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1、有色冶金概论 -绪论,刘松利 2015年9月,1,课程教学目的,本门课程属于专业方向课,通过对有色冶金基本原理、主要设备、生产工艺等的学习学习,能较全面、系统的认识和掌握有代表性的几种有色金属冶金过程的原理和实践,为今后从事有色冶金生产、设计、科研和管理等方面工作奠定必要的基础。,2019/7/20,2,有色冶金概论教学形式 1、 课堂教学 2、 录像教学 3、 自学讨论 成绩构成: 出勤率: 10 平时作业:10 研讨: 10 期末成绩:70,内容提要,1 有色金属简史及分类 2 有色金属资源及地位 3 有色金属提取冶金 4 有色金属冶金展望,4,1 有色金属简史及分类,5,6,7,1.3
2、有色金属分类,8,有色金属:是指铁、铬、锰以外的金属。 80种,半金属,9,10,11,(4)稀有金属元素分类,在元素周期表109个元素中,稀有金属元素占有70个,按这些元素的物理性质和在自然界中的特点可分为6类: 1)稀轻元素4个,比重在0.53-1.87 t/m3间 锂 铷 铯 铍 Li Rb Cs Be 0.53 1.55 1.87 1.85,12,这些元素碱性强,也称稀碱元素。其主要化学特点是: ()与水剧烈反应,放出大量的热; ()与非金属元素氧、硫、氟、氯、溴、碘反应强烈,形成相应的化合物。也正是由于这原因,锂、铷、铯、铍在自然界中不能以金属存在。,13,2)稀散元素 7个 镓 铟
3、 铊 锗 硒 碲 铼 Ga In Tl Ge Se Te Re 镓 铟 铊 第主族元素,电子层结构为ns2np1,可以同族金属形成二元化合物,如GaAs; 锗 硒 碲 第主族元素,电子层结构为ns2np2,具有金属与非金属过渡性质; 铼 第副族元素,熔点3180(高熔点)。,14,3)高熔点金属9个(包括Re) 钛,锆,铪,钒,铌,钽,钨,钼,(铼) Ti Zr Hf V Nb Ta W Mo Re () 1660 2150 2740 3410 3180 1852 1900 2996 2610 Ti 熔点高,硬度大,抗腐蚀性强。,15,Hf 熔点高,抗腐蚀性强,具有良好的加工性能,用于核工业的
4、中子防护材料,10%Hf-Nb合金作登月火箭喷嘴, 2%Hf-Ta-W合金作宇宙飞船防护层,Hf粉作火箭推进器。 一颗直径为 127mm 的铪炮弹,其能量相当于 2000吨TNT,爆炸力相当于1945年投到广岛原子弹的1/7。 科学家计算出 1克 铪所储存的能量相当于 1克TNT 炸药威力的5万倍。 美国国防部高级研究计划局在 2004 财政年拨款 1000 万美元,2005 年再拨 2000 万美元以加大铪弹研发的力度。,16,4)稀有贵金属(铂族金属)6个 钌, 铑, 钯, 锇, 铱, 铂 Ru Rh Pd Os Ir Pt 与金,银同属于贵金属,但由于其在自然界的存量稀少,也称稀贵金属。
5、 稀贵金属的化学稳定性很强,多用于有机合成过程的催化剂。,17,5)稀土金属17个 镧系元素15个, 钪, 钇 6)放射性金属元素24个 钋 Po, 钫 Fr ,镭 Ra 锕,钍,镤,铀,镎,钚,镅,锔, 锫, Ac Tu Pa U Np Pu Am Cm Bk 锎,锿,镄,钔,锘,铹(锕系元素15个) Cf Es Fm Md No Lr 104-109人造元素6个 Rf, Ha, Unh, Uns, Uno, Une,18,19,2 有色金属资源及地位,20,在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上,我国除锡(占14.8%)和钼(占6.0%)外,其余都榜上无名。,21,22,23,24,2
6、5,26,27,3 有色金属提取冶金,28,(一)冶金方法的分类 1.火法冶金:矿石(精矿) 物理化学 变化 金属。如干燥、焙解、熔炼、蒸馏、真空冶金等。 2.湿法冶金:矿石(精矿) 溶解 溶液 金属。,29,电解、电积,3.1 冶金方法的分类及冶金工艺过程,包括浸出、净化、置换沉积(电积)三大过程。近年发展的生物冶金、原地溶浸等都属于湿法冶金。 3.电冶金:电能 金属。分为: a.电热冶金:电能 热能。(如工业硅的生产) b.电化冶金:含金属盐类的水溶液(熔体)中-电化学反应析出金属。(如Cu、Zn的电解电积,Li、Al等的精炼),30,31,3.2 冶金工艺过程 1.干燥: 除水份。 2.
7、焙解: 分解水化物或氢氧化物及碳酸盐,除去其中的水份、二氧化碳及有机物等。如钨酸、氢氧化铝等(200)。 3.焙烧:矿石(精矿)加热(熔点)化学变化。包括有: 氧化焙烧,如 MeS+1O2=MeO+SO2 硫酸化焙烧,如湿法提Cu、Zn等: MeS+1O2=MeO+SO2 SO2+O2=SO3 MeO+SO3=MeSO4,32,(Me-表示金属), 氯化焙烧,矿石(精矿)+氯化剂可溶性氯化物(稀有金属冶金)如 TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO 还原焙烧,矿石(精矿)+还原剂低价氧化物或金属。 4.烧结:粉矿(精矿)块状物料。 5.熔炼:矿石(精矿、焙烧或烧结的物料)熔化(化学反应)
8、两种或以上互不相溶的液体产物(粗金属或锍)。 还原熔炼:金属氧化物(焙砂、烧结块)还原气氛熔炼粗金属。 SnO2+CO=SnO+CO2 SnO+CO=Sn+CO2,33,氧化熔炼:利用某些元素易氧化的特性,除去合金中的杂质。 2FeS+3O2=2FeO+SO2 造锍熔炼:如氧化镍矿炼镍锍 FeO+CaS=FeS+CaO 3NiO+3CaS=Ni3S2+3CaO+S2 3NiO+3FeS=Ni3S2+3FeO+S2 沉淀熔炼(置换熔炼):如炼锑 Sb2S3+Fe=2Sb+3FeS,34,反应熔炼:MeS+2MeO=3Me+SO2 MeS+MeSO4=2Me+2SO2 熔析熔炼:不经化学作用而将熔
9、体分成几相。 电解熔炼:利用电的化学效应在高温下将物质分离。如 Mg2+2e=Mg 6.蒸馏:用于处理低沸点金属的原料。 7.精炼:将熔炼或蒸馏得到的粗金属中所含的杂质除去,得到较纯的金属。有: a.电解精炼、b.火法精炼。,35,8.浸出:矿石(焙砂)+溶剂 溶液。 9.净化:用水解法或置换法除去与被提金属一起进 入溶液中的杂质。 10.金属的沉积:将金属从溶液中沉积出来。有: a.电积法:利用电化学反应,将金属在阴极上析出。如: 阴极:Zn 2+ +2e=Zn 阳极:SO42-+2e+H2O=H2SO4+ O2 ZnSO4 +H2O=Zn+H2SO4+O2,36,b.置换法:负电金属 正电
10、金属。如 CuSO4+Fe=Cu+FeSO4 c.水解法:金属盐类 氢氧化物(碱性盐类)。如 NaAlO2+2H2O=Al(OH)3 +NaOH d.化学沉积法:金属化合物 金属难溶盐。如 Ag2SO4+NaCl=2AgCl+Na2SO4,37,38,39,40,41,3.4 几种常用的冶金炉 1.竖炉:用于矿物原料的焙烧、煅烧及熔炼等方面。如炼Cu、Pb、Sn、 Ni、Sb的鼓风炉、Sb、Hg焙烧炉、炼Mg工业的竖式氯化炉等。 鼓风炉:单位生产率(床能力):a= -鼓风时率(0.9-0.95); V-熔炼每吨炉料(不包括焦碳)所需的空气量; Nm3/t。 K0-最佳鼓风强度。Nm3/m2.m
11、in,42,1440K0,V,t/(m2 .d),2.火焰炉:用于加热、焙烧、熔化、熔炼、精炼等工艺。有: .回转窑:用于干燥、焙烧和煅烧。如图:,43,.反射炉:用于熔炼、熔化、精炼等。(炼Cu、Sn、Pb等) 3.沸腾炉:是利用流态化技术的热工设备。用于Zn、Cu精矿的氧化焙烧和硫酸化焙烧,含钴硫铁精矿的硫酸化焙烧,锡精矿、辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧,高鈦渣的氯化焙烧,汞矿石的焙烧。(如图),44,45,沸腾炉图示,4.电炉:电能 热能。有: 电阻炉; 电弧炉:用于熔炼、炉渣贫化、熔炼产物的过热与保温; 感应电炉。,46,47,3.5 用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的原则流程图,48,3.6
12、 我国有色冶金工业的发展现状和目标,到2000年底,我国规模以上有色金属工业企业近3000家,总资产3100亿元,从业人员130万人。 2000年10种主要有色金属冶炼能力为900万吨,其中铜160万吨,铝330万吨,铅120万吨,锌220万吨;铜加工能力为256万吨,铝材加工能力为335万吨。 2007年,我国10种有色金属总产量达2360.52万吨。铜300万吨,铝500万吨。,49,(1) 95年以来我国有色金属产销量持续增长,其产销量见表1-1。 表1-1 近年我国有色金属产销量(万吨),3.6.1 “九五”期间我国有色金属工业取得的主要成绩,50,(2) 我国已成为世界有色金属生产大
13、国。世界有色金属生产大国的产量及位次见表1-2。,表1-2 世界有色金属生产大国的产量及位次(万吨),中国 239 6 395 4 503 2 616 2,51,表1-3 近几年来我国10种常用有色金属产量(单位:万吨),2002年,中国有色金属产量为1012万吨,第一次超过美国,成为世界有色金属第一生产大国。2003年达到1182万吨,第二次居世界第一位。2004年达到1398万吨,第三次居世界第一位,2005年达到1631.8万吨,连续四年居世界第一位。,52,(3) 进出口贸易有较大幅度增长。 随着有色金属产量年均增长率的提高,改变了我国有色金属长期短缺的状况。目前我国在常用金属中,除了
14、铜因受资源限制尚存缺口外,铝的供需已基本平衡,铅锌自给有余,镁产量激增,大量进入国际市场,钨、锡、锑、钼和稀土等传统出口产品仍保持一定的出口规模,我国已成为有色金属冶炼产品净出口国。 (4) 部分大企业技术装备水平明显提高。 通过对重点企业的改扩建项目的实施,采用了世界上最先进的铜、铝冶炼技术与装备,如奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔池熔炼、拜耳法生产氧化铝、300kA预焙阳极铝电解槽等,使一批有色金属生产基地的工艺技术装备达到了国际先进水平。,53,(5) 依靠科技进步,主要技术经济指标明显改善。 通过推广强化熔炼、铝电解槽大型化、低浓度SO2烟气制酸等先进技术,有色金属主要经济指标提高了很多。,
15、54,3.6.2 制约21世纪有色金属工业可持续发展的主要问题,矿山资源紧缺,形势严峻。 我国铜品位低,大型铜矿少,可供利用的资源严重不足,难以满足铜工业发展要求。2000年铜精矿进口量达31万吨, 2004年铜矿进口总量为288万吨,铜(包括阳极铜、精炼铜和铜合铝土矿储量虽然丰富,但大多属于高铝、高硅、低铁的一水硬铝石,矿石的溶出性差,与国外高铝硅比、易溶出的三水铝石相比,在氧化铝回收率、碱耗和综合能耗方面有较大差距。铅、锌、钨、锡、锑、稀土矿资源比较丰富,但富矿多数已被开发利用。 (2) 产品结构不合理。 到2000年底,我国10种有色金属矿山原料年生产能力为550万吨,而冶炼能力达900万吨,矿山建设严重滞后于冶炼。,55,(3) 生产集中度低。 全国共有电解铝厂116家,平均规模2.4万吨/a,超过10万吨/a的企业只有8家,占总能力的40。50家铜冶炼厂,平均规模仅2万吨/a,超过10万吨的企业只有9家,占总能力的50。770多家铅锌冶炼厂,平均规模0.3万吨/a,超过5万吨/a的企业有11家,占总能力的50。而发达国家铜冶炼和电解铝厂的规模一般都在2