电解质，一般分为氟化物熔盐电解、氟化物熔盐电解、氯化物熔盐电解和氟氯化物熔盐电

39、解。氯化物熔盐电解和氟氯化物熔盐电解。如今已有如今已有30多种金属用该方法生产，其中包括全部碱金多种金属用该方法生产，其中包括全部碱金属和铝、大部分镁以及各种稀有金属。属和铝、大部分镁以及各种稀有金属。 u 水溶液电解提取与熔盐电解提取的原理很相似，但水溶液电解提取与熔盐电解提取的原理很相似，但又有根本区别：又有根本区别：在水溶液电解中，有作为溶剂的水分子存在，而分散在极性水分子在水溶液电解中，有作为溶剂的水分子存在，而分散在极性水分子中的离子在电场作用下移动并导电；中的离子在电场作用下移动并导电；熔盐电解，则是由熔化而增大了移动性的离子，通过空穴依靠热震熔盐电解，则是由熔化而增大了移动性的离

40、子，通过空穴依靠热震动而移动并导电。动而移动并导电。 对于碱金属和碱土金属这类负电位金属盐的水溶液，其分解电压比对于碱金属和碱土金属这类负电位金属盐的水溶液，其分解电压比水分解电压大，电解时只能使更容易电解的水析出氢气和氧，金属水分解电压大，电解时只能使更容易电解的水析出氢气和氧，金属并不会析出；并不会析出；而熔盐电解因不存在水那样的溶剂，所以任何一种负电位金属都能而熔盐电解因不存在水那样的溶剂，所以任何一种负电位金属都能析出。析出。u二、电热学冶金二、电热学冶金 和一般火法冶金相比，电热学冶金具有加热速度快、调和一般火法冶金相比，电热学冶金具有加热速度快、调温准确、温度高温准确、温度高(可到

41、可到2000)，并可以在各种气氛、各种，并可以在各种气氛、各种压力或真空中作业及金属烧损少等优点，成为冶炼普通压力或真空中作业及金属烧损少等优点，成为冶炼普通钢、铁合金，镍、铜、锌、锡等重有色金属，钛、锆等钢、铁合金，镍、铜、锌、锡等重有色金属，钛、锆等稀有高熔点金属，以及某些其他稀有金属和半导体材料稀有高熔点金属，以及某些其他稀有金属和半导体材料等的一种主要方法。等的一种主要方法。但电热学冶金消耗电能较多，只有在电源充足的条件下但电热学冶金消耗电能较多，只有在电源充足的条件下才能发挥其优势。才能发挥其优势。 电热学冶金依所采用的电热方式可划分成以下几电热学冶金依所采用的电热方式可划分成以下几

42、种：种：u 1电弧熔炼电弧熔炼 电弧熔炼是利用电能在电极与电极或电极与被熔炼物之电弧熔炼是利用电能在电极与电极或电极与被熔炼物之间产生电弧来熔炼金属的冶金过程。间产生电弧来熔炼金属的冶金过程。电弧可以用交流电或直流电产生。电弧可以用交流电或直流电产生。当使用交流电时，两极之间会出现瞬间的零电压，若在当使用交流电时，两极之间会出现瞬间的零电压，若在真空熔炼的情况下，由于两极之间气体密度很小，容易真空熔炼的情况下，由于两极之间气体密度很小，容易导致电弧熄灭。因此，真空电弧熔炼一般都采用直流电导致电弧熄灭。因此，真空电弧熔炼一般都采用直流电源。源。 u工业用电弧炉有直接加热式三相电弧炉、直工业用电弧

43、炉有直接加热式三相电弧炉、直接加热式真空自耗电弧炉和间接加热式电弧接加热式真空自耗电弧炉和间接加热式电弧炉三种。炉三种。u2电阻热熔炼电阻热熔炼 电阻热熔炼是在电阻炉内利用电流通过导体电阻所产生电阻热熔炼是在电阻炉内利用电流通过导体电阻所产生的热量来熔炼金属的冶金过程。的热量来熔炼金属的冶金过程。按电热产生的方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两按电热产生的方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。种。在直接加热电阻炉中，电炉直接通过物料，物料加热很在直接加热电阻炉中，电炉直接通过物料，物料加热很快，且可以加热到很高温度；快，且可以加热到很高温度；但大部分电阻炉是间接加热的，其中装有专门的电热体，

44、但大部分电阻炉是间接加热的，其中装有专门的电热体，最常用的电热体是铁铬铝材料、碳化硅棒和二硅化钼棒最常用的电热体是铁铬铝材料、碳化硅棒和二硅化钼棒等。等。u3电阻电阻-电弧熔炼电弧熔炼 电阻电阻-电弧熔炼是利用电极与炉料之间产生的电弧与电流电弧熔炼是利用电极与炉料之间产生的电弧与电流通过炉料产生的电阻热来熔炼金属的冶金过程通过炉料产生的电阻热来熔炼金属的冶金过程,是有色金是有色金属冶炼中广泛应用的一种电热冶金方法。属冶炼中广泛应用的一种电热冶金方法。其熔炼炉的主体结构与电弧熔炼炉相似。熔炼时电极都插入炉料中熔炼时电极都插入炉料中,熔炼中的热量除来自电极与炉熔炼中的热量除来自电极与炉料之间的电弧

45、外料之间的电弧外,电流通过炉料所产生的电阻热也占相当电流通过炉料所产生的电阻热也占相当大的份额。大的份额。电阻电阻-电弧熔炼电弧熔炼,主要用于生产钛合金、电石、铜主要用于生产钛合金、电石、铜锍、黄磷等冶金及化工产品。锍、黄磷等冶金及化工产品。u4感应熔炼感应熔炼 u 感应熔炼是利用电磁感应和电热转换所产生的热感应熔炼是利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼金属的冶金过程。量来熔炼金属的冶金过程。u感应熔炼在感应炉内进行。感应炉类似一台变压器，感应熔炼在感应炉内进行。感应炉类似一台变压器，其感应器为一次绕组，金属炉料本身或铁心为二次其感应器为一次绕组，金属炉料本身或铁心为二次绕组和负载。绕组和

46、负载。u感应器与炉料之间为耐火坩锅熔池。感应器与炉料之间为耐火坩锅熔池。 当感应器接通电源时，在其中间便形成交变磁场，使处在磁场中的金属炉料当感应器接通电源时，在其中间便形成交变磁场，使处在磁场中的金属炉料内部产生感应电动势和感应电流，进而依赖金属炉料的电阻，将电能转换为内部产生感应电动势和感应电流，进而依赖金属炉料的电阻，将电能转换为热能，用于加热和熔炼金属。热能，用于加热和熔炼金属。u感应熔炼按其电源频率分为高频感应熔炼按其电源频率分为高频(1030kHz)、中频、中频(0.1510kHz)和工频和工频(50Hz或或60Hz)三种；三种；u按炉子的构造特点或电磁原理，分为有芯按炉子的构造特

47、点或电磁原理，分为有芯(闭槽式闭槽式)和无芯和无芯(坩坩锅式锅式)两类。两类。u 5电子束熔炼电子束熔炼 u电子束熔炼是利用电能产生的高速电子动能作为热电子束熔炼是利用电能产生的高速电子动能作为热源来熔炼金属的冶金过程，又称电子轰击熔炼。源来熔炼金属的冶金过程，又称电子轰击熔炼。电子束熔炼炉主要由真空室、电子枪和枪用电源构成，电子束发射电子束熔炼炉主要由真空室、电子枪和枪用电源构成，电子束发射系统为其核心部分。系统为其核心部分。该法具有熔炼温度高、炉子功率和加热速度高、提纯效果好的优点；该法具有熔炼温度高、炉子功率和加热速度高、提纯效果好的优点；但也存在金属收率低、比电耗大等缺点。但也存在金属

48、收率低、比电耗大等缺点。u该法主要用于生产高熔点活性金属和耐热合金钢。该法主要用于生产高熔点活性金属和耐热合金钢。u6等离子熔炼等离子熔炼 u等离子熔炼是利用电能产生的等离子弧作为热源来熔炼金属等离子熔炼是利用电能产生的等离子弧作为热源来熔炼金属的冶金过程。的冶金过程。 把工作气体通人等离子枪中，枪中有产生电弧或高频把工作气体通人等离子枪中，枪中有产生电弧或高频(520MHz)电场的装置，电场的装置，工作气体受作用后电离，生成由电子、正离子及气体原子和分子的混合物组工作气体受作用后电离，生成由电子、正离子及气体原子和分子的混合物组成的等离子体。成的等离子体。 等离子体从离子枪喷出后，形成高速、

49、高温的等离子弧焰等离子体从离子枪喷出后，形成高速、高温的等离子弧焰(其温度高于一般的其温度高于一般的弧焰弧焰)。工作气体可以用惰性气体。工作气体可以用惰性气体(氩氩)、还原性气体、还原性气体(氢氢)及两者的混合物或其他及两者的混合物或其他气体作介质，从而达到不同的冶金目的。气体作介质，从而达到不同的冶金目的。u该法具有熔炼温度高、物料反应速度快的特点，常用于熔炼、该法具有熔炼温度高、物料反应速度快的特点，常用于熔炼、精炼和重熔高熔点金属和合金。精炼和重熔高熔点金属和合金。u第四节粉末冶金技术及原理第四节粉末冶金技术及原理 u粉末冶金最初是指在金属的熔点温度以下，采用金属矿物或粉末冶金最初是指在

50、金属的熔点温度以下，采用金属矿物或金属及合金粉末生产制备相应金属与合金材料或制品的冶金金属及合金粉末生产制备相应金属与合金材料或制品的冶金工艺过程。工艺过程。u对于难熔金属而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。对于难熔金属而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。 近年来伴随特种无机材料的发展，粉末冶金技术与陶瓷的生产技术相融合，近年来伴随特种无机材料的发展，粉末冶金技术与陶瓷的生产技术相融合，粉末冶金技术又被广泛应用于特种无机材料的生产与制备。粉末冶金技术又被广泛应用于特种无机材料的生产与制备。u为了与传统金属的粉末冶金以示区别，又称这种工艺方法为为了与传统金属的粉末冶金以示区别，又称这种工艺方法为“金

51、属陶瓷法金属陶瓷法”。u 金属粉末冶金的基本过程包括：金属粉末冶金的基本过程包括：金属粉末的制取和准备；金属粉末的制取和准备；将金属粉末制成所需形状的坯块；将金属粉末制成所需形状的坯块；将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使之成为满足最终的物理、化学和力学性能要求的合格材之成为满足最终的物理、化学和力学性能要求的合格材料或制品。料或制品。习惯上又划分为：制粉、成形、烧结、后处理等四个基习惯上又划分为：制粉、成形、烧结、后处理等四个基本过程。本过程。u一、金属粉末的制取和准备一、金属粉末的制取和准备 金属粉末常用的制取方法有机械法、雾化法、还

52、原法、金属粉末常用的制取方法有机械法、雾化法、还原法、羰基法与电解法等。羰基法与电解法等。显然，还原法与电解法的方法与原理与前面显然，还原法与电解法的方法与原理与前面(第二章第二章)介绍介绍的相应的粉体材料制备技术与原理是一致的。的相应的粉体材料制备技术与原理是一致的。u雾化法雾化法一般是采用专用喷枪或喷雾设备直接将熔融的金一般是采用专用喷枪或喷雾设备直接将熔融的金属雾化冷却得到，喷雾设备可以使用空气或其他属雾化冷却得到，喷雾设备可以使用空气或其他保护气体，也可使用水雾。保护气体，也可使用水雾。羰基法是通过羰基法是通过CO与金属化合成相应的羰基化物，与金属化合成相应的羰基化物，例如羰基铁例如羰

53、基铁-Fe(CO)4及羰基镍及羰基镍Ni(CO)5，而后再将，而后再将其热分解直接获得相应金属或合金的粉末。其热分解直接获得相应金属或合金的粉末。 金属粉末在其成形前，通常要求将所用粉末原料金属粉末在其成形前，通常要求将所用粉末原料制备成具有一定化学成分、一定粒度以及合适的制备成具有一定化学成分、一定粒度以及合适的物理化学性能的混合物颗粒，即造粒处理。物理化学性能的混合物颗粒，即造粒处理。这一过程包括粉末退火、混合、筛分、造粒，以这一过程包括粉末退火、混合、筛分、造粒，以及添加润滑剂等。及添加润滑剂等。u二、成形二、成形 金属粉末的成形有多种方法，通常多采用机械力金属粉末的成形有多种方法，通常

54、多采用机械力压制法、等静压法及注射法等。压制法、等静压法及注射法等。除此而外，有时还采用某种特殊成形技术与方法，除此而外，有时还采用某种特殊成形技术与方法，如各种非模压连续成形、无压成形等，这些技术如各种非模压连续成形、无压成形等，这些技术在前面章节中已有介绍，这里不再赘述。在前面章节中已有介绍，这里不再赘述。 u 三、烧结三、烧结 坯体或松装粉末体的强度和密度都是很低的。为了提高坯体或松装粉末体的强度和密度都是很低的。为了提高其强度；需要对其进行烧结。其强度；需要对其进行烧结。即将坯体或松装粉末体加热到其基本组元即将坯体或松装粉末体加热到其基本组元(主组元主组元)元素的元素的熔点以下的温度熔点以下的温度(约约0.70.8Tm，Tm为熔点为熔点)，并在此温，并在此温度下保温，而使粉末颗粒相互结合起来成为致密体，并度下保温，而使粉末颗粒相互结合起来成为致密体，并达到所要求性能的过程。达到所要求性能的过程。根据烧结体中组元的物理状态，烧根据烧结体中组元的物理状态，烧 结可划分为固相烧结结可划分为固相烧结与液相烧结。与液相烧结。u（1）固相烧结）固相烧结 是指烧结温度均低于各烧结组元的熔点温度，是指烧结温度均低于各烧结组元的