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1、冶金学 有色金属冶金部分 授课人：张勤 联系电话：18602420020,有色金属冶金概论,1、 有色金属分类 及发展简史,Company Logo,Company Logo,元素周期表,金属的分类,在已发现的118种元素中，有91种(86种）被认为是金属(metal)， 铁、锰、铬称为黑色金属 除铁、锰、铬以外的其余金属，统称为有色金属(nonferrous metal) ，又称非铁金属。,Company Logo,Company Logo,1.1 有色金属分类,Al,Na,Li,Mg,Be,K,Ca,Ba,Sr,B,Si,As,At,Company Logo,1.1 有色金属分类,在有色金
2、属分类上，全世界还没有统一的标准，各国分类方法不尽相同，而且在分类中某些金属的归属存在交叉的情况。按中国惯例，大体上把有色金属分为五类。 重有色金属 轻金属 贵金属 稀有金属 半金属,Company Logo,重有色金属 简称重金属，一般指密度在5t/m3以上的金属，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉、铋10种金属。这类金属的共同特点是密度较大，都在6600kg/m3以上。 轻金属 包括铝、镁、钙、锶、钡、钾、钠7种金属。这类金属的共同特点是密度较小，都在4000kg/m3以下；化学性质活泼，易与氧、卤素、水等作用。,1.1 有色金属分类,Company Logo,1.1 有色金属分类,贵
3、金属 包括金、银及铂族金属中的铂、锇、铱、钌、铑、钯8种金属。这类金属的共同特点是化学性质稳定，密度大(10000-22000 kg/m3)，熔点较高(1189-3273K)。 半金属 又称似金属或类金属，包括硼、硅、砷、砹。其特点是它们的导电率介于金属和非金属之间，并且都具有一种或几种同质异构体，其中一种具有金属性质。硒、硫、锗、锑、钋也具有半金属的属性，按中国惯例已划归入其他类别中。,Company Logo,1.1 有色金属分类,稀有金属 这个名称并不是由于它们在地壳中的含量都稀少，而是因为某些稀有金属在地壳中的赋存状态比较分散，或发现较迟，或制取较困难，因而其生产和应用都较晚。在历史上
4、给人以“稀有”的概念，遂被称为稀有金属，而沿用至今。稀有金属根据其物理化学性质或其在矿物中的共生情况，可分为五类。,Company Logo,稀有金属分类：,Tc,Cs,Rb,Fr,Ra,稀有轻金属 稀有高熔点金属 稀土金属 稀有分散金属 稀有放射性金属,Company Logo,据考证，铜、铅、锡、汞、金、银和铁都是史前金属。 8000年以前，人类就知道使用铜，7000年前知道有铅， 3000年前就在炼丹术中使用汞，2000年前就出现了炼锡技术。,1.2 有色金属发展简史,Company Logo,1.2 有色金属发展简史,Cu,Pb,Zn,Ni Al Mg,2、有色金属资源,Company
5、 Logo,2.1 有色金属资源,包括矿产资源和二次资源两类，12种常用有色金属矿产资源的地壳丰度及其在所有元素中排列名次如表。,Company Logo,Company Logo,2.1 有色金属资源,从表中看出，在这12种重要的有色金属中，除铝、镁、钛在地壳含量较丰富之外，其他9种金属含量都较少，其余有色金属的地壳丰度大都小于3010-4，含量更是稀少。地壳中的有色金属，经过亿万年的变迁过程，逐渐形成可开采的矿物矿床。, 0.3, 0.3,0.3,0.4,1.5,铜矿床示意图,Company Logo,2.1 有色金属资源,世界有色金属矿产资源分布很不均匀，一半以上的储量集中在亚洲、非洲和
6、拉丁美洲的一些发展中国家，40的储量分布于工业发达国家，这部分储量的4/5又集中在前苏联、美国、加拿大和澳大利亚。 有色金属消费量很大的西欧和日本的资源却很少，其有色金属原料对外依赖的程度很大。 中国的有色金属资源十分丰富，品种齐全，钨、锑、钒、稀土、钛、锂及某些稀散金属的金属储量居世界首位，铅、锌、钼、钕等金属的储量处于世界前列。,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,2.1 2.1 有色金属资源 色金属资源,Company Logo,2.1 有色2.1 有色金属资源,Company Logo,二次资源亦称再生资源，主要是指含有色金属的
7、废杂物料，如金属及其合金材料生产、加工过程中产生的废品、边角料，消费使用后的废弃物品等。这部分资源也蕴藏着大量的有色金属，是有色金属仅次于矿产资源的重要来源。,充分利用有色金属二次资源，除了其含金属量比矿石高、容易冶炼、能耗少因而冶炼成本低外，在保护资源和环保方面其有特殊意义，日益受到人们的重视。,到20世纪80年代末，欧洲、美国、日本铜、铅的再生率平均达到1/2以上，铝、锌接近1/3。美国、英国、西德从二次铜资源回收的铜占其精铜总量40以上，而意大利所产的精铜几乎100%是再生铜。,2.1 有色金属资源,Company Logo,根据中国有色金属工业协会统计，我国再生有色金属总产量在2006
8、年达到了453万吨，占当年有色金属产量的23.6%。,2.1 有色金属资源,2006年我国主要再生有色金属的产量（万吨）,Company Logo,2.2 中国有色金属产量,近些年十种有色金属的产量,2.2 中国有色金属产量,2006年中国主要有色金属产量占世界比例,Company Logo,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,2.3 有色金属的应用,从人类文明的历史来看，某些有色金属材料的出现和应用往往能促进整个人类文明历史的进步或促进某一科技领域取得突破性的进展。青铜的出现和应用标志着人类历史从此结束了历时数十万年的石器时代，进入了
9、一个崭新的历史时期。,石器时代,青铜时代,铁器时代,从距今250万年至距今1万年左右,公元前3500年起,公元前1200年起,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,2.3 有色金属的应用,2.3 有色金属的应用,有色金属在能源、电器、航空、冶金、机械、石油、化工、医疗卫生等工业部门中有着重要的应用。 铝、钛及其合金是航空、航天工业的基础材料。 镍、钴、钨、钼、钒、稀土等是各种合金钢的主要添加剂，可以说没有这些有色金属就不会有合金钢。 铀、钍、钚是核电站反应堆的核燃料 锌作为耐腐蚀徐层，大量用于镀锌钢板的生产和钢铁材料的防。 铅大量用作某些
10、化工设备和电缆的防腐层。各种石油和化工催化剂 此外，有色金属广泛应用于军事工业各部门，成为军事工业发展必不可少的重要材料。如喷气式战斗机中的铝、钛、镁，枪炮弹中的铜，导弹、舰船中的钨、钼、铼、钒，核潜艇中的锆、铪，激光技术中的稀土、镓、硒、碲，红外技术中的锗、硅、镓，反坦克穿甲炮弹中的钨基高比重合金，等等。鉴于有色金属与军事工业关系密切，而被各国列为重要战略物资。,Company Logo,3、有色金属的提取冶金,Company Logo,Company Logo,3.1 有色金属提取冶金的任务,有色金属提取冶金的任务是从矿石、精矿、二次资源或其他物料中分离出其他伴生元素产出金属或其化合物。,
11、矿石、精矿 二次资源,金属 化合物,提取冶金,Company Logo,3.2 有色金属提取冶金方法,Company Logo,火法冶金一般是在高温条件下进行，包括焙烧、熔炼、还原、吹炼、火法精炼、真空精炼等主要过程，同时也包括某些辅助作业如熔铸和收尘等。,3.2 有色金属提取冶金的方法,Company Logo,3.2 有色金属提取冶金的方法,湿法冶金是在水溶液中进行的冶金过程，包括浸出、液固分离、溶液净化和溶液中金属提取等主要过程。,Company Logo,电冶金是一种利用电热或电化学反应进行的冶金过程，分为电热冶金和电化冶金两类。 电化冶金按电解质分为水溶液电解和熔盐电解，按电解目的分
12、为电解提取和电解精炼。,3.2 有色金属提取冶金的方法,Company Logo,3.2 有色金属提取冶金的方法,三种主要冶金方法各有优缺点，有色金属的提取冶金常根据原料的不同和对产品的要求，采用两种或三种方法相互配合组成的提取流程。 大多数的重金属如铜、铅、锡，镍、钴等多采用以火法冶金方法制取粗金属，以电化冶金方法制取纯金属的提取流程。 轻金属多采用以湿法冶金方法制取金属纯化合物，以电冶金方法制取粗金属和纯金属的提取流程。 大多数稀有金属采用以湿法冶金方法制取纯金属化合物，以火法冶金方法或电冶金方法制取纯金属的提取流程 。 贵金属中的金、银多采用以湿法冶金方法富集化合物，以火法冶金方法制取金
13、属和以电冶金产出纯金属的提取流程。,3.3 提取冶金工艺过程,火法,湿法,预处理,Company Logo,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,3.4 有色金属的提取步骤,有色金属种类繁多，且原料的性质和成分各不相同，因此不但各金属提取的步骤各异，即使同一种金属其提取步骤亦会因原料性质、成分及对产品要求不同而异，这是有色金属有别于黑色金属的特点之一。一般常需经过三个主要步骤。,金属制取,金属精炼,矿物分解和化合物制取,矿物,金属,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,3.4 有色金
14、属的提取步骤,（1）矿物分解和化合物制取 破坏矿物稳定结构，并使其中欲提取的金属与主要伴生元素分离的过程。主要采用焙烧、造锍熔炼或浸出等方法，使欲提取的金属或转变成氧化物、硫酸盐、氯化物等，经过挥发和冷凝（或经进一步处理）使之或转入锍相，或转入水溶液而达到与主要伴生元素分离的目的。矿物分解所得的产物经过进一步提纯可得到金属的纯化合物。,Company Logo,Kunming Univ. of Sci. & Technol.,,（2）金属制取 将精矿或金属化合物还原产出粗金属的过程。根据物料的性质可采用还原熔炼以及金属热还原法、碳还原法、氢还原法等，在高温下将以精矿或金属化合物形式存在的金属还
15、原产出粗金属，而与进入渣中的伴生元素分离。也可通过熔盐电解、水溶液电解或置换等方法将金属化合物还原产出金属。,3.4 有色金属的提取步骤,Company Logo,（3）金属精炼 脱除粗金属中的杂质，产出符合应用要求的纯金属的过程。主要有火法精炼和电解精炼两类方法，前者是在精炼炉内，大多于物料熔融的高温条件下进行；后者是在电解槽内，于电解质中，通直流电使粗金属阳极溶解而在阴极析出精金属的过程。,3.4 有色金属的提取步骤,Company Logo,3.5 有色金属冶金的概念,矿物矿石矿床 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。有用矿物：能够为人类利用的矿物。 矿石：含有
16、用矿物的矿物集合体。 矿床：在地壳内或地表上矿石大量积聚具有开采价值的区域叫做矿床。,Company Logo,有色金属冶金的概念矿石,废石矿物：脉石 有用矿物 选矿,自然金属矿 氧化矿（氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐） 硫化矿（硫化物、砷化物、锑化物）,非金属矿 金 属 矿,精矿:有用成分富集的部分 尾矿:无用成分富集或有用成分含量低的部分,有用成分的含量叫矿石品位。,Company Logo,预处理,干燥：分离附着水分。 煅烧：加热分解氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐等。 焙烧：为得到最适于下一工序的要求的化学组分所进行的加热处理叫做焙烧。 （氧化焙烧、硫酸化焙烧、其他焙烧：还原焙烧、氯化焙烧、苏打焙烧、硫化焙烧） 制团和烧结：为了适应鼓风炉等炉型而必须采用具有必要强度的块
