昆冶专冶金原理课件15粗金属的物理精炼方法

任务15

粗金属的物理精炼方法上一章任务内容一、任务目标二、解决思路三、任务实践任务目标

粗金属的概念由矿石或精矿经火法冶炼得到的粗金属，常常含有一定量的杂质（一般来自金属矿石及人为加入的熔剂、反应剂、燃料等），这样的金属称作粗金属。例如粗铜含有各种杂质和金银等贵金属，其总量可达0.5～2%；鼓风炉还原熔炼所得的粗铅含有1～4%的杂质和金银等贵金属。粗金属中所含的杂质对金属的使用性能有不利影响必须除去，而且杂质中有较高的经济价值的有价元素（如稀贵金属等）必须加以回收利用。因此，大多数粗金属都要进行精炼。任务目标粗金属的火法精炼的目的主要是为了获得尽可能纯的金属，有时是为了得到某种杂质含量在允许范围内的产品，有时却是为了提取粗金属中的其它有价元素。任务目标粗金属火法精炼的常用方法：熔析法、精馏法和加剂法等。加剂法，根据加入物质的不同。又分氧化精炼法和硫化精炼法等。其它方法，如区域（带熔）法等。解决思路粗金属火法精炼的方法是多种多样的，随主体金属和杂质性质的不同而不一样，而且与所要精炼的金属的纯度有关。就其本质而言，粗金属火法精炼都是利用使主金属与杂质化学性质的差异或物理性质的差异，采取一定的操作，形成通过物理或化学等方法容易分离的两相或多相体系，即使主金属和杂质分别进入不同的相，从而实现两者分离。解决思路实际金属精炼方法的应用为了生产出纯度较高的冶金产品，同一精炼过程往往需要重复进行多次，或者需要几种精炼方法配合使用。前者例如，区域提纯和凝析精炼，后者例如，粗铅除铜过程包括凝析精炼、硫化精炼等等。解决思路粗金属火法精炼的方法一般可分为两大类:

化学精炼法和物理精炼法。

物理精炼法基于在两相平衡时杂质和主金属在两相（液-固或气-固）间分配比的不同，形成液-固两相实现分离的方法有熔析精炼法、区域精炼(区域熔炼)法等；形成气-液两相实现分离的蒸馏精炼法、真空精炼法。任务实践一)熔析精炼二)精馏精炼三)区域(带熔)精炼任务实践一)熔析精炼1、

基本概念熔析精炼是一种熔析现象。熔析是指两种金属能形成共晶的合金，在其固体熔化或融体缓冷时，除了共晶组成以外，杂质能形成新的固体或液体，因新旧相的密度不同而分离。任务实践2、熔析现象在冶金过程中的作用利:熔析现象在有色金属冶炼过程中广泛应用于粗金属的冶炼，例如粗铅熔析除铜，粗锌熔析除铅、铁等。任务实践弊:但是熔析现象对合金生产和铸造作业却是十分有害的，这是因为熔析现象破坏了合金与铸件整体的均一性，而造成各部分性质的差别。任务实践3

、熔析精炼过程的步骤:由两个步骤完成的：第一步，用加热或缓冷的方法使均匀的合金产生多相体系（液体加液体，或液体加固体）。第二步，由第一步所产生的两相按密度不同而进行分层。如果分层为二液相用高低不同的放出口放出。如果分层是固相和液相，则用漏勺或捞渣器等使两相分离，也可使液体沿炉底斜坡放出炉外，而固体则仍留于炉底上，从而使两相分离。任务实践4、实例粗金属的熔析精炼是以状态图为基础的，现以粗铅熔析除铜为例来进行分析讨论。图6-1为Cu-Pb二元系平衡状态图。图中共晶点相当于在599.15K时铅量为99.94%，铜量为0.66%。由于共晶成分接近于纯铅成分，共晶成分不可能在该图上表示清楚，为了便于应用特将此图部分放大，放大部分置于Cu-Pb二元系平衡状态图的右边。从图中可以看出，在铅的熔点附近，铅中只可能溶解少量的铜，因此可用熔析法将粗铅中的铜除至一定程度。任务实践

粗金属熔析精炼的温度是在略高于主体金属的熔点下进行的。如粗铅熔析除铜就是在6l3～633K下进行的，所以粗铅熔析除铜所得到的铜含铅要高于0.06％。

粗金属熔析精炼的方法，分为液体金属缓慢冷却的凝固法和固体金属缓慢加热的熔化法。粗铅的凝固法是将液体粗铅缓慢冷却，当温度略高于铅的熔点时，铜便结晶析出，上浮到熔体铅的表面上。任务实践粗铅的熔化法是将固体粗铅缓慢加热，当温度略高于铅的熔点时，铅便从粗铅中熔出，铜呈固体上浮到熔体铅的表面上。分层后，如前所述采用不同的物理方法使其分离。粗金属的熔析精炼，由于过程和所使用的设备都比较简单，而且效率业相当高，所以在有色金属冶炼生产过程中得到广泛应用。任务实践二)精馏精炼1、概念对于那些具有无最高和最低点的二元系沸点-组成图的合金，在通常情况下，蒸气相的成分与液相的成分是不同的，蒸气相和与它成平衡的液体相比较，往往含有较多沸点较低的组元，而液体相则含有较多沸点较高的组元。这样，便有可能根据它们组成的沸点不同，采取多次连续蒸馏—精馏的方法使熔体的组元分离。任务实践2、实例

含有铅和镉的粗锌在标准大气压下进行精馏精炼，是基于锌、铅、镉的正常沸点不同而实施的。锌的沸点为1180K，铅的沸点为1798K，镉的沸点为1040K。如果将含有铅和镉的粗锌加热到1273K时，粗锌中的锌和镉就沸腾呈蒸气状态挥发，而铅以及其它沸点较高的杂质（如铁、铜等）差不多完全呈液体状态。任务实践在温度为1273K时，铅的蒸气压133.32Pa，铁和铜的蒸气压更小（分别为133.3210-4和133.3210-6Pa）。这样，便可实现锌、镉与铅和其它沸点较高组元的分离。挥发分离出来的锌、镉蒸气，经冷凝后成为液体合金，其中通常含有5%（原子）的镉。为了使锌与镉分离，还须进行分馏。任务实践锌和镉的分馏原理，可以用图6-2的Zn—Cd二元系的沸点-组成图来说明。任务实践由图6-2可以看出，若把锌为95%、镉为5%的合金熔化加热，当温度达到相当于1163K的点时便开始沸腾，与液相平衡的气相成分为（含镉12%）。因为镉在气相中的含量比在液相合金中的含量要多，所以在蒸发了一些溶液之后，剩下的溶液中含锌更高，含镉更少。任务实践若使含锌更高、含镉更少的溶液在较高温度下蒸发，最后剩下的溶液几乎只有锌，从而得到纯度很高的精炼锌。如果将挥发出的成分为点的蒸气冷却到1143K，亦即使体系处于液—两相状态的区域内，则会得到含镉为10%的凝聚液和含镉为30%的蒸气b。任务实践当蒸气冷却到1103K时，又会得到含镉为25%的凝聚液和含镉为60%的蒸气。这样继续下去，最后挥发出来的蒸气几乎是纯组元镉。因此，在像Zn—Cd这类无最高点和最低点沸点的体系中，常可用精馏精炼法将它们分离，而得到很纯的金属。任务实践三)区域(带熔)精炼1、

基本概念在区域精炼过程原理是利用粗金属（因含有杂质，可近似地视为二元系或二元合金）在连续降温凝固时，先凝固部分（固相）与后凝固部分（液相）有不同的组成的化学偏析现象（即杂质在固液相中分配比例不同，将杂质富集到固相或液相中从而与主金属分离）达到金属精炼的目的。任务实践2、平衡分配系数对于不同体系，区域精炼效果的好坏，可以用平衡分配系数(又称分布系数、分凝系数)来评价。的定义为，在固一液平衡体系中，溶质(在此为杂质)在固相的浓度与其在液相的浓度，之比，即：

任务实践根据体系性质的K0不同可以大于1[见图13-6(2)]，也可、以小于1[见图13-6(1)]，其值一般为10-6～20。愈接近于1，CS与Cl的值愈相近，因而提纯的效果愈差。对于杂质含量极小的金属体系，可以认为K0是常数。在图13-6中，这相当于假定液相线和固相线是两条直线。对于极稀溶液，这个假定是正确的。不论K0<1，还是K0>1，其精炼原理相同。任务实践任务实践下面通过二元系相图来加以说明，图13-6是-Me--Me′二元系相图的一部分。设组元Me′在熔体X中的起始浓度为C0，当降温时，

Me′在结晶相中的浓度为CS，在液相中的浓度为Cl。任务实践如图(1)所示，当熔体冷X却至温度t1时，CS

=Cb

，Cl

=C0且CS＜Cl。体系温度继续降低，固溶体组成沿固相线BE变化；熔体组成沿液相线Af变化。此时先凝固部分（固相）与后凝固部分（液相）有不同的组成—即化学偏析。通过进一步分析可知，在液态金属凝固过程中，杂质将发生偏析，对K0<l的杂质而言，其在固相中的平衡浓度小于平衡液相冶金原理中杂质的含量最少，而大部分聚集在液相中，以致在最后凝固的固相中的含量最高；对K0>1的杂质而言，则与之相反，先凝固的固相中含量高，而后凝固的固相中含量低。任务实践

3﹑区域精炼及其影响因素

1)区域精炼区域精炼(又称区域熔炼或区域提纯)的实质如图13-7所示。设金属锭料中某杂质的平均浓度为C0，将其局部熔化一个(或数个)熔区，然后使熔区从一端慢慢地移动到另一端。移动过程中，保持熔区长度不变，当熔区从左端向右端移动时，则左端慢慢凝固，右端慢慢熔化，在左端最先凝固出来的固相中该杂质的浓度应为K0C0。对于K0

<1的杂质，K0C0是小于的C0，即开始凝固的部分纯度得以提高。任务实践任务实践而由于从熔区右边熔化面熔入的杂质大于熔区左边凝固面进入固相的杂质，因此，熔区中该杂质的浓度Cl随着熔区向右移动在不断地增加，相应地析出的固相杂质浓度亦从左到右逐步增加(见图13-1)。到最后一个熔区范围内，则是定向凝固，杂质浓度急剧增加。对K0

>1的杂质而言，由于K0C0

>1其分布将与K0

<1的杂质相反，将主要集中在先凝固的锭料首端。而在锭料的中部则K0

<l的杂质和K0

>1的杂质浓度都小，纯度最高。任务实践2)影响区域熔炼效果的因素：

区域熔炼次数区域熔炼过程可重复进行多次，随着次数增加，提纯效果亦增加，但提纯效果不能无限制增加，经过一定次数区域提纯后，杂质浓度的分布接近一“极限分布”，此极限分布曲线随具体的熔区长度及K0值等因素而变。杂质的浓度(以实际浓度与起始浓度之比表示)与区域熔炼次数的关系如图所示。任务实践任务实践熔区长度在第一次区熔时，对K。<1的杂质而言，熔区长度z增加，则G下降，即提纯效果增加，这一规律性在前几次区熔时同样存在，即在前几次区熔时，增加熔区长度都有利于提高提纯效果，但熔区长度增加则上述“极限分布”曲线往上移，即能达到的最终纯度降低，故一般区域熔炼时，前