轻金属冶金学.doc

第一篇 有色金属及其分类 通常把元素周期表中具有光亮的金属光泽，很高的导热、导电性及良好的延展加工性的化学元素称为金属109种元素中93种金属元素,其分类如下：（1）铁金属和非铁金属(美、英、日等国)铁金属指铁和铁基合金，包括生铁、铁合金和钢； 非铁金属是指铁和铁合金以外的金属元素；（2）黑色金属和有色金属(前苏联及东欧国家)黑色金属：铁、铬、锰；有色金属：将铁、铬、锰以外的金属90种） 通常按密度大小、矿物原料富集程度、发现的早晚、用途和价格将有色金属分为：轻金属、重金属、稀有金属和贵金属四大类1)轻金属 密度小于5g/cm3具有很大活性的有色金属,如：铝(2.7)、镁(1.74)、钠、钾、钙、锶、钡，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔盐电解或真空冶金方法来提取2)重金属 密度大于5 g/cm3而化学性质不如轻金属活泼的有色金属，如铜(8.95)、镍、钴、铅、锌、锡、锑、汞、镉、铋等，一般用火法冶金或湿法冶金方法来提取3)贵金属 金(Au)、银(Ag)和铂族金属（Pt Pd Rh Ir Os Ru )由于化学活性低，又称惰性金属4)稀有金属93种金属元素中占60种。

有的在地壳中丰度小，天然资源少；有的虽丰度大，赋存状态分散，不能经济提取；有的物理化学性质接近不容易分离成单一金属；有的开发较晚，过去使用的较少钛有时列入轻金属稀有金属按元素物理化学性质、赋村状态，生产工艺以及其他一些特征，分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀有分散性金属、稀土金属和稀有放射性金属稀有轻金属：Li Be Rb Cr 密度小，锂：0.53稀有高熔点金属:Ti V Zr Nb Mo Hf Ta W ,Ti:1660℃, W:3400℃稀散金属：In Ge Ga Tl Se Te Re 稀土金属：Sc Y 57~71号镧系元素（17个）稀有放射性金属：Tc Po Fr Ra 89~103锕系元素，104~112号元素第二章 有色金属冶金方法有色金属冶金学是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取有色金属或有色金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的有色金属材料的科学广义：矿石采矿、选矿、冶炼和加工狭义：矿石或精矿的冶炼，提取冶金有色金属冶金方法：（1）火法冶金：它是指在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的有色金属与脉石和杂质分开，获得较纯有色属金的过程。

整个过程包括原料准备、熔炼和精炼三个工序过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供2）湿法冶金：它是在常温（或低于100℃）常压或高温（100~300 ℃）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的有色金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将有色金属提取和分离出来的过程该方法主要包括浸出、分离、富集和提取的过程3）电冶金：它是利用电能提取和精炼有色金属的方法A、电热冶金：利用电能转变成热能在高温下提炼有色金属，本质同火法冶金B、电化学冶金：用电化学反应使有色金属从所含盐类的水溶液或熔体中析出前者称为水溶液电解，可归入湿法冶金；后者称为熔盐电解，可归入火法冶金第三章 有色金属冶金工艺过程（1）焙烧：是指将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求焙烧过程按控制的气氛不同，分为：氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等2）煅烧：是指将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解，除去二氧化碳或水分变成氧化物的过程，如石灰石煅烧为石灰；氢氧化铝煅烧成氧化铝，作电解铝原料。

3）烧结和球团：将粉矿或精矿经加热焙烧，固结成多孔状或球状的物料，以适应下一工序熔炼的要求4）熔炼：是指将处理好的矿石、精矿或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿物原料中有色金属组分与脉石和杂质分离为两个液相层即金属（或金属锍）液和熔渣的过程，也叫冶炼分为还原熔炼、造锍熔炼和氧化吹炼5）火法精炼：在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得的含有少量杂质的粗金属以提高其纯度种类：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等6）浸出：用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其它不溶组分初步分离的过程浸出又称浸取（重金属）、溶出（轻金属）和湿法分解（稀有金属）7）液固分离：该过程是将矿物原料经过酸、碱等溶液处理后的残渣与浸出液组成的悬浮液分离成液相与固相的湿法冶金单元过程主要有物理方法和机械方法：重力沉降、离心分离、过滤等8）溶液净化：将矿物原料中与欲提取的有色金属一道溶解进入浸出液的杂质金属除去的湿法冶金单元过程净液的目的是使杂质不至于危害下一工序对主金属的提取方法主要有：结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。

9）水溶液电解：利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属而析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极前者从浸出净化液中提取金属，称为电解提取或电解沉积（简称电积），也称不溶阳极电解，如铜电积；后者以粗金属为原料进行精炼，称为电解精炼或可溶阳极电解，如粗铜、粗铅的电解精炼（10）熔盐电解：利用电热维持熔盐所要求的高温，又利用直流电转换的化学能从熔盐中还原金属，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产第四章 有色金属冶金工业在国民经济中的地位和作用国民经济的基础产业高科技发展的支柱产业资源优势，世界第三：总量丰富、储量可观、品种齐全、资源配套程度高，世界首位储量：W Sn Ta Li Be Mg 稀土产量：世界第一：Zn Sb W Mg 稀土世界第二：Pb Mo 第三：Hg Bi 第四：Cu Ti Cd 第七：Ni 第八：Ag复习思考题：1 有色金属分为几类？有色金属中的稀有金属又分为几类？对于每一类有色金属和稀有金属你能举出几种有代表性的金属吗？2 提取冶金方法是如何分类的？3 火法、湿法、电化学法三种冶金方法包括哪些基本冶金过程？这些冶金单元过程在提取冶金工艺中各起什么作用？5 有色金属冶金学内容及课时安排 绪言 （2） 1 轻金属冶金 （10） 1.1 铝冶金 1.2 镁冶金2 重金属冶金 （16） 2.1 铜冶金 2.2 锌冶金 2.3 镍冶金3 稀有金属冶金 （6） 3.1 钛冶金 3.2 钨冶金 3.3 稀土冶金 4 贵金属冶金 （6） 4.1 金、银及铂组金属冶金 4.2 贵金属二次资源与生态环境§6 有色金属冶金学教学形式 1课堂教学 2 录像教学 3 自学讨论第一篇 轻金属冶金学1 铝冶金1.1 概述1.1.1 铝冶金的历史 铝在自然界中的分布:地壳中铝8%，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。

我国开采历史悠久.（1）汉代《本草经》（2）明代《天工开物》Aluminum由来 公认的是德国化学家维勒1827年发现的 1825年，丹麦科学家奥斯特发表文章说，他提炼出一块金属，颜色和光泽有点象锡他是将氯气通过红热的木炭和铝土（氧化铝）的混合物，制得了氯化铝，然后让钾汞齐与氯化铝作用，得到了铝汞齐将铝汞齐中的汞在隔绝空气的情况下蒸掉，就得到了一种金属现在看来，他所得到的是一种不纯的金属铝因刊登文章的杂志不出名，奥斯特又忙于自己的电磁现象研究，这个实验就被忽视了二年后，提炼铝的荣誉就归于德国年青的化学家维勒 奥斯特与维勒是朋友，他把制备金属铝的实验过程和结果告诉维勒，并说打算不再继续做提炼铝的实验而维勒却很感兴趣他开始重复奥斯特的实验，发现钾汞齐与氯化铝反应以后，能形成一种灰色的熔渣当将熔渣中所含的汞蒸去后，得到了一种与铁的颜色一样的金属块把这种金属块加热时，它还能产生钾燃烧时的烟雾维勒把这一切写信给了贝采里乌斯，告知重复了奥斯特的实验，但制不出金属铝，这不是一种制备金属铝的好方法 于是，维勒从头做起，设计自己提炼铝的方法他将热的碳酸钾与沸腾的明矾溶液作用，将所得到的氢氧化铝经过洗涤和干燥以后，与木炭粉、糖、油等混合，并调成糊状，然后放在密闭的坩埚中加热，得到了氧化铝和木炭的烧结物。

将这种烧结物加热到红热的程度，通入干燥的氯气，就得到了无水氯化铝然后将少量金属钾放在铂坩埚中，在它的上面覆盖一层过量的无水氯化铝，并用坩埚盖将反应物盖住当坩埚加热后，很快就达到了白热的程度，等反应完成后，让坩埚冷却，把坩埚放入水中，就发现坩埚中的混合物并不与水发生反应，水溶液也不显碱性，可见坩埚中的反应物之一——金属钾已经完全作用完了剩下的混合物乃是一种灰色粉末，它就是金属铝1827年末，维勒发表文章介绍了自己提炼铝的方法当时，他提炼出来的铝是颗粒状的，大小没超过一个针头但他坚持把实验进行下去，终于提炼出了一块致密的铝块，这个实验用去了他十八年念头此外，他还用相同的方法制得了金属铍化学法制取铝 1825 Oersted 丹麦 钾汞还原无水氯化铝 1827 Wohler 德国 钾还原无水氯化铝 1854 Deville 法国 钠还原NaCl-AlCl3 1865 Bektob 俄国 镁还原冰晶石电解法炼铝 1886年美国Hall法国Heroult申请专利：方法不同，结果一样 Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法 法国：1889 挪 威：1906 英国：1890 意大利：1907 德国：1898 西班牙：1927 奥地利1899 前苏联：1931 中国：19381.1.2 现代铝工业• 全世界原铝产量 1890 180t 1900 6990t 1925 18万t 1950 150万t 1970 1025万t 1980 1560万t 2000 2400万t 中国：2001年350万吨，世界第二 美国、中国、加拿大、俄罗斯用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为原铝，现代还生产精铝、高纯铝及多种铝基合金 现代铝工业三个主要生产环节：（1）从铝土矿提取纯氧化铝（2）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝（3）铝加工辅助环节：（1）炭素电极制造（2）氟盐生产现代铝工业生产流程简图铝电解原理： 现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。

直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75~80%）和CO（20~25%）在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950~970℃电解液的密度约为2.1g/cm3，铝液密度为2.3 g/cm3，两者因密度差而上下分层铝液用真空抬包抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，纯度达99.5 ~ 99.8%阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟气和二氧化硫经过净化后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用1.1.3 铝的性质和用途 铝是元素周。