有色冶金概論

-緒論劉松利2015年9月1課程教學目的本門課程屬于專業方向課，通過對有色冶金基本原理、主要設備、生產工藝等的學習學習，能較全面、系統的認識和掌握有代表性的幾種有色金屬冶金過程的原理和實踐，為今后從事有色冶金生產、設計、科研和管理等方面工作奠定必要的基礎。2023/2/12《有色冶金概論》教學形式

1、

課堂教學

2、

錄像教學

3、

自學討論成績構成：

出勤率：10％平時作業：10％研討：10％期末成績：70％

內容提要1有色金屬簡史及分類2有色金屬資源及地位3有色金屬提取冶金4有色金屬冶金展望41

有色金屬簡史及分類567

1.3有色金屬分類8有色金屬重金屬輕金屬貴金屬稀有金屬有色金屬：是指鐵、鉻、錳以外的金屬。

80種半金屬91011（4）稀有金屬元素分類在元素周期表109個元素中，稀有金屬元素占有70個，按這些元素的物理性質和在自然界中的特點可分為6類：

1）稀輕元素4個，比重在0.53-1.87t/m3間鋰銣銫鈹

LiRbCsBe0.531.551.871.8512這些元素堿性強，也稱稀堿元素。其主要化學特點是：（１）與水劇烈反應，放出大量的熱；

（２）與非金屬元素氧、硫、氟、氯、溴、碘反應強烈，形成相應的化合物。也正是由于這原因，鋰、銣、銫、鈹在自然界中不能以金屬存在。13

2）稀散元素7個鎵銦鉈鍺硒碲錸GaInTlGeSeTeRe鎵銦鉈第Ⅲ主族元素，電子層結構為ns2np1,可以同Ⅴ族金屬形成二元化合物，如GaAs；鍺硒碲第Ⅵ主族元素，電子層結構為ns2np2，具有金屬與非金屬過渡性質；錸第Ⅵ副族元素，熔點3180℃（高熔點）。14

3）高熔點金屬9個（包括Re）鈦，鋯，鉿，釩，鈮，鉭，鎢，鉬，(錸)TiZrHfVNbTaWMoRe（℃）166021502740341031801852190029962610Ti

熔點高，硬度大，抗腐蝕性強。15Hf

熔點高，抗腐蝕性強，具有良好的加工性能，用于核工業的中子防護材料，10%Hf-Nb合金作登月火箭噴嘴，2%Hf-Ta-W合金作宇宙飛船防護層，Hf粉作火箭推進器。一顆直徑為127mm的鉿炮彈，其能量相當于2000噸TNT，爆炸力相當于1945年投到廣島原子彈的1/7。科學家計算出1克鉿所儲存的能量相當于1克TNT炸藥威力的5萬倍。美國國防部高級研究計劃局在2004財政年撥款1000萬美元，2005年再撥2000萬美元以加大鉿彈研發的力度。16

4）稀有貴金屬（鉑族金屬）6個釕，銠，鈀，鋨，銥，鉑RuRhPdOsIrPt

與金，銀同屬于貴金屬，但由于其在自然界的存量稀少，也稱稀貴金屬。稀貴金屬的化學穩定性很強，多用于有機合成過程的催化劑。175）稀土金屬17個鑭系元素15個，鈧，釔6）放射性金屬元素24個釙Po,鈁Fr，鐳Ra錒，釷，鏷，鈾，镎，钚，镅，鋦，锫，AcTuPaUNpPuAmCmBk锎，锿，鐨，鍆，锘，鐒(錒系元素15個）CfEsFmMdNoLr104-109人造元素6個Rf,Ha,Unh,Uns,Uno,Une18192有色金屬資源及地位

20

在13種主要金屬原料的地區分布前五位排名上，我國除錫（占14.8%）和鉬（占6.0%）外，其余都榜上無名。212223242526273有色金屬提取冶金

28(一)冶金方法的分類

1.火法冶金:礦石(精礦)物理化學變化金屬。如干燥、焙解、熔煉、蒸餾、真空冶金等。

2.濕法冶金:礦石(精礦)溶解溶液金屬。

29高溫低溫（<100℃）酸、堿電解、電積3.1冶金方法的分類及冶金工藝過程

包括浸出、凈化、置換沉積（電積）三大過程。近年發展的生物冶金、原地溶浸等都屬于濕法冶金。

3.電冶金:電能金屬。分為：

a.電熱冶金:電能熱能。（如工業硅的生產）

b.電化冶金:含金屬鹽類的水溶液(熔體)中-→電化學反應→析出→金屬。（如Cu、Zn的電解電積，Li、Al等的精煉）30313.2冶金工藝過程

1.干燥:—

除水份。

2.焙解:—分解水化物或氫氧化物及碳酸鹽，除去其中的水份、二氧化碳及有機物等。如鎢酸、氫氧化鋁等（>200℃）。

3.焙燒:礦石(精礦)→加熱(<熔點)→化學變化。包括有：①氧化焙燒,如MeS+1?O2=MeO+SO2

②硫酸化焙燒,如濕法提Cu、Zn等：

MeS+1?O2=MeO+SO2SO2+?O2=SO3MeO+SO3=MeSO432（Me---表示金屬）③氯化焙燒,礦石（精礦）+氯化劑→可溶性氯化物（稀有金屬冶金）如

TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO④

還原焙燒,礦石（精礦）+還原劑→低價氧化物或金屬。

4.燒結：粉礦（精礦）→塊狀物料。

5.熔煉：礦石（精礦、焙燒或燒結的物料）→熔化（化學反應）→兩種或以上互不相溶的液體產物（粗金屬或锍）。①還原熔煉：金屬氧化物（焙砂、燒結塊）→還原氣氛熔煉→粗金屬。

SnO2+CO=SnO+CO2SnO+CO=Sn+CO233②氧化熔煉：利用某些元素易氧化的特性，除去合金中的雜質。

2FeS+3O2=2FeO+SO2

③造锍熔煉：如氧化鎳礦煉鎳锍

FeO+CaS=FeS+CaO3NiO+3CaS=Ni3S2+3CaO+?S23NiO+3FeS=Ni3S2+3FeO+?S2④沉淀熔煉（置換熔煉）：如煉銻

Sb2S3+Fe=2Sb+3FeS34

⑤反應熔煉：MeS+2MeO=3Me+SO2MeS+MeSO4=2Me+2SO2⑥熔析熔煉：不經化學作用而將熔體分成幾相。⑦電解熔煉：利用電的化學效應在高溫下將物質分離。如

Mg2++2e=Mg6.蒸餾：用于處理低沸點金屬的原料。

7.精煉：將熔煉或蒸餾得到的粗金屬中所含的雜質除去，得到較純的金屬。有：

a.電解精煉、b.火法精煉。35

8.浸出：礦石（焙砂）+溶劑溶液。

9.凈化：用水解法或置換法除去與被提金屬一起進入溶液中的雜質。

10.金屬的沉積：將金屬從溶液中沉積出來。有：

a.電積法：利用電化學反應，將金屬在陰極上析出。如：陰極：Zn2++2e=Zn

陽極：SO42-+2e+H2O=H2SO4+?O2ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+?O2

36金屬

b.置換法：負電金屬正電金屬。如

CuSO4+Fe=Cu+FeSO4c.水解法：金屬鹽類

氫氧化物(堿性鹽類)。如

NaAlO2+2H2O=Al(OH)3+NaOHd.化學沉積法：金屬化合物

金屬難溶鹽。如

Ag2SO4+NaCl=2AgCl↓+Na2SO4

37383940413.4幾種常用的冶金爐

1.豎爐：用于礦物原料的焙燒、煅燒及熔煉等方面。如煉Cu、Pb、Sn、Ni、Sb的鼓風爐、Sb、Hg焙燒爐、煉Mg工業的豎式氯化爐等。

鼓風爐：單位生產率(床能力)：a=

η--鼓風時率(0.9--0.95)；

V--熔煉每噸爐料(不包括焦碳)所需的空氣量；Nm3/t。

K0--最佳鼓風強度。Nm3/m2.min421440K0ηVt/(m2.d)2.火焰爐：用于加熱、焙燒、熔化、熔煉、精煉等工藝。有：

①.回轉窯：用于干燥、焙燒和煅燒。如圖：43②.反射爐：用于熔煉、熔化、精煉等。(煉Cu、Sn、Pb等)3.沸騰爐：是利用流態化技術的熱工設備。用于Zn、Cu精礦的氧化焙燒和硫酸化焙燒，含鈷硫鐵精礦的硫酸化焙燒，錫精礦、輝鉬礦、富鎳冰銅的氧化焙燒，高鈦渣的氯化焙燒，汞礦石的焙燒。（如圖）4445沸騰爐圖示4.電爐：電能熱能。有：①電阻爐；②電弧爐：用于熔煉、爐渣貧化、熔煉產物的過熱與保溫；③感應電爐。46473.5用濕法從硫化鋅精礦生產金屬鋅的原則流程圖483.6我國有色冶金工業的發展現狀和目標到2000年底，我國規模以上有色金屬工業企業近3000家，總資產3100億元，從業人員130萬人。2000年10種主要有色金屬冶煉能力為900萬噸，其中銅160萬噸，鋁330萬噸，鉛120萬噸，鋅220萬噸；銅加工能力為256萬噸，鋁材加工能力為335萬噸。2007年,我國10種有色金屬總產量達2360.52萬噸。銅300萬噸，鋁500萬噸。49(1)95年以來我國有色金屬產銷量持續增長，其產銷量見表1-1。表1-1近年我國有色金屬產銷量(萬噸)3.6.1“九五”期間我國有色金屬工業取得的主要成績產品名稱1995年1996年1997年1998年1999年2000年年均遞增率/%10種有色金屬產量496.6523.1581.0616.4694.7775.09.3110種有色金屬消費量442.0490.3502.0528.0570.0

6.56其中電解銅產量107.9

111.9

117.9

121.1

117.4

137.0

4.89電解銅消費量119.3

139.2

128.5

135.0

140.0

4.08電解鋁產量186.9

190.1

217.8

243.5280.9

289.0

9.11電解鋁消費量191.7

204.3

226.0

240.0

270.0

8.94精鉛產量60.8

70.6

70.7

75.7

91.8

105.0

11.55精鉛消費量44.2

47.0

49.3

50.0

51.0

3.64鋅錠產量107.6

118.5

143.4

148.6170.0

195.012.63鋅錠消費量75.5

82.9

86.1

90.0

95.0

5.9150(2)我國已成為世界有色金屬生產大國。世界有色金屬生產大國的產量及位次見表1-2。國家1990年1994年1995年1998年產量位次產量位次產量位次產量位次美國9771103511175112471加拿大3084396341134383俄羅斯6282547238244224日本3313338536353665德國2435223724162676澳大利亞2127230622372597巴西1428169818581848智利1199128915192369法國11410127101431014510表1-2世界有色金屬生產大國的產量及位次(萬噸)中國239639545032616251表1-3近幾年來我國10種常用有色金屬產量（單位：萬噸）銅鋁鉛鋅鎳錫銻鎂海綿鈦汞2002年產量1584361292115712233648t495t2003年產量1775561582296.51010344118t610t2004年產量2066841812527.5411.712.542.64694t424t2005年產量2587802382719.5311.914.6479274t361t2002年，中國有色金屬產量為1012萬噸，第一次超過美國，成為世界有色金屬第一生產大國。2003年達到1182萬噸，第二次居世界第一位。2004年達到1398萬噸，第三次居世界第一位，2005年達到1631.8萬噸，連續四年居世界第一位。52(3)進出口貿易有較大幅度增長。隨著有色金屬產量年均增長率的提高，改變了我國有色金屬長期短缺的狀況。目前我國在常用金屬中，除了銅因受資源限制尚存缺口外，鋁的供需已基本平衡，鉛鋅自給有余，鎂產量激增，大量進入國際市場，鎢、錫、銻、鉬和稀土等傳統出口產品仍保持一定的出口規模，我國已成為有色金屬冶煉產品凈出口國。(4)部分大企業技術裝備水平明顯提高。通過對重點企業的改擴建項目的實施，采用了世界上最先進的銅、鋁冶煉技術與裝備，如奧托昆普閃速熔煉、諾蘭達熔池熔煉、拜耳法生產氧化鋁、300kA預焙陽極鋁電解槽等，使一批有色金屬生產基地的工藝技術裝備達到了國際先進水平。53(5)依靠科技進步，主要技術經濟指標明顯改善。通過推廣強化熔煉、鋁電解槽大型化、低濃度SO2煙氣制酸等先進技術，有色金屬主要經濟指標提高了很多。指標名稱1995年1999年降低的％氧化鋁綜合能耗(標煤)/Kg·t-11783130223.9氧化鋁堿耗/Kg·t-11477946.3氧化鋁成本/元·t-11589134715.2原鋁直流電耗/kW·h·t-114530143421.3鋁錠綜合交流電耗/kW·h·t-116600156036.0鋁錠成本/元·t-111065105035.1銅精礦成本/元·t-113847955731.0銅冶煉綜合能耗(標煤)/Kg·t-1118411522.7電解銅成本/元·t-1189871325430.2鉛精礦成本/元·t-12723210522.7電鉛成本/元·t4鋅精礦成本/元·t-12634224214.9電鋅成本/元·t-1728466988.1543.6.2制約21世紀有色金屬工業可持續發展的主要問題礦山資源緊缺，形勢嚴峻。我國銅品位低，大型銅礦少，可供利用的資源嚴重不足，難以滿足銅工業發展要求。2000年銅精礦進口量達31萬噸，

2004年銅礦進口總量為288萬噸，銅（包括陽極銅、精煉銅和銅合鋁土礦儲量雖然豐富，但大多屬于高鋁、高硅、低鐵的一水硬鋁石，礦石的溶出性差，與國外高鋁硅比、易溶出的三水鋁石相比，在氧化鋁回收率、堿耗和綜合能耗方面有較大差距。鉛、鋅、鎢、錫、銻、稀土礦資源比較豐富，但富礦多數已被開發利用。(2)產品結構不合理。到2000年底，我國10種有色金屬礦山原料年生產能力為550萬噸，而冶煉能力達900萬噸，礦山建設嚴重滯后于冶煉。55(3)生產集中度低。

全國共有電解鋁廠116家，平均規模2.4萬噸/a，超過10萬噸/a的企業只有8家，占總能力的40％。50家銅冶煉廠，平均規模僅2萬噸/a，超過10萬噸的企業只有9家，占總能力的50％。770多家鉛鋅冶煉廠，平均規模0.3萬噸/a，超過5萬噸/a的企業有11家，占總能力的50％。而發達國家銅冶煉和電解鋁廠的規模一般都在20萬噸/a以上，鉛鋅冶煉廠規模一般在10萬噸/a以上。(4)技術裝備落后，環境污染嚴重。按生產能力計算，目前技術裝備達到國際先進水平的不足20％，大多數中小企業技術和裝備落后，眾多小冶煉企業仍采用土法工藝，浪費資源，污染環境。56(5)我國有色金屬工業能耗高。我國噸粗銅綜合能耗(標煤)平均為1.130t/t，其中最低的粗銅能耗(標煤)為0.68t/t。而國外閃速爐的能耗(標煤)只有0.3t/t。我國的密閉鼓風爐鉛能耗(標煤)為0.78t/t，國外的為0.45t/t。我國的火法煉銅成本為1600美元/t，煉鎳成