有色冶金

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1、1第一章：第一章： 金属定义：可塑性、导电性及导热性良好，具有金属光泽的化学元素. 金属分类：黑色金属（指铁、铬、锰三种金属） 、有色金属 有色金属分为 5 类：重金属、轻金属、贵金属、稀有金属、半金属。 矿物：地壳中具有固定化学组成和物理性质的天然化合物或自然元素。矿物是组成岩石和 矿石的基本单元。 矿石：含有用矿物的矿物集合体。如其中金属的含量在现代技术经济条件下能够回收加以 利用时，这个矿物集合体就叫做矿石。 矿石分类：分为金属矿石和非金属矿石两大类。 金属矿石分类：按金属存在的化学状态分为自然矿石、硫化矿 石、氧化矿石和混合矿石。 选矿方法有重选法、浮选法、磁选法、电选法 。 冶金方法

2、：包括火法冶金、湿法冶金、电冶金。 火法冶金：又称高温冶金。利用高温从矿石中提取金属或金 属化合物的冶金过程。 湿法冶金：利用某种溶剂，借助化学反应，对原料中的金属 进行提取和分离的冶金过程。 电冶金：利用电能从矿石或其他原料中提取、回收和精炼 金属的冶金过程。电冶金包括电炉冶炼、熔盐电 解和水溶液电解等。 第二章：铜第二章：铜 火法炼铜工艺步骤为：造锍熔炼铜锍吹炼粗铜火法精炼阳极铜电解精炼 造锍熔炼的目的：（1）炉料中的全部铜富集在铜锍相，脉石、氧化物及杂质汇 集于熔渣相。 （2）铜锍相与熔渣相完全分离。 造锍熔炼的工艺原则： （1）必须使炉料有相当数量的硫来形成铜锍； （2）使炉渣含二氧化

3、硅接近饱和，铜锍和炉渣不致混溶。 造锍熔炼过程的主要反应： FeS 的氧化反应，可以达到炉料部分脱硫的目的。脱除炉料中的铁，并使炉料中的 SiO2、Al2O3、CaO 等成分和杂质通过造渣除去。使炉料中的 Cu2S 与未氧化的 FeS 相互熔解，形成含铜较高的液态铜锍。 铜锍成分：铜锍是由 CuS 和 FeS 组成的合金，其中还含有 Ni 、Co、Pb、Zn，Ag，Au，Sb，Bi，As 及微量脉石成分，此外还含有氧。工业冰铜含铜 30%70%，含硫为 20%25%。 铜锍品位：指铜锍中铜的百分含量。铜锍品位选择是生产中的重要问 题。铜锍品位太低，会使铜锍吹炼时间过长，增加生产成 本。太高则使

4、炉渣含铜增加。 铜在熔渣和铜锍中的平衡浓度遵循分配定律：KCu 为平衡浓度比数值为 0.01 左右，(%Cu)和 %Cu分别表示铜在熔渣和铜锍的质量 百分含量。(g)2SO2FeO(l)3O2FeS(l) (1)22(l)SiO2FeO(s)SiOFeO(l)2)2(22FeS(l)CuSCuS(l)FeS(l)3(xyyxCuKCuCu%)(% 2炉渣成分：炉渣主要由 SiO2 和 FeO 组成，其次是 CaO、Al2O3 和 MgO 等并含有少量的铜 和锍。 铜精矿的密闭鼓风炉熔炼：鼓风炉是竖炉，焦炭、转炉渣、熔剂和混捏铜精矿依次从炉子 上部加料口分批加入，靠其自身重力垂直向下移动，在高温

5、下，与从炉子下部两侧风口鼓 入的空气或富氧空气相遇，发生各种反应，而达到熔炼目的。 炉料、炉气和温度在炉内的分布： 炉料分布：炉料在偏析作用下，细精矿在炉中心形成料柱，炉料两侧为块料所填充，造成 炉料分布的不均匀。 炉气分布：炉气分布形成周边行程。 温度分布：炉子两侧温度高，中心低。 密闭鼓风炉为竖式矩形炉子，炉子由炉缸、炉身和炉顶等部分组成。 铜锍吹炼的原理：第一周期：（造渣期） 除去铜锍中全部铁以及与铁化合的硫。 2FeS(l)+3O2(g)=2FeO(l)+2SO2(g) 2FeO(l)+SiO2(g)=2FeO.SiO2(l) 第一周期的产品主要是白冰铜（Cu2S）和铁 橄榄石炉渣（2

6、FeO.SiO2 ） 第二周期（造铜期） 氧化脱除残余硫生产金属铜。 2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2+Q1 Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2-Q 2 第二周期得到的产品为粗铜。 吹炼过程直到出现 Cu2O 为止。 电解精炼原理：阳极反应 Me 2e = Me2+ Cu 2e = Cu2+ Me 指 Zn、Fe、Ni、Sn、Co 等。Au、Ag、和 Pt 族金属进入阳极泥。 阴极过程 Cu2+ + 2e = Cu Me2+ + 2e = Me Me 指砷、锑、铋等与铜电位相近的金属。 第三章：铝第三章：铝 铝硅比（A/S）：铝硅比是指铝土矿中的 Al2O3 和 SiO2 的质量比。

7、是衡量铝土矿质 量的主要指标。铝土矿中的硅是碱法处理铝土矿制取氧化铝过 程中最有害的杂质。 碱法生产氧化铝：使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液而与二氧化 硅和氧化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，氢氧化铝经高温 锻烧制得成品氧化铝。 碱法生产氧化铝分为拜耳法、烧结法、联合法。 拜耳法的生产工艺主要由溶出、分解和煅烧三个主要阶段组成。全流程主要加工工序为： 矿石的破碎及湿磨、高温高压溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、母液蒸发和氢氧化铝煅烧。直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使 矿石中氧化铝生成铝酸钠，而矿石中的二氧化硅则成为 赤泥与铝酸钠溶液分离，将净化后的铝酸钠溶

8、液进行分解，再经过滤得到氢氧化铝，经洗3涤后焙烧成氧化铝，分离所得的大量苛性碱溶液称为母液，母液经蒸发再用于处理下一批 矿石。 氧化铝溶出率(）：矿石中可以溶出的 Al2O3 量与矿石中 Al2O3 量之比。铝电解生产工艺：采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，电解过程在电解槽内进行，直流电经过 电解质使氧化铝分解。依靠电流的焦耳热维持电解温度 950970。电解产物在阴极上是 液 体铝。在阳极上是氧，它使碳阳极氧化而析出气体 CO2 和 CO，铝液用真空罐法抽出，经 净化澄清之后，浇注成商品铝锭。 铝电解质：电解质是以冰晶石为溶剂，以氧化铝为熔质的熔盐体系。 铝电解的电极过程： 阴极过程 铝电解槽阴

9、极上的基本电化学过程是 Al-O- F 络合离子中的 Al3+离子的放电析出。阴极反 应为： Al3+ + 3e =Al 除此之外，在一定条件下还会有 Na 析出。 Na+ + e = Na （副反应） 阳极反应： 炭阳极上的反应为 Al-O-F 络合离子中的 O2-在 炭阳极上放电生成 O 原子，再与炭阳极中的 碳发生反应生成 CO2，反应式为： 2O2-+ C - 4e=CO2 电解过程总反应为： 2Al2O3+ 3C = 4Al+ 3CO2 电解过程的副反应：碳化铝的生成：反应式为：4Al+3C=Al4C3 第四章：锌第四章：锌 现代炼锌方法分为火法炼锌和湿法炼锌。 硫化矿的焙烧是从锌精

10、矿中提炼锌的第一步冶金过程。焙烧过程是在高温下借助空气中的 氧进行的氧化脱硫过程，以改变其成分以适应下一步冶金处理的要求。 焙烧目的 （1）火法炼锌工艺的焙烧目的 完全脱硫，得到金属氧化物组成的焙烧矿（焙砂） ，从而可使蒸馏得到的锌较纯，避免蒸馏 过程锌成为硫化锌而造成的锌的损失 （2）湿法炼锌工艺的焙烧目的 不完全脱硫，焙烧时要保留少量的硫酸盐，以补偿浸出和电解过程中损失的硫酸。同时尽 可能少生成铁酸锌。 焙烧方式： （1）高温氧化焙烧： 目的： 获得适合火法炼锌工艺的还原蒸馏过程的焙砂。除了把精矿含硫脱除至最低限度外，还要 把精矿中大部分的铅、镉等杂质脱除。 工艺原理：%001ASA4主要

11、是利用铅、镉的氧化物和硫化物的挥发性大，以及硫酸锌高温氧化分解的特性除去杂 质。 焙烧温度升高有利于杂质的脱除，但焙烧温度过高，会使精矿颗粒烧结成块，因此高温氧 化焙烧时采用 13431373K 温度为适宜。 （2）低温部分硫酸化焙烧工艺目的： 得到适合传统湿法炼锌工艺浸出用的焙砂。焙砂要求含一定数量的硫酸盐形态的硫（2%4%） ， 焙烧温度一般采用 11231173K。低温焙烧有利于保存部分以硫酸盐形式存在的硫，但也会 增加以硫化物形态存在的硫（不溶硫） 。 火法炼锌的基本原理： 焙砂中 ZnO 的还原 基于在高温 ZnO 能被碳质还原剂还原，主要反应为：ZnO(s) + C(s) = Zn

12、(g) + CO(g) 还原温度高于 1280K，而锌沸点为 1180K，故还原产物为锌蒸汽。 冷凝反应 还原蒸馏得到的锌蒸气必须在冷凝器中冷凝成液体锌。Zn(g) Zn（l） 锌蒸气的冷凝是相变过程，为使气态锌转化为液态锌，必须使锌蒸气温度降到沸点下 （1180K） 。 火法冶炼所得粗锌（98.7%99.5%）中含有 Pb，Cd，Fe，Cu，Sn，As，Sb，In 等杂质 （总含量 0.1%2%)，为了获得很纯的锌，必须对粗锌进行精炼以提高锌的纯度。目前，工 业上采用火法精馏精炼，此外还有熔析法和真空蒸馏精炼。 精馏提炼原理：利用锌与各杂质蒸汽压和沸点的不同，在高温下实现分离。 湿法工艺原理

13、：湿法冶金是在低温（298523K）及水溶液中进行的一系列冶金作业过程。 湿法炼锌包括:焙烧、浸出、净化、电解和熔铸 5 个工序。以稀硫酸为溶剂溶解含锌物料中 的锌，得到硫酸锌溶液，再对此溶液进行净化以除去溶液中的杂质，然后从净化液中电解 析出锌，电解析出的锌再熔铸成锭。 全湿法炼锌工艺：工艺原理 将硫化锌精矿不经焙烧，在高压釜内充氧高温（413433K）高压（35070kPa）下加入废 电解液，使硫化物直接转化为硫酸盐和元素硫。 主要反应为：ZnS+H2SO4+1/2O2=ZnSO4+S+H2O 硫酸锌溶液的电解沉积：锌的电解沉积是湿法炼锌的最后工序，是用电解的方法从硫酸锌 水溶液中提取纯金

14、属锌的过程。 工艺原理： 将净化后的 ZnSO4 溶液与电解废液混合，连续从电解槽的进液端流入电解槽内，所用的阳 极板为含银 0.5%1%的铅-银合金板，阴极板为铝板。在阴极铝板上析出金属锌，阳极上放 出氧气，溶液中硫酸再生。其总反应为：阳极过程： 首先发生铅阳极的溶解，形成 PbSO4 覆盖在阳极表面。Pb +SO42- 2e = PbSO4 当电位增大到某一数值时， Pb2- 被氧化成 Pb4-，并与氧结合生成 PbO2： PbSO4 +2H2O -2e= PbO2+4H+SO42-242241/2OSOHZn直流电 OHZnSO5当阳极完全被 PbO2 覆盖，铅板阳极不再溶解，进入正常的

15、 阳极反应：2H2O - 4e = O2+ 4H+ 最终放出氧气，增加溶液中 H+ 浓度。 阴极过程电解液中正离子主要是 Zn2+ 和 H+，在工业生产条件下，Zn 和 H2 析出的平衡电位分别为 EZn=-0.806V，EH=-0.053V，从 热力学看，电位较正的氢先析出。 但在实际的电解过程中，伴随有极化现象而产生电极反应的 超电压（） 。Zn 和 H2 实际析出的电位为：H=1.105V，Zn=0.03V，E/Zn=-0.836V， E/H=-1.158V 由于析出超电压的存在，使氢的析出电位比锌负，锌优先于 氢析出，从而保证了锌电积的顺利进行。 第五章：铅第五章：铅 铅的生产工艺：铅

16、的冶炼方法以火法为主，火法按冶炼原理不同可分为反应熔炼、沉淀熔 炼和焙烧-还原熔炼。 反应熔炼： 部分氧化 PbS 为 PbO 和 PbSO4，与未氧化的 PbS 相互反应生成铅 PbS+2PbO=3Pb+SO2 PbS+PbSO4=2Pb+2SO2 反应熔炼在膛式炉或反射炉中进行。此法用于处理高品位的铅精矿，在工业上已被淘汰， 但工艺原理仍用于新炼铅方法中。 沉淀熔炼： 是利用铁作沉淀剂置换铅： PbS+Fe=Pb+FeS 此法需消耗大量的铁，在工业已被淘汰，但这个反应常常在火法炼铅中用来提高铅的回收 率。 焙烧目的： （1）氧化脱硫： 将精矿中 PbS 氧化为易于还原的 PbO，其他金属硫化物也氧化成金属氧化物。同时除去矿 石中的砷、锑。 （2）结块 将细粒炉料烧结成适合鼓风炉熔炼的，具有一定孔隙度的烧结矿。 铅电解精炼时的电极反应： 用火法精炼初步除 Cu、As、Sn 的铅做阳极，纯铅做阴极。电解液为硅氟酸和