1、有色冶金原理有色冶金原理馬良12u課前知識準備：課前知識準備： 知識準備：知識準備：U、 H、 S、G、S、H、G、H、G、S、Hm、Gm、Sm含義含義及用途及用途3一、幾個概念一、幾個概念二、冶金原理研究內容二、冶金原理研究內容 三、冶金原理分類三、冶金原理分類 1234四、冶金熔體四、冶金熔體4一、幾個概念一、幾個概念 2、金屬分類、金屬分類 3、生鐵和鋼、生鐵和鋼含含C2.0%的鐵基合金的鐵基合金生鐵生鐵 鋼機械性能，焊接性能好，能鍛造成鋼機械性能，焊接性能好，能鍛造成型且成本較低，易獲得，因此，鋼材型且成本較低，易獲得，因此，鋼材成為了一個國家基礎材料。成為了一個國家基礎材料。 1）按

2、含）按含Fe量劃分量劃分 鐵金屬和非鐵金屬鐵金屬和非鐵金屬2）按顏色劃分）按顏色劃分 分為黑色（分為黑色（Fe金屬）金屬）和有色金屬（如和有色金屬（如Cu，Al金屬）金屬）鋼性能鋼性能: :1 1、冶金過程、冶金過程 514、提取冶金提取冶金 一、幾個概念一、幾個概念（1）火法冶金火法冶金 高溫條件下從原料中（主要為礦石）提取有用高溫條件下從原料中（主要為礦石）提取有用金屬或化合物的過程金屬或化合物的過程（2）濕法冶金）濕法冶金 在常溫或稍高溫度條件下從礦石或其它原料中在常溫或稍高溫度條件下從礦石或其它原料中提取有用金屬或化合物的過程。提取有用金屬或化合物的過程。（3）電冶金電冶金 利用電能從

3、礦石中提取有用金屬或化合物的過程利用電能從礦石中提取有用金屬或化合物的過程5 5、冶金原理、冶金原理: : 定義 P1分類分類:61二、冶金原理研究內容二、冶金原理研究內容 冶金過程熱力學、冶金過程動力學、冶金溶液。冶金過程熱力學、冶金過程動力學、冶金溶液。 1 1、內容、內容冶金反應進行的冶金反應進行的可能性可能性，反應進行的，反應進行的限度限度，各種各種參數參數（或（或影響因素影響因素）對冶金反應的影響。）對冶金反應的影響。 2、冶金過程熱力學、冶金過程熱力學3、冶金過程動力學、冶金過程動力學冶金反應進行的機理，反應速率限制冶金反應進行的機理，反應速率限制環節，各種參數對反應速率的影響環節

4、，各種參數對反應速率的影響 主要研究內容：主要研究內容：主要研究內容：主要研究內容：714、冶金溶液、冶金溶液 冶金熔體冶金熔體和水溶液和水溶液 三、冶金原理分類三、冶金原理分類冶金溶液的冶金溶液的結構結構、物理物理化學性質，相平衡條件化學性質，相平衡條件 三、冶金原理分類三、冶金原理分類 火法冶金原理火法冶金原理，濕法冶金，濕法冶金原理，電化學冶金原理原理，電化學冶金原理分類：分類：主要研究內容：按研究的具體冶金過程的工作條件劃分：按研究的具體冶金過程的工作條件劃分：鋼鐵冶金原理，有色冶金原理鋼鐵冶金原理，有色冶金原理按具體的冶金對象劃分：按具體的冶金對象劃分：8四、冶金熔體四、冶金熔體1、

5、冶金熔體含義、冶金熔體含義2、冶金熔體分類、冶金熔體分類(1) 金屬熔體金屬熔體例：鋼、生鐵、銅液例：鋼、生鐵、銅液(2) 熔渣熔渣P6： （1）冶煉渣；（）冶煉渣；（2）精煉渣；（）精煉渣；（3）富集渣；（富集渣；（4）合成渣。成分見表）合成渣。成分見表1-1(3) (3) 熔鹽熔鹽(4) 熔锍：熔锍：多種金屬硫化物的共熔體多種金屬硫化物的共熔體反應介質和反應產物(或中間產品)金屬及其分類有色金屬的分類 我國有色金屬的產量 冶金和冶金方法 有色金屬提取的特點 人類使用金屬的歷史 人類最早使用的金屬黃金。 銅也是最早使用的金屬之一，距今8000年以前，人類已經使用銅。 鉛也是人類史前使用的金屬

6、，煉鉛和煉銅術大致始于同一歷史時期。 錫也是古老金屬，最初是在熔煉自然銅和錫礦石或處理錫銅礦石的混合物偶然獲得錫銅合金（錫青銅）構成了人類古代文明的青銅器時代。人類使用金屬的歷史 鋅在古代是被人類制成黃銅作裝飾品應用。我國是最早掌握煉鋅技術的國家，大概在北宋末年（12世紀初）已使用了金屬鋅。 鎳是既古老又年輕的金屬。古代埃及、中國、巴比倫人都曾用含鎳很高的隕鐵制作器物。古代云南生產的白銅中含鎳很高，在歐洲曾經稱這種白銅為“中國銀”。而到了1751年，瑞典礦物學家克朗斯塔特（A.F. Cronstedt）才分離出金屬鎳，而且鎳用于工業上是近一百多年的事。 金屬的分類 西方：鐵（西方：鐵（Ferr

7、ous Metal）；）； 非鐵金屬（非鐵金屬（Non-Ferrous Metal）。）。 蘇聯、中國：黑色金屬和有色金屬。蘇聯、中國：黑色金屬和有色金屬。 黑色金屬：通常指鐵、錳、鉻及它們的合金（主要指黑色金屬：通常指鐵、錳、鉻及它們的合金（主要指鋼鐵）。錳和鉻主要應用于制合金鋼，而鋼鐵表面常鋼鐵）。錳和鉻主要應用于制合金鋼，而鋼鐵表面常覆蓋著一層黑色的覆蓋著一層黑色的Fe3O4，所以把鐵、錳、鉻及它們，所以把鐵、錳、鉻及它們的合金叫做黑色金屬。這樣分類主要是從鋼鐵在國民的合金叫做黑色金屬。這樣分類主要是從鋼鐵在國民經濟中占有極其重要的地位出發的。經濟中占有極其重要的地位出發的。 有色金屬：

8、通常是指除黑色金屬以外的其他金屬。有色金屬：通常是指除黑色金屬以外的其他金屬。有色金屬的分類 有色金屬可分為四類：有色金屬可分為四類： （1）重金屬，一般是指密度在4.5 （或5）gcm-3以上的金屬，過渡元素大都屬于重金屬。主要有11種： 銅Cu、鉛Pb、鋅Zn、鎳Ni、錫Sn、鈷Co、砷As、鉍Bi、銻Sb、鎘Cd、汞Hg； （2）輕金屬，密度在4.5 （或5） gcm-3以下的金屬叫輕金屬，周期系中第A、A族均為輕金屬，主要有7種： 鋁Al、鎂Mg、鉀K、鈉Na、鈣Ca、鍶Sr、鋇Ba； （3）貴金屬，通常是指金、銀和鉑族元素。這些金屬在地殼中含量較少，不易開采。這些金屬對氧和其他試劑較

9、穩定，金、銀常用來制造裝飾品和硬幣。主要有8種： 銀Ag、金Au、鉑Pt、銥Ir、鋨Os、錸Re、銠Rd、鈀Pd； （4）稀有金屬，它們難于從原料中提取，在工業上制備及應用較晚。稀有金屬跟普通金屬沒有嚴格的界限，如有的稀有金屬在地殼中的含量比銅、汞、鎘等金屬還要多。 a） 高熔點稀有金屬（共8種）： 鎢W、鉬Mo、釩V、鈦Ti、鋯Zr、 鉿Hf、鉭Ta、鈮Nb； b） 稀散金屬（共7種）： 鎵Ga、銦In、鉈Tl、鍺Ge、碲Te、硒Se、 錸 Re； c）稀土金屬（共15種）： 鈧Sc、銥Y、鑭La系元素； d）稀有輕金屬（共4種）： 鋰Li、鈹Be、銣Rb、銫Cs； e） 稀有放射性金屬（共

10、4種）： 鐳Ra、鈁Fr、錒Ac、鈾U。 我國有色金屬的產量 中國有色金屬產量 2002年為1012萬t， 2003年達到1182萬t， 2004年達到1398萬t， 2005年達到1631.8萬t， 2006年1917萬t， 2007年達到2361萬t。 2014年4417萬噸冶金學發展歷史 源遠流長的冶金生產技術，直到18世紀末，才從近代自然科學中汲取營養，逐漸發育成一門近代科學冶金學。冶金學的成就冶金學的成就 冶金學不斷地吸收自然科學，特別是物理學、化學、力學等方面的新成就，指導著冶金生產技術向廣度和深度發展。另一方面，冶金生產又以豐富的實踐經驗，充實冶金學的內容，發展成為兩大領域：即

11、提取冶金學（Extractive metallurgy） 物理冶金學（Physical metallurgy）。冶金學科分類 1）提取冶金學：從礦石中提取金屬（包括金屬化合物）的生產過程稱為提取冶金學。由于這些生產過程伴有化學反應，故又稱為化學冶金學。它研究火法冶煉、濕法提取或電化學沉積等各種過程及方法的原理、流程、工藝及設備，故又稱為過程冶金學，中國習慣簡稱冶金學。即狹義的冶金學指的是提取冶金學。 提取冶金學的任務是研究各種冶煉及提取方法，提高生產效率，節約能源，改進產品質量，降低成本，擴大品種并增加產量。包括： 鋼鐵冶煉； 有色金屬冶煉 冶金過程的物理化學研究。 2）物理冶金學：物理冶金學

12、是通過成型加工的研究，制備有一定性能的金屬或合金材料的學科，又稱金屬學。 金屬（包括合金）的性能（物理性能及力學性能）不僅與其化學成分有關，而且被成型加工或金屬熱處理過程產生的組織結構所決定。 成型加工包括金屬鑄造、粉末冶金（制粉、壓制成型及燒結）及金屬塑性加工（壓、拔、軋、鍛）。 研究金屬的塑性變形理論、塑性加工對金屬力學性能的影響以及金屬在使用過程中的力學行為，則稱之為力學冶金學，也屬于物理冶金學的一個組成部分。 提取冶金方法提取冶金方法 1）火法冶金：）火法冶金：Pyrometallurgy； 2）濕法冶金：）濕法冶金：Hydrometallurgy ； 3）電冶金：）電冶金：Elect

13、rometallurgy ； 4）粉末冶金：）粉末冶金：Powder metallurgy。火法冶金火法冶金 利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過程。此過程沒有水溶液參加，故又稱為干法冶金。 火法冶金的工藝流程一般分為礦石準備、冶煉、精煉3個步驟。火法冶金火法冶金 礦石準備。選礦得到的細粒精礦不易直接加入鼓風爐（或煉鐵高爐），須先加入冶金熔劑（能與礦石中所含的脈石氧化物、有害雜質氧化物作用的物質），加熱至低于爐料的熔點燒結成塊；或添加粘合劑壓制成型；或滾成小球再燒結成球團；或加水混捏；然后裝入鼓風爐內冶煉。火法冶金火法冶金 硫化物精礦在空氣中焙燒的主要目的是：除去硫和易揮發的雜質，并使之

14、轉變成金屬氧化物，以便進行還原冶煉；使硫化物成為硫酸鹽，隨后用濕法浸取；局部除硫，使其在造锍熔煉中成為由幾種硫化物組成的熔锍。 冶煉。此過程形成由脈石、熔劑及燃料灰分融合而成的爐渣和熔锍（有色重金屬硫化物與鐵的硫化物的共熔體）或含有少量雜質的金屬液。有還原冶煉、氧化吹煉和造锍熔煉3種冶煉方式： 還原冶煉：是在還原氣氛下的鼓風爐內進行。加入的爐料，除富礦、燒結塊或球團外，還加入熔劑（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作為發熱劑產生高溫和作為還原劑。可還原鐵礦為生鐵，還原氧化銅礦為粗銅，還原硫化鉛精礦的燒結塊為粗鉛。 氧化吹煉：在氧化氣氛下進行，如對生鐵采用轉爐，吹入氧氣，以氧化除去鐵水中的硅

15、、錳、碳和磷，煉成合格的鋼水，鑄成鋼錠。 造锍熔煉：主要用于處理硫化銅礦或硫化鎳礦，一般在反射爐、礦熱電爐或鼓風爐內進行。加入的酸性石英石熔劑與氧化生成的氧化亞鐵和脈石造渣，熔渣之下形成一層熔锍。在造锍熔煉中，有一部分鐵和硫被氧化，更重要的是通過熔煉使雜質造渣，提高熔锍中主要金屬的含量，起到化學富集的作用。 精煉。進一步處理由冶煉得到的含有少量雜質的金屬，以提高其純度。如煉鋼是對生鐵的精煉，在煉鋼過程中去氣、脫氧，并除去非金屬夾雜物，或進一步脫硫等；對粗銅則在精煉反射爐內進行氧化精煉，然后鑄成陽極進行電解精煉；對粗鉛用氧化精煉除去所含的砷、銻、錫、鐵等，并可用特殊方法回收粗鉛中所含的金及銀。對

16、高純金屬則可用區域熔煉等方法進一步提煉。 2）濕法冶金）濕法冶金 濕法冶金是利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡合等化學作用，對原料中金屬進行提取和分離，得到金屬或其化合物的過程，稱為濕法冶金。由于大部分溶劑是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的優點是環境污染少，并且能提煉低品位的礦石，但成本較高。主要用于生產鋅、氧化鋁、氧化鈾及一些稀有金屬。 濕法冶金在機理上屬物理化學的內容，其生產步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。 （1）浸出 選擇適當的溶劑（如酸、堿、氨、氰化物、氯化物、有機溶劑等）把經處理過的礦石中的常以化合物形式存在的金屬選擇性地溶解，以便使其與其它不溶的物質分離的過程。浸

17、取過程常涉及到置換和氧化還原反應，為得到所需要的產物，對浸取劑的酸堿度要加以控制。 此外，凡影響化學反應的因素都對浸取過程產生影響，一般加溫和加壓可都加速浸取過程。還可以利用細菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱為微生物冶金或細菌采礦。 （2）分離： 將浸取溶液與不溶的殘渣分離的過濾過程。同時還要考慮將殘渣中的溶劑和金屬離子洗滌回收。 （3）富集： 把分離得到的浸取液凈化和富集的過程，包括：化學沉淀、離子交換、溶劑萃取等方法： 化學沉淀又可分為置換沉淀（如用鐵置換硫酸銅中的銅）、水解沉淀（如鈹的鹽類化合物水解成氫氧化物）、分布結晶（如銣和鉀的草酸鹽）等種類。 離子交換過程 是以固相的樹脂作為離

18、子交換劑，與液相中的離子發生可逆的離子交換過程，已用于鈾、鑭系和錒系金屬等的富集。 溶劑萃取：讓水溶液與不溶于水的有機溶液互相接觸，把水溶液中的溶質擇優地轉入有機相的過程。已用于鈾、稀土、銅、鎳和鈷等的富集。 （4）提取 從富集后的凈化液中獲得純金屬的過程。一般采用下面要講到的電解法。 3）電冶金）電冶金 利用電能從礦石或其他原料中提取、回收和精煉金屬的冶金過程。 電冶金成為大規模工業生產的先決條件是廉價電能的大量供應。 電冶金包括電爐冶煉、熔鹽電解和水溶液電解等。 廣義上講電冶金是指應用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程。顯然也包括電爐冶煉。但實際工程上所提到的電冶金一般指

19、電解（電化學）冶金，包括水溶液電解和熔鹽電解，而把電爐冶煉歸入火法冶金的范疇。3）電冶金）電冶金 電爐冶煉是利用電能獲得冶金所要求的高溫而進行的冶金生產。如電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內輸入電能，以電極端部和爐料之間發生的電弧為熱源進行煉鋼，可獲得比用燃料供熱更高的溫度，且爐內氣氛較易控制，對熔煉含有易氧元素較多的鋼種極為有利。3）電冶金）電冶金 熔鹽電解是利用電能加熱并轉化為化學能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質進行電解，自熔鹽中還原金屬，以提取和提純金屬的冶金過程，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產。 水溶液電解是利用電能轉化的化學能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽

20、極經由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。 （1）水溶液電解： 以溶有金屬離子的水溶液作為電解質，使金屬離子在陰極上析出的過程。水溶液電解過程也可以把含雜質的金屬作為陽極，電解過程使其不斷溶解到水溶液中，并在陰極析出，叫電解精煉（可溶陽極電解），如金、銀、鈷、鎳、銅等貴重金屬大多采用電解精煉來獲得高純成分；如果陽極材料本身不參與電解過程，只是把濕法冶金中獲得的浸取液中的金屬在陰極沉淀析出的過程，則叫電解提取（不溶陽極電解），例如鋅、鉻、錳的提取。 （2）熔鹽電解： 以高導電率、低熔點的金屬熔鹽作為電解質，使金屬離子在陰極析出的過程。主要用于不溶于水的金屬鹽類，如鋁、鎂、鈉等活

21、潑金屬。由于金屬能溶于熔鹽，或者與高價氧化物反應生成低價化合物重新溶入熔鹽，熔鹽電解的電流效率要低于水溶液電解。 4）粉末冶金）粉末冶金 用濕法冶金和電冶金獲得的金屬往往是以顆粒的形式存在，要想得到大塊的致密金屬和金屬零部件，可采用粉末冶金的方法。 粉末冶金由以下幾個主要工藝步驟組成：配料、壓制成型、坯塊燒結和后處理。對于大型的制品，為了獲得均勻的密度，還需要采取等靜壓（各方向同時受液壓）的方法成型。 火法冶金大量用于鋼鐵材料的生產，濕法冶金和電冶金主要用于有色金屬（除鋼鐵以外的金屬）的生產。 許多有色合金既可以采用濕法冶金也可以采用火法冶金生產，可根據礦石品位、工程條件以及生產成本來選擇。 電冶金是獲得高純度金屬的一種有效辦法，火法冶金和濕法冶金的產品常常是作為初級產品，通