冶金工程概论总复习

冶金工程概论总复习第1页/共89页2第一章绪论冶金与提取冶金P3金属及其分类P1－2金属在地壳中的赋存状态P11冶金方法P4冶金（单元）过程P6冶金工业面临的问题及发展方向P4，P8

发展方向：强化过程节能低污染或无污染产品多样化、精细化

牛牛文库文档分享第2页/共89页3有色金属的定义及分类

有色金属цветныеметаллы

黑色金属

чёрныеметаллы

非铁金属Non-ferrousMetal

铁以外的金属工业上将有色金属大致分为：

重金属(Cu、Ni、Co、Pb、Zn、Cd、Bi、Sn、Sb、Hg等)

及稀贵金属(伴生有稀散元素：

Se、Te、In、Ge、Ga、Re等)

(多为伴生贵金属：Au、Ag、Pt、Ru、Rh、Pd等)

轻金属(Al、Mg、Li等)

稀有金属(Ti、Zr、Hf、W、Mo、Ta、Nb，Th、U等稀士金属)

牛牛文库文档分享第3页/共89页4常用冶金方法火法冶金：在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中金属与脉石和杂质分开，获得纯金属的过程。包括备料，熔炼，精练三个工序。无水相参与。湿冶金法：在常温（低于100℃）常压或高温(100－300℃)高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来的过程。它包括浸出，分离，富集和提取等工序。有水相参与。电冶金：利用电能提取和精练金属的冶金方法，又分电热冶金和电化学冶金（如水溶液电解和熔盐电解等）。必要时多种方法并用！

牛牛文库文档分享第4页/共89页5氧化矿：氧化物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钨酸盐等硫化矿：硫化物、砷化物、锑化物、碲化物自然金属矿矿物分类金属在地壳中的赋存状态

牛牛文库文档分享第5页/共89页6第二章矿石与选矿矿石P9

有用矿石与脉石矿物矿床品位选矿P13

原矿精矿尾矿中矿

牛牛文库文档分享第6页/共89页7选矿工艺选别前准备破碎、筛分、磨矿和分级选别作业浮选、重选、磁选、电选选别后的脱水浓缩、过滤、干燥基本概念精矿尾矿中矿选矿的原则工艺流程图

牛牛文库文档分享第7页/共89页8第三章炼铁炼铁原料P21-23

铁矿石熔剂

焦炭铁矿粉造块P24-25

方法烧结法团矿法

牛牛文库文档分享第8页/共89页9第三章炼铁

烧结设备烧结矿分类酸性烧结矿碱度<1

自熔性烧结矿碱度1.0-1.5

熔剂性烧结矿碱度2.0-2.4铁冶炼过程原理高炉冶炼过程P26

原料与产物物料走向高炉炉内分区及其特征P26

牛牛文库文档分享第9页/共89页10第三章炼铁

碳的燃烧反应P26-27

布多尔反应的特点铁氧化物的还原P27-31

氧化物的分解压金属氧化物稳定性判据氧化物标准生成自由能氧化物分解压－温度关系结论P28

铁氧化物的离解规律铁氧化物的直接还原与间接还原

牛牛文库文档分享第10页/共89页11第三章炼铁碳的燃烧反应

化学反应

（1）C焦+O2=CO2+400.928kJ不可逆反应（2）2C焦+O2=2CO+235.130kJ不可逆反应（3）C焦+CO2=2CO-165.797kJ可逆反应

平衡气相成分与温度的关系

反应（3）的特点及在高炉冶炼过程中的作用

牛牛文库文档分享第11页/共89页12第三章炼铁p28

氧化物分解压－温度关系结论

(1)各种氧化物分解压随温度升高而增大，只有CO除外；

(2)图中位置越低的氧化物，分解压愈小，氧化物愈稳定；

(3)位置低的元素可还原位置高的氧化物；

(4)在一定温度条件下，几乎所有的氧化物都可被C还原。

(5)位置低的酸性氧化物与碱性氧化物CaO、MgO结合进入炉渣相

牛牛文库文档分享第12页/共89页13氧化物的标准生成能变化△GӨ与温度的关系

牛牛文库文档分享第13页/共89页14非铁氧化物的在高炉炼铁过程中的行为p29

-Mn的还原-

牛牛文库文档分享第14页/共89页15非铁氧化物的在高炉炼铁过程中的行为

-Si的还原-

牛牛文库文档分享第15页/共89页16非铁氧化物的在高炉炼铁过程中的行为

-P的还原-□

磷酸铁[(FeO)3·P2O5·8H2O]又称蓝铁矿，其结晶水分解后形成多微结构较易还原。1100-1300℃反应进行很完全：2Fe3(PO4)2+16CO=3Fe2P+P+16CO22Fe3(PO4)2+16H2=3Fe2P+P+16H2O□

磷酸钙（主要存在形式）首先进入炉渣，在1200-1500℃时由碳作还愿剂被直接还原,其还原率能达60%；当有SiO2存在时可以加速磷的还原：2Ca3(PO4)+3SiO2+16C=4P+10CO□在高炉冶炼条件下，被还原的磷以Fe2P形态全部溶于生铁。

牛牛文库文档分享第16页/共89页17非铁氧化物的在高炉炼铁过程中的行为

V、Ti、Ni和Cr的还原

牛牛文库文档分享第17页/共89页18非铁氧化物的在高炉炼铁过程中的行为

-Pb、Zn、As的还原-

牛牛文库文档分享第18页/共89页19第三章炼铁-渗碳过程渗碳反应

2Fe+2CO=Fe3C+CO2

3[Fe]+C=[Fe3C]

渗碳作用

牛牛文库文档分享第19页/共89页20第三章炼铁-造渣过程炉渣作用P33－34

(1)具有适当的熔化温度，以保证炉缸温度适当

(2)具有良好的流动性，以利渣铁分离

(3)具有足够的脱硫能力，以降低生铁含硫量

(4)具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用

(5)性能稳定，有利于保护炉衬

炉渣组成

炉渣是各种氧化物的熔合体

CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)系

牛牛文库文档分享第20页/共89页21第三章炼铁-脱硫过程

脱硫过程高炉内生铁脱硫主要通过炉渣去除炉渣脱硫反应

[FeS]十(CaO)十C＝(CaS)十[Fe]十CO

－141.055kJ

提高炉渣脱硫能力措施

(1)提高炉渣碱度

(2)提高温度

(3)还原性炉渣

牛牛文库文档分享第21页/共89页22高炉炼铁的产物

牛牛文库文档分享第22页/共89页23高炉炼铁的产物－高炉渣主要成分

牛牛文库文档分享第23页/共89页24第四章炼钢钢铁分类P43炼钢过程原理

炼钢的基本任务炼钢原料金属料辅助材料炼钢炉渣炉渣分类与渣系P46－47

牛牛文库文档分享第24页/共89页25第四章炼钢钢铁分类

工业纯铁C<0.02%

生铁C>2.11%(2%)

钢0.02%<C<2.11%(2%)

牛牛文库文档分享第25页/共89页26炼钢的基本任务

炼钢的基本任务：是从铁水中脱碳、脱硫、脱磷、脱氧，去处有害气体和非金属夹杂物，提高温度、调整钢液成分。归纳为：“四脱”（C、P、S、O）“二去”（去气、去夹杂）

“一升温”（提高钢液温度，便于连铸）“一合金化”（调整钢液成分使其合金化）采用的主要技术手段：供氧、造渣、升温，加脱氧剂和合金化操作。

牛牛文库文档分享第26页/共89页27第四章炼钢炼钢原料金属料

铁水(或生铁块)

是氧气顶吹转炉炼钢的基本原料，占金属料的70～100％废钢

是电弧炉炼钢的基本原料，占钢铁料的70～90％，对氧气转炉来说，则既是金属料，又是冷却剂

牛牛文库文档分享第27页/共89页28第四章炼钢

铁合金作为脱氧和合金化元素，如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金硅锰铝合金；还有铝、锰、镍、钴等金属辅助材料

造渣材料石灰(CaO)

萤石(CaF2)

白云石

牛牛文库文档分享第28页/共89页29第四章炼钢

氧化剂

氧气、铁矿石、氧化铁皮冷却剂

废钢、富铁矿、团矿、烧结矿、氧化铁皮还原剂和增碳剂

电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂

牛牛文库文档分享第29页/共89页30第四章炼钢

炼钢炉渣

炉渣来源

(1)废钢带入的泥沙和铁锈等

(2)加入的各种造渣材料

(3)炼钢过程中化学反应的产物炉渣组成炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO系

牛牛文库文档分享第30页/共89页31第四章炼钢

炉渣作用炉渣是炼钢过程中的必然产物，直接参与炼钢过程的物理化学反应和传热、传质过程

(1)控制金属中各元素的氧化和还原过程

(2)向钢中输送氧以氧化各种杂质

(3)吸收钢液中的非金属夹杂物

(4)对钢液有保护作用

牛牛文库文档分享第31页/共89页32第四章炼钢

脱碳反应及其作用硅、锰的氧化反应P50

脱磷反应脱硫反应（脱硫指数）影响炉渣脱硫的因素P52

炉渣脱硫的条件P52

脱氧P53

脱氧方法脱氧剂氧化

牛牛文库文档分享第32页/共89页33第四章炼钢

钢中气体的脱除P54

降低非金属夹杂物的途径P54

炼钢工艺及其特点氧气转炉炼钢P57

电弧炉炼钢平炉炼钢

牛牛文库文档分享第33页/共89页34氧气转炉炼钢过程的基本化学反应

5）主要脱碳反应及其主要作用p49-50脱碳反应的作用：

搅动熔池有利于钢液中气体及非金属夹杂物脱除有利于钢液温度和化学成分均匀有利于冶金物化反应的进行脱碳反应：

牛牛文库文档分享第34页/共89页35第五章铜冶金炼铜原料与方法硫化精矿的特点P69

冶炼方法造锍熔炼与锍概念及原理P70

闪速熔炼与熔池熔炼概念火法炼铜原则流程四个冶金过程原料与产物、主要反应

牛牛文库文档分享第35页/共89页36第五章铜冶金

硫化精矿特点系浮选精矿，粒度很小，比表面积很大，具有很大的化学反应能量，与氧发生氧化反应迅速，同时可以放出大量的热能。

闪速熔炼可以充分利用硫化铜精矿特点，使用富氧空气，强化熔炼过程，生产高品位铜锍，能实现过程的自热熔炼。

牛牛文库文档分享第36页/共89页37第五章铜冶金

炼铜炉渣特点及渣贫化方法P76

造锍熔炼过程与工艺P72

冰铜吹炼的两个周期及主要反应P88

粗铜火法精炼的目的、氧化还原反应P91-92

铜电解精炼电极反应、杂质行为P93-96

直流电路系统P96-97

铜电解液净化的目的P98

电流密度槽电压、电流效率、电能消耗及影响因素

牛牛文库文档分享第37页/共89页38火法炼铜的原则工艺流程

铜锍

牛牛文库文档分享第38页/共89页39当代主要造锍熔炼工艺※

落后工艺已淘汰！工艺过程造锍技术造锍熔炼闪速熔炼富氧顶吹艾萨熔炼（ISASMELTTM

Process

）富氧顶吹奥斯迈特熔炼（AusmeltProcess）富氧底吹熔池熔炼（具有知识产权）富氧侧吹熔池熔炼（VaniukovFurnace）

白银炼铜技术※鼓风炉熔炼※电炉造锍熔炼※反射炉造锍熔炼※白银炼铜技术※诺兰达炼铜技术※

牛牛文库文档分享第39页/共89页40铜熔炼过程的基本物理化学反应

1.高价硫化物的热分解

熔炼未经焙烧或烧结处理的生精矿或干精矿时，炉料中含有较多的高价硫化物，在熔炼炉内被加热后，离解成低价化合物，主要反应有：（吸热反应）

FeS2=FeS+1/2S2

FenSn+1=

nFeS+1/2S2)

2CuFeS2=

Cu2S+2FeS+1/2S2)

2CuS=

Cu2S+1/2S2

2Cu3FeS3=

3Cu2S+2FeS+1/2S2

生成的Cu2S和FeS在熔炼工艺条件生成互熔体，称为铜锍（习惯上称为冰铜），是铜锍的基本组分。

牛牛文库文档分享第40页/共89页41熔炼过程的基本物理化学反应

FeS与Cu2S氧化反应热力学函数的比较均为放热反应，FeS比Cu2S优先氧化!!

牛牛文库文档分享第41页/共89页42铜熔炼过程的基本物理化学反应

2.氧化反应和造渣反应

►在熔炼工艺条件下，发生如下氧化反应和造渣反应(p72-73)S2(g)+2O2(g)=2SO2(g)+热量2FeS(l)+3O2(g)=2FeO(g)+2SO2(g)+热量2FeO+SiO2=2FeO·SiO2+热量3FeO(l)+1/2O2(g)=Fe3O4(l,s)+热量3Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2（吸热反应，需要高于1500k以上）

►Fe3O4提高炉渣的密度、熔点和黏度，不利于炉渣与铜锍分层。应控制最佳熔炼工艺条件，以防止过多的磁性氧化铁生成。

►熔炼条件下由于局部过氧化等原因回产生Cu2O。但由于Cu对S的亲和力大于Fe对S的亲和力，因此还发生如下所示的硫化反应：Cu2O+FeS=Cu2S+FeO+热量

牛牛文库文档分享第42页/共89页43

铜锍的性质

Cu2S-FeSSystem相图1135℃PhaseDiagramofCu2S-FeSSystem冰铜熔体◆实际冰铜组成点位于Cu2S与FeS1.08连线及“舌形区”之间；实际冰铜成分复杂，还含有Fe3O4,ZnS,PbS,Ni3S2,CoS及少量Au,Ag，As，Sb，Bi，炉渣等。

牛牛文库文档分享第43页/共89页44熔炼炉渣贫化方法1、炉渣热态贫化需要进一步研究炉渣热态贫化工艺，达到弃渣含Cu＜0.3%2、缓冷→细磨→浮游选矿①浪费炉渣显热②磨矿、浮选成本问题③有价元素回收周期长④渣精矿潜热少，会降低熔炼强度

浮选法包括了缓冷与磨矿工序。炉渣中的铜之所以能够通过浮选富集到精矿中，是因为在熔渣冷却过程中，形成了能够机械分离的硫化亚铜结晶以及金属铜的颗粒。借助于它们在表面物理化学性质上与其它造渣物的差异，而实现分离。

牛牛文库文档分享第44页/共89页45吹炼的目的

铜锍（Matte）→粗铜（Blistercopper）常规方法，分为造渣期，造铜期冰铜（Matte）—白冰铜（Whitematte）—粗铜（Blistercopper）连续吹炼（炼铜）:一步吹炼得到粗铜。铜锍吹炼的目的

牛牛文库文档分享第45页/共89页46铜锍吹炼造渣期的主要化学反应FeS的氧化反应：

FeS+3/2O2===FeO+SO2FeO+1/2O2===Fe3O4FeO的造渣反应：

2FeO+SiO2===2FeO.SiO2（加入SiO2熔剂）吹炼渣的主要组成变为：

FeO—Fe3O4---SiO2随着吹炼造渣过程的不断进行,氧势和铜锍品位不断提高直至变为白冰铜。

牛牛文库文档分享第46页/共89页47造铜期吹炼交互反应2Cu2S+3O2(g)=2Cu2O+2SO2(g)TdeltaHdeltaGKKkJkJ1000.-806.112-564.9483.253E+0291100.-806.005-540.8344.833E+0251200.-805.516-516.7463.128E+0221300.-804.650-492.7146.297E+0191400.-803.412-468.7633.099E+0171500.-820.791-443.5772.805E+0151600.-685.993-425.7157.931E+013Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2(g)TdeltaHdeltaGKKkJkJ1000.99.7534.2715.982E-0011100.97.807-5.1811.762E+0001200.96.130-14.4674.264E+0001300.94.863-23.6298.902E+0001400.173.285-35.1782.054E+0011500.161.979-49.3385.227E+0011600.27.417-56.1476.810E+001

牛牛文库文档分享第47页/共89页48铜电解体系构成

体系：阳极：阳极铜；阴极：①始极片（生产槽）、不锈钢或钛板（种板槽）；

②永久阴极（不锈）；电解液：[Cu2+]40~60g/L、[H2SO4]180~200g/L阳极反应：Cu–2e=Cu2+（阳极溶解）φº=+0.34V

阴极反应：Cu2++2e=Cu（阴极析出）φº=+0.34V

电解中[Cu2+]升高的原因：Cu2++Cu=2Cu+电解中阳极杂质的行为：杂质总量:0.3%~0.8%，主要为O,S,Au,Ag,Pt,Se,Te,As,Sb,Bi,Ni,Fe,Zn,Pb,Co，分为4类

牛牛文库文档分享第48页/共89页49第六章锌冶金炼锌原料与方法硫化锌精矿的焙烧焙烧概念、目的、反应P106湿法炼锌的浸出过程浸出方法P110

中性浸出目的、主要反应、除杂原理P111-112

从高铁溶液中除铁的方法及主要反应P113-115

牛牛文库文档分享第49页/共89页50第六章锌冶金焙烧概念温度低于矿石或精矿的熔化温度（773-1273K）下硫化物的氧化过程，属气-固多相反应

焙烧目的

(1)脱硫火法：氧化焙烧（死烧）S的危害湿法：①选择性硫酸化焙烧②部分硫酸化焙烧

(2)脱除As、Sb、Cd、Pb等挥发性杂质

牛牛文库文档分享第50页/共89页51第六章锌冶金硫酸锌溶液净化P118

净化目的、方法、基本原理锌的电解沉积电极过程P121

电流密度槽电压、电流效率、电能消耗P123-124

电流效率的影响因素及提高电流效率的措施

牛牛文库文档分享第51页/共89页52中性浸出（电解废液150-200g/LH2SO4)

pH终5.0-5.4T50-60oC添加MnO2(锌电解阳极泥）、控制Fe/(As+Sb)＞10

加入过量焙砂，锌大部分溶解，Fe水解沉淀进入渣中，As,Sb,Ge等杂质与铁水解产物发生吸附共沉淀于浸出渣。ZnO•Fe2O3

不溶解。ZnO+H2SO4=ZnSO4+H2O2FeSO4+MnO2+2H2SO4=Fe2(SO4)3+MnSO4+2H2OFe2(SO4)3+2H2O=2Fe(OH)3↓+3H2SO44Fe(OH)3+H3AsO3=Fe4O5(OH)5As↓+5H2OSb、Ge同理ZnO·Fe2O3、ZnS等难溶组分残留于中性浸出底流。中性浸出上清液成分：Zn140-170g/L,Fe<0.02g/L,As、Sb<0.0007g/L锌焙砂的中性浸出

牛牛文库文档分享第52页/共89页53高温高酸浸出液沉铁工艺的选择黄钾铁矾法沉铁工艺：pH1.5±、温度为90℃以上3Fe2(SO4)3+2(A)OH+10H2O=2(A)Fe3(SO4)2(OH)6+5H2SO4式中A为K+、Na+、NH4+、Ag+、Rb+、H3O+和1/2Pb2+。针铁矿法沉铁工艺：

1)溶液中Fe3+浓度要<2g/l；2)溶液pH控制在3~4；3)溶液温度高于90℃。Fe2(SO4)3+ZnS+1/2O2+3H2O=ZnSO4+2FeOOH↓+2H2SO4+S0PSO2=2.5Kg/cm2，

T=110℃：ZnO·Fe2O3+2H2SO4+SO2==ZnSO4+2FeSO4+2H2O赤铁矿法沉铁工艺：PSO2=2.5Kg/cm2，

T=110℃ZnO·Fe2O3+2H2SO4+SO2==ZnSO4+2FeSO4+2H2OFe2(SO4)3+3H2O=Fe2O3↓+3H2SO4

牛牛文库文档分享第53页/共89页54

净化得到的净液，通过不溶阳极电解的方法从中提取锌。所用的阳极板为铅银合金板，阴极板为铝板。其总反应为：可见，随着电解的进行，电解液中Zn2+含量不断减少，硫酸浓度不断增大。因此必须连续地抽出一部分电解液送到浸出工序，同时要不断地补充已净化的中性浸出液。阴极上析出的锌每隔一个周期(一般为24小时)取出，将锌片剥下来送溶铸车间铸成锭。阴极铝板清洗后返回电解槽继续电解。硫酸锌溶液的电沉积

牛牛文库文档分享第54页/共89页55阳极过程：正常电解时阳极反应为：

2H2O－4e=O2+4H+E=1.229V

而Pb－2e=Pb2+E=-0.126V电位更负，更易溶解。溶解的Pb2+与SO42-反应，在阳极表面形成致密的保护膜，阻止铅板继续溶解,而且会升高阳极电位。当阳极电位接近0.65V时，会有下列反应发生：

Pb+2H2O－4e=PbO2+4H+E=0.655V这样为被覆盖的铅会直接生成PbO2，形成更致密的保护层。当电位超过1.45V时，溶液中的Pb2+和PbSO4也会氧化成PbO2。

Pb2++2H2O－2e=PbO2+4H+

E=1.45VPbSO4+2H2O－2e=PbO2+H2SO4+2H+E=1.68V锌电沉积基本原理-阳极过程-1不溶阳极电解！！

牛牛文库文档分享第55页/共89页56阴极过程：

(1)锌和氢在阴极上的析出电解液中杂质元素的含量很低时，阴极放电的离子只能是Zn2+和H+。当电解液含Zn50g/l，H2SO4115g/l，40℃条件下(正常电解时电解液成分范围内)，从理论上看，氢离子优先于锌离子放电。但实际上由于氢离子在金属电极上有很高的超电位，而锌离子的产电位很小，所以锌电解的阴极过程主要是Zn2+的放电。

H+的超电位在不同金属阴极上是不同的，它服从塔菲尔定律：

a为常数，主要取决于阴极材料及表面状态；b为随温度变化的参数，通常0.11~0.12范围内。

锌电沉积基本原理-阴极过程-2

牛牛文库文档分享第56页/共89页57铅锌密闭古风炉冶炼法-ISP烧结焙烧

牛牛文库文档分享第57页/共89页58ISP过程中铅锌合金熔体的冷却与分离

牛牛文库文档分享第58页/共89页59第七章铝冶金氧化铝生产的矿物原料和方法P134-136

铝土矿及其类型铝硅比氧化铝生产方法工业氧化铝的分类及铝电解对Al2O3的质量要求铝酸钠溶液铝酸钠溶液的特性参数P136-137

苛性比值硅量指数氧化铝在NaOH中的溶解度与拜尔循环P137

牛牛文库文档分享第59页/共89页60第七章铝冶金

铝酸钠溶液的稳定性P137

概念影响稳定性的因素拜耳法生产氧化铝P137-138

基本原理工艺流程拜耳法在Na2O-Al2O3-H2O系中的理论循环循环效率

牛牛文库文档分享第60页/共89页61第七章铝冶金铝土矿的高温溶出

硅的行为及其危害P140Al2O3的理论溶出率P140

碱损失P140

铝土矿溶出工艺P141溶出矿浆的稀释和赤泥分离洗涤稀释作业的作用P142-143

牛牛文库文档分享第61页/共89页62第七章铝冶金铝酸钠溶液的晶种分解

P143-144

分解反应种分分解率产出率分解槽单位产能氢氧化铝煅烧P146

目的及煅烧过程

牛牛文库文档分享第62页/共89页63第七章铝冶金分解母液蒸发与苏打苛化P146-147

蒸发作用及苛化方法碱石灰烧结法生产氧化铝基本原理及工艺流程P147-148

烧结及熟料溶出过程主要反应P149-150

铝酸钠溶液脱硅P151

铝酸钠溶液碳酸化分解原理及反应P151-152联合法生产氧化铝

方法

牛牛文库文档分享第63页/共89页64第七章铝冶金铝电解生产

铝电解原料及添加剂的作用P155，P158

电极反应及总反应P159

阳极效应及阳极效应系数P160

铝电解槽类型及其优缺点P156-157

铝电解烟气净化工艺P160

铝电解电流效率低的原因P161

牛牛文库文档分享第64页/共89页65铝冶金原料

铝土矿（Bauxite)是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿。铝土矿实际上是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称，是现代电解法炼铝的原料。铝土矿类型三水铝石一水软铝石一水硬铝石组成Al2O3·3H2OAl2O3·H2OAl2O3·H2O最高Al2O3%65.485.085.0晶系单斜正方正方硬度2.5~3.53.5~4.06.5~7.0密度(g/cm3)2.423.013.44快速脱水温度/℃150350450在每升Na2O水溶液中Al2O3溶解度/g(125℃)10545基本不溶

牛牛文库文档分享第65页/共89页66拜耳法生产氧化铝流程

牛牛文库文档分享第66页/共89页67拜耳法生产氧化铝的基本原理拜耳法生产氧化铝的基本原理是：（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两个过程，就能够每处理一批矿石便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。用反应方程式表示如下：Al2O3（1或3）H2O＋2NaOH＋aq→2NaAl(OH)4＋aq

牛牛文库文档分享第67页/共89页68铝酸钠溶液特性参数

苛性比值(αk)：苛性氧化钠与氧化铝摩尔数值比，衡量氧化铝的饱和程度硅量指数：氧化铝的重量与SiO2重量之比，A/S,其值越高，表示纯度越高氧化铝在氢氧化钠溶液中溶解度稳定性

其稳定性是指过饱和铝酸钠溶液从制成到开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。短时就发生显著分解者表示该溶液不稳定，长时放置也不分解这者表示该溶液是稳定的。其影响因素有：溶液苛性比值：高则过饱和程度减小其稳定性增加温度：提高温度稳定性增加溶液浓度：高或低稳定性好，中则差加入结晶核心稳定性显著降低搅拌会使稳定性下降

牛牛文库文档分享第68页/共89页69稀释

■高压溶出后料浆中Al2O3浓度达250g/L，对于如此之高的料浆浓度，不稀释不利于赤泥分离和晶种分解。溶液稀释到中等浓度后（降低Al2O3浓度到130-150g/L）才能获得较快的晶种分解速度。■用赤泥洗液进行稀释，既满足晶种分解要求，又回收了洗液中Al2O3和Na2O■进一步脱硅，Al2O3浓度由260g/L稀释到140g/L，SiO2由1.6g/L降到0.4g/l，溶液纯度大大提高■降低粘度，便于赤泥沉降分离溶出料浆稀释和赤泥分离洗涤

牛牛文库文档分享第69页/共89页70NaAl(OH)4+xAl(OH)3+aq=(x+1)Al(OH)3↓+NaOH+aq铝酸钠溶液晶种分解

牛牛文库文档分享第70页/共89页711)平衡系统水份2)排除Na2SO4,Na2CO3

和有机物3)获得能满足铝土矿溶出所需碱浓度的循环母液各种杂质在母液蒸发过程中的行为Na2CO3：

温度升高，苛性碱浓度升高，Na2CO3平衡溶解度下降。析出Na2CO3·H2O并吸附有机物Na2SO4：

温度升高，苛性碱浓度升高，Na2SO4平衡溶解度下降。主要析出2Na2SO4·Na2CO3苏打苛化：Na2CO3+Ca(OH)2+aq=2NaOH+CaCO3↓+aq分解母液蒸发

牛牛文库文档分享第71页/共89页72电解质体系电解质体系

溶质：氧化铝Al2O3，是电解原料。溶剂：冰晶石Na3AlF6可写作3NaF·AlF3。冰晶石是由NaF和AlF3合成的，NaF-AlF3二元系、Na3AlF6-Al2O3二元系和Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系是铝电解质的基本体系。

添加剂：

氟化盐AlF3、CaF2

、MgF2

、LiF

工业铝电解质组成（％）：

Na3AlF6AlF3MgF2LiFAl2O3

80-895-73-53-53-7

牛牛文库文档分享第72页/共89页731阴极过程机理

阴极过程总表达式：Al3+(配离子)-3e

Al

Na3AlF6-Al2O3熔体主要由Na+、AlF63-、AlF4-、F-、AlxOyF(2+2y-3x)-等构成，其中Na+传输的电流占99%以上，但电解条件下，Na+的析出电位比Al3+的负0.25V,一般认为含铝配离子阴极放电，Al是一次阴极产物；

分子比增大、温度升高、Al2O3浓度减小及阴极电流密度提高，Na+和Al3+放电电位差值缩小，加上阴极区的Na+积累，Na+也可能阴极放电，目前存在两种阴极放电理论：“钠置换铝”和“铝离子直接放电”理论铝电解机理

牛牛文库文档分享第73页/共89页742阴极过程机理铝离子直接放电理论熔体反应：Na3AlF63Na++AlF63-AlF63-AlF4-+2F-

Al2O3+4AlF4-

+4F-3Al2OF62-阴极放电：AlF4-+3eAl+4F-（低MR)AlF63-+3eAl+6F-(高MR)阳极放电：2Al2OF62-+6F-+C4AlF4-+CO2+4e总反应：

Al2O3+1.5C

2Al+1.5CO2钠置换铝理论熔体反应：Na3AlF63Na++AlF63-Al2O3+AlF63-3AlOF2-阴极放电：Na++eNa置换反应：3Na+2AlF3Al+Na3AlF63Na++2AlF3+6eAl+Na3AlF6阳极反应：

3AlOF2-+4AlF63-1.5O2+4AlF3+6e总反应：Al2O3+1.5C

2Al+1.5CO2铝电解机理

牛牛文库文档分享第74页/共89页75阳极效应现象1）阳极周围发生明亮的小火花，伴劈啪声；2）阳极周围的电解质如被气体拨开，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出；3）电解质不再沸腾；4）电压急剧上升（4V→30~50，甚至100V），灯亮；阳极效应原因1）电解质中缺少氧化铝；2）电流密度大，易发生阳极效应，电流密度越大，发生效应时的氧化铝浓度越高，反之亦然；3）发生阳极效应时的最低电流密度称为“临界电流密度”。阳极效应

牛牛文库文档分享第75页/共89页76碳阳极的消耗

阳极反应比较复杂，因碳阳极是一活泼材料，参与阳极电化学反应。阳极主反应是铝-氧-氟离子中的O2-在炭阳极上放电，生成CO2的反应：

3O2-+1.5C–6e=1.5CO2(g)这是碳阳极的一次反应消耗。此外，碳阳极的C还与一次反应生成的CO2发生布多尔反应生成CO气体：C+CO2(g)=2CO(g)这是碳阳极的二次反应消耗。炭阳极的理论消耗量是：

1.5×12/54×100%=333kg(C)/t(Al)

牛牛文库文档分享第76页/共89页77第八章钨冶金钨氧化物的种类及重要的同多酸盐P166-167钨冶金工艺过程的四个阶段钨精矿的分解分解方法苏打高压浸出法P169－172

适合矿物化学反应苏打回收

牛牛文库文档分享第77页/共89页78第八章钨冶金

苛性钠溶液浸出法P172

适合矿物主要反应工艺方法P173

白钨精矿盐酸分解法主要反应P174

牛牛文库文档分享第78页/共89页79丰度为1.1×10-4%

，

已发现钨矿物约有20多种，其中工业价值最大、储量最多的是黑钨矿和白钨矿黑钨矿

(Fe,Mn)WO4FeWO4与MnWO4类质同相体白钨矿

CaWO4我国钨资源情况

我国钨矿石储量大，白钨为主，多金属共生黑钨矿35%；白钨矿50%；