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1、化化 学学 选选 矿矿问题提出？问题提出？n1.什么叫化学选矿？什么叫化学选矿？n 2.化学分选过程一般包括哪些步骤？化学分选过程一般包括哪些步骤？n 3 3.化学选矿与物理选矿的区别化学选矿与物理选矿的区别n 4.4.化学选矿与物理选矿的应用化学选矿与物理选矿的应用一、化学选矿一、化学选矿1.1.概念：概念：所谓化学选矿是基于矿物和矿物组分的所谓化学选矿是基于矿物和矿物组分的化化学性质的差异学性质的差异，利用，利用化学方法化学方法改变矿物改变矿物组成，然后用组成，然后用其他的方法其他的方法使目的组分富使目的组分富集的矿物加工工艺。它包括化学浸出与集的矿物加工工艺。它包括化学浸出与化学分离两个
2、主要过程。化学分离两个主要过程。2.化学选矿的主要过程化学选矿的主要过程 l化学浸出化学浸出主要是依据物料在化学性质上的差异，主要是依据物料在化学性质上的差异，利用酸、碱、盐等浸出剂选择性地溶解分离有利用酸、碱、盐等浸出剂选择性地溶解分离有用组分与废弃组分。用组分与废弃组分。l化学分离化学分离则主要是依据化学浸出液中的物料在则主要是依据化学浸出液中的物料在化学性质上的差异，利用物质在两相之间的转化学性质上的差异，利用物质在两相之间的转移来实现物料分离的方法，如沉淀和共沉淀、移来实现物料分离的方法，如沉淀和共沉淀、溶剂萃取、离子交换、色谱法、电泳、膜分离、溶剂萃取、离子交换、色谱法、电泳、膜分离
3、、电化学分离、泡沫浮选、选择性溶解等等。电化学分离、泡沫浮选、选择性溶解等等。3.课程主要内容课程主要内容l焙烧焙烧l浸出浸出l固液分离固液分离l离子交换离子交换l溶剂萃取溶剂萃取l化学沉淀化学沉淀l不溶阳极电解不溶阳极电解化学浸出化学浸出化学分离化学分离4.典型的化学分选过程一般包括六个典型的化学分选过程一般包括六个主要作业（按图说明）主要作业（按图说明）:（1）准备作业。）准备作业。（2）焙烧作业。）焙烧作业。（3）浸出作业。）浸出作业。（4）固液分离作业。）固液分离作业。（5）净化与富集作业。）净化与富集作业。（6）制取化合物或金属作业。）制取化合物或金属作业。11原料准备阶段原料准备阶
4、段l包括矿石或其他原料的破碎筛分、配料混匀、包括矿石或其他原料的破碎筛分、配料混匀、磨矿分级等作业磨矿分级等作业。l目的：使物料破碎至一定粒度，使物料解理目的：使物料破碎至一定粒度，使物料解理完全，为后续作业准备好合适的物料，以使完全，为后续作业准备好合适的物料，以使物料分解更完全。有时还需要借助于物理选物料分解更完全。有时还需要借助于物理选矿除去某些有害杂质和脉石，使目的矿物预矿除去某些有害杂质和脉石，使目的矿物预先富集，为后续作业创造更有利的条件。先富集，为后续作业创造更有利的条件。22焙烧焙烧定义：在定义：在适当气氛中适当气氛中加热加热矿物原料至矿物原料至低于矿物组分低于矿物组分熔点温度
5、熔点温度，使目的组分与炉气发生，使目的组分与炉气发生化学反应化学反应转变成转变成适于后续处理作业所要求的形态的过程。适于后续处理作业所要求的形态的过程。目的：使有用组分转变成容易浸出或容易用物理选目的：使有用组分转变成容易浸出或容易用物理选矿方法分选的状态，使部分杂质得以分解挥发或转矿方法分选的状态，使部分杂质得以分解挥发或转变为难浸的形态。变为难浸的形态。焙烧产物：焙砂、粉尘、湿法收尘液或泥浆。焙烧产物：焙砂、粉尘、湿法收尘液或泥浆。焙烧可分为还原焙烧、氯化焙烧和氧化焙烧等。焙烧可分为还原焙烧、氯化焙烧和氧化焙烧等。33浸出浸出 l 浸出浸出 根据原料性质和工艺要求，根据原料性质和工艺要求，
6、使有价组使有价组分或杂质组分选择性地溶于浸出溶剂中分或杂质组分选择性地溶于浸出溶剂中，从，从而达到分离的目的。而达到分离的目的。注：注：原料可以直接浸出，也可以焙烧后浸出。原料可以直接浸出，也可以焙烧后浸出。浸出后采用相应的办法从浸出液中或浸渣中浸出后采用相应的办法从浸出液中或浸渣中回收有价组分。回收有价组分。44固液分离固液分离 l固液分离固液分离 采用沉降倾析、过滤和分级等采用沉降倾析、过滤和分级等方法方法处理处理浸出矿浆浸出矿浆，以便获得供后续作，以便获得供后续作业处理的澄清液或固体物料。业处理的澄清液或固体物料。l化学选矿常常需要固液分离作业，使悬化学选矿常常需要固液分离作业，使悬浮物
7、与溶液分离。浮物与溶液分离。55浸出液的净化浸出液的净化 为了获得高品位的化合物或金属产品，浸出为了获得高品位的化合物或金属产品，浸出液常常采用化学沉淀、离子交换、有机溶剂液常常采用化学沉淀、离子交换、有机溶剂萃取、离子浮选、两液浮选、沉淀浮选等方萃取、离子浮选、两液浮选、沉淀浮选等方法，除去有害杂质，获得最终产品。法，除去有害杂质，获得最终产品。66制取化学精矿制取化学精矿 一般可采用化学沉淀法、金属置换法、电积一般可采用化学沉淀法、金属置换法、电积法和物理选矿法等。法和物理选矿法等。5.化学选矿的发展化学选矿的发展l近代化学选矿的发展历史与金、银、铀、铜、铝等矿近代化学选矿的发展历史与金、
8、银、铀、铜、铝等矿物原料的化学处理密切相关。物原料的化学处理密切相关。l1887年用氰化物溶液直接从矿石中浸出提取金银年用氰化物溶液直接从矿石中浸出提取金银,开开始了在矿山生产成品金的历史。始了在矿山生产成品金的历史。l奥地利人拜尔奥地利人拜尔(K.J.Bayer)于于1888年发明的拜尔法处年发明的拜尔法处理铝矿物原料生产氧化铝法用于工业生产。理铝矿物原料生产氧化铝法用于工业生产。l40年代起，用酸浸法或碱浸法直接浸出铀矿石在工业年代起，用酸浸法或碱浸法直接浸出铀矿石在工业上获得应用。上获得应用。l60年代末期，处理难选氧化铜矿的离析法也开始用于年代末期，处理难选氧化铜矿的离析法也开始用于工
9、业生产。工业生产。l60年代以后，化学选矿除用于处理难选原矿外，还用年代以后，化学选矿除用于处理难选原矿外，还用于物理选矿产出的尾矿、中矿和混合精矿的处理以及于物理选矿产出的尾矿、中矿和混合精矿的处理以及粗精矿的除杂。粗精矿的除杂。二、化学选矿与物理选矿的相同点二、化学选矿与物理选矿的相同点l对象：矿物原料对象：矿物原料l目的：使矿物组分富集、分离及综合利用矿物目的：使矿物组分富集、分离及综合利用矿物资源。资源。物理选矿物理选矿化学选矿化学选矿选矿选矿对象对象相对易选的品位相对易选的品位较高的原矿较高的原矿贫细杂等难选原矿贫细杂等难选原矿/物理选矿物理选矿的中矿或粗精矿的中矿或粗精矿/工业废渣
10、工业废渣选矿选矿依据依据矿物之间的密度矿物之间的密度/润湿性润湿性/电性电性/磁磁性等物理和物理性等物理和物理化学性质差异化学性质差异矿物的热分解矿物的热分解/溶剂溶解溶剂溶解/吸附吸附/解吸附等化学性质差异解吸附等化学性质差异分选分选本质本质分离富集，不改分离富集，不改变矿物自身组成变矿物自身组成化学加工，改变矿物自身组成化学加工，改变矿物自身组成与结构与结构产品产品形态形态矿物精矿矿物精矿化学精矿或金属及其化合物化学精矿或金属及其化合物成本成本成本较低成本较低消耗大量化学试剂，成本较高消耗大量化学试剂，成本较高三、化学选矿与物理选矿的区别三、化学选矿与物理选矿的区别四、化学选矿与冶金法的区
11、别四、化学选矿与冶金法的区别1.化学选矿处理的对象：一般有用组分的含量低、化学选矿处理的对象：一般有用组分的含量低、杂质含量高、组成复杂，各组分共生关系密切杂质含量高、组成复杂，各组分共生关系密切难难选矿物原料选矿物原料。冶炼处理的原料：冶炼处理的原料：选矿产出的精矿选矿产出的精矿，组成简单，组成简单，有用组分含量高。有用组分含量高。3.化学选矿是介于原物理选矿与冶金间的过渡性化学选矿是介于原物理选矿与冶金间的过渡性学科，是组成现代矿物工程学的重要内容之一。学科，是组成现代矿物工程学的重要内容之一。2.化学选矿过程一般只得到供冶炼处理的化学选矿过程一般只得到供冶炼处理的化学精化学精矿矿。冶金过
12、程则产出适于用户使用的。冶金过程则产出适于用户使用的纯金属纯金属。1.化学选矿主要应用于：化学选矿主要应用于：1难选氧化铜矿；难选氧化铜矿；2金矿；金矿；3铀矿；铀矿；4钒、钛矿的物理选和化学选联合流程；钒、钛矿的物理选和化学选联合流程；5炭质页岩中提钒、铀、镍、钼、铜、磷、钾等；炭质页岩中提钒、铀、镍、钼、铜、磷、钾等；6低品位钽铌矿物原料的富集；低品位钽铌矿物原料的富集；7钨、锡化学选等。钨、锡化学选等。五、化学选矿的应用五、化学选矿的应用2.2.化学选矿的特点化学选矿的特点优点：优点：1 1）化学处理不嫌矿石）化学处理不嫌矿石“贫贫”、“细细”、“杂杂”，对，对原料的适应性广（难选矿、尾
13、矿、综合利用、环境原料的适应性广（难选矿、尾矿、综合利用、环境治理）。治理）。2 2）最终产品纯度高。除形成化学精矿外，还可生产）最终产品纯度高。除形成化学精矿外，还可生产较纯的化合物或金属，直接满足社会需求，供应金较纯的化合物或金属，直接满足社会需求，供应金属加工市场属加工市场。缺点：缺点：1 1）因试剂较贵或消耗较大而造成试剂费用较高；）因试剂较贵或消耗较大而造成试剂费用较高；2 2）因介质腐蚀性强而造成设备和材料投资费用高；）因介质腐蚀性强而造成设备和材料投资费用高；3 3）化学选矿的废水、废渣处理难度加大。）化学选矿的废水、废渣处理难度加大。3.传统的选矿方法存在的缺陷传统的选矿方法存
14、在的缺陷 传统的选矿方法对成分复杂、嵌布粒度微传统的选矿方法对成分复杂、嵌布粒度微细、有价成分含量较低的矿石、冶金或化细、有价成分含量较低的矿石、冶金或化工行业的中间产品、工业生产的废料以及工行业的中间产品、工业生产的废料以及城市生活废弃物的处理收效甚微，而化学城市生活废弃物的处理收效甚微，而化学选矿为开发利用上述资源提供了有效的、选矿为开发利用上述资源提供了有效的、合理的、有前途的途径。合理的、有前途的途径。六、总结六、总结1.通常条件下应尽可能采用现有的物理选矿法通常条件下应尽可能采用现有的物理选矿法处理矿物原料，仅在单独使用物理选矿法无处理矿物原料，仅在单独使用物理选矿法无法处理或得不到
15、合理的技术经济指标时，才法处理或得不到合理的技术经济指标时，才考虑采用化学选矿工艺。考虑采用化学选矿工艺。2.采用化学选矿工艺时，应尽量采用采用化学选矿工艺时，应尽量采用闭路流程闭路流程，以降低药剂消耗和减少环境污染以降低药剂消耗和减少环境污染;并应尽可能并应尽可能采用物理选矿和化学选矿的采用物理选矿和化学选矿的联合流程联合流程，以便，以便最经济地综合利用矿产资源。最经济地综合利用矿产资源。3.化学选矿主要包括对矿石或其他原料的焙化学选矿主要包括对矿石或其他原料的焙烧处理和湿法化学处理两大部分。烧处理和湿法化学处理两大部分。4.焙烧由于燃料价格上涨和环境保护等问题，焙烧由于燃料价格上涨和环境保
16、护等问题，近年发展缓慢。近年发展缓慢。5.化学选矿广泛地用于处理各种难选的黑色化学选矿广泛地用于处理各种难选的黑色金属、有色金属、特别是贵金属和非金属矿金属、有色金属、特别是贵金属和非金属矿产资源的开发。产资源的开发。第一部分第一部分 矿物原料的焙烧矿物原料的焙烧l 焙烧过程的一般原理焙烧过程的一般原理l 还原焙烧还原焙烧l 氯化焙烧氯化焙烧l 其它焙烧方法其它焙烧方法第一章第一章 焙烧过程的一般原理焙烧过程的一般原理第一节第一节 概概 述述l焙烧过程的实质是在适宜的气氛和低于原料焙烧过程的实质是在适宜的气氛和低于原料熔点的温度条件下，使原料目的组分矿物与熔点的温度条件下，使原料目的组分矿物与
17、炉气发生物理和化学反应，转变为易浸或易炉气发生物理和化学反应，转变为易浸或易于物理分选的形态。经过焙烧的固体物料叫于物理分选的形态。经过焙烧的固体物料叫做做“焙砂焙砂”。l焙烧的种类主要有以下几类：焙烧的种类主要有以下几类：焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l (1)还原焙烧还原焙烧；l (2)氧化焙烧氧化焙烧；l (3)氯化焙烧氯化焙烧；l (4)氯化离析氯化离析；l (5)加盐焙烧加盐焙烧；l (6)煅烧煅烧；l (7)磁化焙烧。磁化焙烧。焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l(1)还原焙烧是在还原焙烧是在低于炉料熔点低于炉料熔点和和在还原剂在还原剂(氢、碳等氢、碳等)作用作用下，使矿石中的金属
18、氧化物下，使矿石中的金属氧化物转变为相应低价金属氧化物或金属的过程。转变为相应低价金属氧化物或金属的过程。l如镍矿石还原成金属后利于浸出；难选氧化如镍矿石还原成金属后利于浸出；难选氧化铜的还原焙烧；贫赤铁矿还原为磁铁矿石可铜的还原焙烧；贫赤铁矿还原为磁铁矿石可以弱磁选富集。以弱磁选富集。焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l (2)氧化焙烧：将氧化焙烧：将金属的硫化物金属的硫化物矿石或精矿在矿石或精矿在空气中焙烧成空气中焙烧成氧化物氧化物，或将，或将低价氧化物低价氧化物转变为转变为高价氧化物高价氧化物的焙烧。有时还可脱去挥发性物质，的焙烧。有时还可脱去挥发性物质，如砷、锑、硒等。如砷、锑、硒等。例
19、一：硫例一：硫铁矿铁矿(FeS2)焙焙烧烧的反的反应应式式为为：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO23FeS2+8O2Fe3O4+6SO2例二：例二：硫化硫化铜铜(CuS)精精矿矿的焙的焙烧烧：分分半氧化焙半氧化焙烧烧和和全氧化焙全氧化焙烧烧两种，分两种，分别别除去除去精精矿矿中部分或全部硫，同中部分或全部硫，同时时除去部分砷、除去部分砷、锑锑等易等易挥发杂质挥发杂质。半氧化焙半氧化焙烧烧用以提高用以提高铜铜的品位，保持形成冰的品位，保持形成冰铜铜所需硫量；所需硫量；全氧化焙全氧化焙烧烧用于用于还还原熔原熔炼炼，得到氧化，得到氧化铜铜。l有时，氧化焙烧过程中除加空气外，还加添加有时，氧化
20、焙烧过程中除加空气外，还加添加剂，矿物与氧气、添加剂共同作用。如铬铁矿剂，矿物与氧气、添加剂共同作用。如铬铁矿化学加工的第一步是纯碱氧化焙烧化学加工的第一步是纯碱氧化焙烧。2Cr2O3+4Na2CO3+3O2=4Na2CrO4+4CO2l硫酸化焙烧硫酸化焙烧：如果将金属的硫化物矿石在：如果将金属的硫化物矿石在氧氧化气氛化气氛中进行焙烧，使之转化为中进行焙烧，使之转化为易溶的硫酸易溶的硫酸盐盐，以便用水浸出，则称为硫酸化焙烧。，以便用水浸出，则称为硫酸化焙烧。2MeS+3O2MeS+3O2 22MeO+2SO2MeO+2SO2 22MeO+SO2MeO+SO2 2+O+O2 2MeOMeSOMe
21、OMeSO4 4MeOMeSOMeOMeSO4 4+SO+SO2 2+O+O2 22MeSO2MeSO4 4焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l(3)氯化焙烧氯化焙烧 在添加在添加氯化剂氯化剂(食盐、氯化钙或食盐、氯化钙或氯氯)的条件下，焙烧矿石、精矿、冶金过程的的条件下，焙烧矿石、精矿、冶金过程的中间产品，中间产品，使其中某些金属氧化物、硫化物使其中某些金属氧化物、硫化物转化为氯化物的过程转化为氯化物的过程叫氯化焙烧。叫氯化焙烧。l根据所用温度的不同、分为高温和中温氯化根据所用温度的不同、分为高温和中温氯化焙烧。焙烧。l这种方法可用于处理黄铁矿烧渣。这种方法可用于处理黄铁矿烧渣。焙烧过程的分类
22、：焙烧过程的分类：l(4)氯化离析氯化离析 是将破碎至适当粒度的矿石与是将破碎至适当粒度的矿石与少量的少量的固体氯化剂固体氯化剂、碳质还原剂碳质还原剂混合，在混合，在700800的的中性或弱还原性气氛中性或弱还原性气氛中焙烧，中焙烧，有价金属氯化物挥发并同时在碳粒表面沉积有价金属氯化物挥发并同时在碳粒表面沉积还原成金属颗粒还原成金属颗粒，这一过程称为氯化还原焙，这一过程称为氯化还原焙烧，又称氯化离析。烧，又称氯化离析。焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l(5)加盐焙烧加盐焙烧 为了从物料中提取钒、钨、为了从物料中提取钒、钨、铬等有价金属，在焙烧过程中加入铬等有价金属，在焙烧过程中加入盐类添盐类添
23、加剂加剂，使之转化成相应的，使之转化成相应的可溶性盐可溶性盐，便于，便于浸出，这类焙烧称为加盐焙烧。浸出，这类焙烧称为加盐焙烧。焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：l(6)煅烧煅烧 在在低于熔点低于熔点的适当温度下，加热的适当温度下，加热物料，使其物料，使其分解分解，并除去所含结晶水、二，并除去所含结晶水、二氧化碳或三氧化硫等挥发性物质的过程称氧化碳或三氧化硫等挥发性物质的过程称为煅烧。为煅烧。例如，经煅烧后石灰石失去二氧化碳而生例如，经煅烧后石灰石失去二氧化碳而生成生石灰；氢氧化铝脱水而生成氧化铝；成生石灰；氢氧化铝脱水而生成氧化铝；碱式硫酸钛失水和三氧化硫而成二氧化钛碱式硫酸钛失水和三氧化硫而
24、成二氧化钛等。等。l(7)磁化焙磁化焙烧烧 在适当控制的在适当控制的还还原性气氛原性气氛中，使弱磁性赤中，使弱磁性赤铁矿铁矿(Fe203)还还原成原成强强磁性的磁性的磁磁铁矿铁矿(Fe3O4)。焙烧过程的分类：焙烧过程的分类：第二节第二节 焙烧过程热力学焙烧过程热力学1.给定条件下化学反应进行的方向与限度给定条件下化学反应进行的方向与限度焙烧反应主要发生于焙烧反应主要发生于固固-气界面的多相化学气界面的多相化学反应反应，在给定条件下各物质发生化学反应时，在给定条件下各物质发生化学反应时，反应的方向和限度可用反应的自由能变量反应的方向和限度可用反应的自由能变量G G来判断。来判断。例如反应例如反
25、应:aA+bB=dD+hH当当GOG41.84千焦千焦摩摩-1，则反应，则反应是在动力学区域进行，即总反应的速度控制步骤是界是在动力学区域进行，即总反应的速度控制步骤是界面上的化学反应；面上的化学反应；l当当E值值12.55千焦千焦摩摩-1，反应在扩散区域进行，反应在扩散区域进行，即总反应速度的控制步骤是扩散。即总反应速度的控制步骤是扩散。l当当E值在上述二者之间时，则可认为反应是处于过值在上述二者之间时，则可认为反应是处于过渡区域，即总反应速度受界面化学反应和扩散两者的渡区域，即总反应速度受界面化学反应和扩散两者的混合控制。混合控制。三、焙烧反应过程动力学方程式的类型三、焙烧反应过程动力学方
26、程式的类型 1控制步骤是界面化学反应的动力学方程。控制步骤是界面化学反应的动力学方程。假定反应按照图假定反应按照图1-3所示球形矿粒的未反应核心模型进行，所示球形矿粒的未反应核心模型进行，对于反应气体为一级反应，且无逆反应存在，则用固体反对于反应气体为一级反应，且无逆反应存在，则用固体反应物重量变化表示的反应速度为应物重量变化表示的反应速度为 式中 W固体反应物在时间t的重量；A时间t时反应的界面积；P相界面上气体反应物的浓度(分压)；因扩散不是控制步骤，故其值等于焙烧气相中反应气体的分压P0。控制步骤是界面化学反应的动力学方程。控制步骤是界面化学反应的动力学方程。扩散为控制步骤的动力学方程扩
27、散为控制步骤的动力学方程 2.控制步骤是扩散的动力学方程控制步骤是扩散的动力学方程 3.扩散与界面化学反应二者混合控制的扩散与界面化学反应二者混合控制的动力学方程动力学方程K界面化学反应速度常数；界面化学反应速度常数；De有效扩散系数有效扩散系数 “过渡区域过渡区域”的方程式的方程式4.小结小结l若反应在若反应在动力学区域动力学区域进行，则常用的措施是提进行，则常用的措施是提高反应温度、增大反应气体浓度高反应温度、增大反应气体浓度(分压分压)、活化、活化反应界面与增大比表面积、提高固体孔隙率以反应界面与增大比表面积、提高固体孔隙率以及采用催化剂等；及采用催化剂等；l若过程受若过程受外扩散外扩散
28、限制，那么较有效的措施是提限制，那么较有效的措施是提高气流速度，增加气流的紊流程度；高气流速度，增加气流的紊流程度；l若固体中的若固体中的内扩散内扩散是控制步骤，那么强化过程是控制步骤，那么强化过程速度的方法是减小物料粒度以及增大孔隙率。速度的方法是减小物料粒度以及增大孔隙率。第二节第二节 还原焙烧还原焙烧 还原焙烧是在低于物料熔点温度下进行的，矿石中的金属还原焙烧是在低于物料熔点温度下进行的，矿石中的金属氧化物在还原气氛中转变成相应的低价氧化物或金属的过程。氧化物在还原气氛中转变成相应的低价氧化物或金属的过程。各种金属氧化物的还原顺序可由埃林哈姆各种金属氧化物的还原顺序可由埃林哈姆(Elli
29、ngham)图图推断，该图表示氧化物标准生成自由能与温度的关系。推断，该图表示氧化物标准生成自由能与温度的关系。从图上各氧化物生成自由能线的位置可以判断其稳定性。从图上各氧化物生成自由能线的位置可以判断其稳定性。上部氧化物的稳定性较小，易于还原。上部氧化物的稳定性较小，易于还原。各种金属氧化物被还原的最低温度可由图直接求出，金属各种金属氧化物被还原的最低温度可由图直接求出，金属被氧化成金属氧化物的直线与碳氧化成为被氧化成金属氧化物的直线与碳氧化成为CO的直线的交点温的直线的交点温度就是碳还原此氧化物的最低温度，即开始还原温度。度就是碳还原此氧化物的最低温度，即开始还原温度。第二节第二节 还原焙
30、烧还原焙烧l还原剂有三类：固体还原剂、气体还原剂或液体还原还原剂有三类：固体还原剂、气体还原剂或液体还原剂。常用的还原剂有固体碳、气体剂。常用的还原剂有固体碳、气体一氧化碳和氢气。一氧化碳和氢气。l凡是对氧的化学亲合力比被还原的金属对氧的亲合力凡是对氧的化学亲合力比被还原的金属对氧的亲合力大的物质均可以作为该金属氧化物的还原剂。大的物质均可以作为该金属氧化物的还原剂。l从埃林哈姆图可以看出，金属氧化物的标准生成自由从埃林哈姆图可以看出，金属氧化物的标准生成自由能随温度的升高而急剧增大，而能随温度的升高而急剧增大，而CO的线则随着温度的线则随着温度升高而显著降低。升高而显著降低。还原焙烧还原焙烧
31、l还原焙烧应用范围：还原焙烧应用范围：目前主要用于处理难选的铁、锰、镍、铜、锡、锑等目前主要用于处理难选的铁、锰、镍、铜、锡、锑等矿物原料。矿物原料。例如，含镍红土矿是世界上最大的氧化镍例如，含镍红土矿是世界上最大的氧化镍矿资源，因其品位低，镍呈化学浸染状存在，目前无矿资源，因其品位低，镍呈化学浸染状存在，目前无法用物理分选富集。用焙烧法用物理分选富集。用焙烧-低压氨浸的方法回收其低压氨浸的方法回收其中的镍已得到工业应用，过程为预先将氧化镍还原焙中的镍已得到工业应用，过程为预先将氧化镍还原焙烧为活性金属镍、钴镍合金，然后氨浸回收镍。烧为活性金属镍、钴镍合金，然后氨浸回收镍。此外还用于此外还用于
32、精矿除杂质，粗精矿精选。精矿除杂质，粗精矿精选。一、还原焙烧过程中某些基本规律一、还原焙烧过程中某些基本规律 1.1 碳碳氧系燃氧系燃烧烧反反应应（2-1）（2-2）（2-4）（2-3）随随着着温温度度的的升升高高，CO要要比比CO2稳稳定定；而而在在低低温下温下则则CO2又比又比CO稳稳定。定。1.2 碳的气化反碳的气化反应应 曲曲线线以以上上则则是是CO分分解解区区，反反应应按按2COCO2+C方方向向进进行行，在在这这里碳的气化反里碳的气化反应应(亦即亦即MO被被C还还原的原的过过程程)是不能是不能进进行的。行的。曲曲线线以下是固以下是固体碳的气化区。体碳的气化区。即反即反应应按按CO2
33、+C2CO方向方向进进行，直行，直至至CO浓浓度达到度达到该该温度下的平温度下的平衡衡值为值为止；止；（1）气相平衡浓度与温度的关系：）气相平衡浓度与温度的关系：（2）压力对此反应气相平衡的影响：）压力对此反应气相平衡的影响：随着压力增大平衡朝随着压力增大平衡朝2COCO2+C方向移动，其定方向移动，其定量关系可从平衡常数量关系可从平衡常数Kp的关系式导出。由于反应的平的关系式导出。由于反应的平衡常数衡常数Kp只与温度有关，故压力的改变仅能在保持只与温度有关，故压力的改变仅能在保持Kp不变的条件下引起平衡气相组成的变动。不变的条件下引起平衡气相组成的变动。可可见见，P增大将引起气相中增大将引起
34、气相中CO2浓浓度增大，而度增大，而CO浓浓度减小，度减小，即促即促进进CO分解。分解。上述反应平衡浓度的等压线随压力增大而下上述反应平衡浓度的等压线随压力增大而下移，如图移，如图2-3所示。所示。1.3 CO还原金属氧化物还原金属氧化物间接还原间接还原1.4 用固体碳还原金属氧化物用固体碳还原金属氧化物生产上常把有生产上常把有固体碳固体碳参加的还原反应称为参加的还原反应称为直直接还原接还原。1.5 还原焙烧的应用还原焙烧的应用1.5.1含镍红土矿的还原焙烧含镍红土矿的还原焙烧 l 含镍红土矿是一种含镍的氧化矿，它是当前含镍红土矿是一种含镍的氧化矿，它是当前世界上最大的镍矿资源。目前已查明的镍
35、矿世界上最大的镍矿资源。目前已查明的镍矿储量中氧化矿约占储量中氧化矿约占80%，硫化矿仅，硫化矿仅20%左右。左右。l氧化矿中的镍多处于浸染状态，用传统的选氧化矿中的镍多处于浸染状态，用传统的选别方法处理效果很差。用湿法或干法筛选只别方法处理效果很差。用湿法或干法筛选只能除去含镍低、风化程度小的大块脉石矿物。能除去含镍低、风化程度小的大块脉石矿物。因此，现在尚未找到有效的物理选别方法术因此，现在尚未找到有效的物理选别方法术富集红土矿中的镍。富集红土矿中的镍。含镍红土矿含镍红土矿硅酸镍矿：硅酸镍矿：褐铁矿型：褐铁矿型：含铁高，硅、镁含量低，含铁高，硅、镁含量低，含含Ni 0.9 1.5；镍镍主要
36、以主要以氧化氧化镍镍与氧化与氧化铁铁的固熔体状的固熔体状态态赋赋存，如存，如(Fe，Ni)O(OH)nH2O 含铁低，含硅、镁高，含铁低，含硅、镁高，含含Ni 1.64.0。这这种矿在红土化过程中种矿在红土化过程中形成于较深层。形成于较深层。这这些原料的些原料的矿矿物物组组成通常成通常为为赤赤铁矿铁矿、褐、褐铁矿铁矿、蛇、蛇纹纹石、粘石、粘土土(Fe，Al)2(OH)2Si4O10nH2O并伴生有少量磁并伴生有少量磁铁矿铁矿、石英等。它石英等。它们们的化学成分一般的化学成分一般为为：（重量：（重量%）Fe40左右，左右，Ni约约0.51.5，Co0.0 x0.1，Cr1.x-2.x。（1）含镍
37、红土矿的矿物组成类型）含镍红土矿的矿物组成类型含镍红含镍红土矿土矿硅酸镍矿硅酸镍矿褐铁矿型褐铁矿型含镍高的硅酸镍矿大多数采用含镍高的硅酸镍矿大多数采用火法冶火法冶金处理金处理，生产流程包括回转窑预还原，生产流程包括回转窑预还原，电炉熔炼，电炉熔炼，L-D氧气顶吹转炉生产高氧气顶吹转炉生产高品位镍铁，电炉生产镍，从炼镍过程品位镍铁，电炉生产镍，从炼镍过程副产的铁渣生产钢等过程。副产的铁渣生产钢等过程。火法冶炼镍铁流程能耗较大，钴不能回收火法冶炼镍铁流程能耗较大，钴不能回收是其主要缺点。是其主要缺点。在在酸性介质和氨介质中酸性介质和氨介质中处理这些氧化镍矿，为处理这处理这些氧化镍矿，为处理这类矿物
38、原料开辟了广阔的前景类矿物原料开辟了广阔的前景.l直接酸浸直接酸浸l还还原焙原焙烧烧-氨浸工氨浸工艺艺（2）褐铁矿型氧化镍矿的处理方法）褐铁矿型氧化镍矿的处理方法褐铁矿型氧化镍矿的处理方法一：褐铁矿型氧化镍矿的处理方法一：直接酸浸直接酸浸l需高温需高温(230-260)和高和高压压(30-40大气大气压压)。对设对设备备的耐的耐蚀蚀性和气密性均要求甚高，性和气密性均要求甚高，应应用不广。用不广。l古巴茅阿湾是个例外，它所古巴茅阿湾是个例外，它所产产的的矿矿石是褐石是褐铁矿铁矿型，含型，含MgO低而低而铁铁高，平均含高，平均含Ni1.3，Co0.14、Fe47.5、Mg1(%)。此。此矿矿石用石
39、用98%的的浓浓硫酸在硫酸在上述温度和上述温度和压压力下力下压压煮浸出，浸出液再通煮浸出，浸出液再通H2S沉沉镍镍、钴钴。最后。最后产产出含出含Ni55.1、Co5.87、Fe0.3(%)的硫化的硫化镍镍精精矿矿。Ni和和Co的回收率均大于的回收率均大于90%。而浸出渣可作。而浸出渣可作为炼铁为炼铁原料。原料。褐铁矿型氧化镍矿的处理方法二：褐铁矿型氧化镍矿的处理方法二：还还原焙原焙烧烧-氨浸工氨浸工艺艺l还还原焙原焙烧烧-氨浸工氨浸工艺艺：首先将首先将矿矿石中的石中的Ni、Co等等选择选择性性还还原成金属状原成金属状态态，然后再在然后再在氨介氨介质质中浸出含中浸出含镍红镍红土土矿矿。这这种工种
40、工艺艺1944年美国就在古巴的尼加年美国就在古巴的尼加罗罗建厂并投入了生建厂并投入了生产产。（3）还原焙烧条件的分析和控制）还原焙烧条件的分析和控制 l还还原焙原焙烧烧的目的，一是将的目的，一是将红红土土矿矿中的中的Ni、Co氧氧化物化物还还原原为为金属形金属形态态或或Ni、Co和和Fe的合金。的合金。l主要矿物还原反应：主要矿物还原反应：NiO+R=Ni+RO CoO+R=Co+ROl一般控制气相组成：一般控制气相组成：%CO%CO2 2/%CO/%CO大于大于2.532.53或或%H%H2 2O/%HO/%H2 2大于大于2.452.45，镍钴氧化物可优先还原，镍钴氧化物可优先还原为金属镍
41、、钴。为金属镍、钴。（3）还原焙烧条件的分析和控制）还原焙烧条件的分析和控制 l其中的其中的铁铁的氧化物，在不同条件下的氧化物，在不同条件下还还原成不同原成不同的形式。生的形式。生产产中控制氧化中控制氧化铁铁大部分被大部分被还还原原为为磁磁铁矿铁矿少量少量还还原成金属原成金属铁铁，以便在后，以便在后续续的氨浸的氨浸过过程中使程中使Ni、Co溶解于溶解于NH3CO2H2O系中，系中，即即铁铁大部分以大部分以Fe3O4形形态态存在浸出渣内。浸出存在浸出渣内。浸出渣再渣再经经磁磁选选便得到便得到铁铁精精矿矿，达到，达到综综合回收合回收Ni、Co、Fe的目的。因此的目的。因此矿矿石的石的还还原焙原焙烧
42、虽烧虽然然仅仅是整个工是整个工艺艺流程中的一个步流程中的一个步骤骤，但它却是极，但它却是极为为重要的一步。重要的一步。l我国我国试验试验是用沸是用沸腾腾炉焙炉焙烧烧，以，以水煤气水煤气作作为热为热源源和和还还原气体。原气体。红红土土矿矿中金属氧化物由易到中金属氧化物由易到难难的的还还原原顺顺序是：序是：Co、Ni、Fe和和Cr。l还还原原过过程需确定的基本条件，是焙程需确定的基本条件，是焙烧烧温度和平温度和平衡气相衡气相浓浓度。焙度。焙烧烧炉内可能存在的反炉内可能存在的反应应如如图图6所示；所示；NiO+H2=Ni+H2O(1)NiO+CO=Ni+CO2(2)CoO+H2=Co+H2O(3)C
43、oO+CO=CO+CO2(4)Fe3O4+H2=3FeO+H2O(7)Fe3O4+CO=3FeO+CO2(8)FeO+H2=Fe+H2O(9)FeO+CO=Fe+CO2(10)3Fe3Fe2 2O O3 3+H+H2 2=2Fe=2Fe3 3O O4 4+H+H2 2O O (7)(7)3Fe3Fe2 2O O3 3+CO=2Fe+CO=2Fe3 3O O4 4+CO+CO2 2 (8)(8)FeFe3 3O O4 4+H+H2 2=3FeO+H=3FeO+H2 2O O (9)(9)Fe Fe3 3O O4 4+CO=3FeO+CO+CO=3FeO+CO2 2 (10)(10)FeO+H F
44、eO+H2 2=Fe+H=Fe+H2 2O O (11)(11)FeO+COFeO+CO=Fe+CO=Fe+CO2 2 (12)(12)50050010001000极易进行极易进行 难进行难进行1.5.2 1.5.2 弱磁性贫铁矿的还原磁化焙烧弱磁性贫铁矿的还原磁化焙烧l还原磁化焙烧：在一定条件下，使弱磁性的赤铁矿、还原磁化焙烧：在一定条件下，使弱磁性的赤铁矿、褐铁矿和针铁矿等选择性地被还原为强磁性的磁铁褐铁矿和针铁矿等选择性地被还原为强磁性的磁铁矿或矿或-赤赤铁矿铁矿。l氧化铁的气体还原，所用还原剂主要为各种煤气、氧化铁的气体还原，所用还原剂主要为各种煤气、天然气和焦炭、煤粉等，起还原作用的
45、主要是天然气和焦炭、煤粉等，起还原作用的主要是CO和和H2，用，用CO和和H2还原氧化铁的反应及其平衡常数计还原氧化铁的反应及其平衡常数计算式见下表。算式见下表。l 如果弱磁性贫铁矿的还原磁化焙烧用如果弱磁性贫铁矿的还原磁化焙烧用CO和和H2作还原剂作还原剂 Fe2O3几乎在任何温度条件下均易被还原为几乎在任何温度条件下均易被还原为Fe3O4。温度低时反应速度慢。温度低时反应速度慢。Fe3O4（1）赤铁矿还原焙烧过程中）赤铁矿还原焙烧过程中Fe-CO-O2系和系和Fe-H2-O2系平衡图系平衡图 l当温度高于当温度高于572时，若时，若CO(H2)高，可产生高，可产生过还原反应，生成过还原反应
46、，生成FeO；l当温度低于当温度低于572 时，若时，若CO (H2)高，同高，同样产生过还原反应而生成金属铁。样产生过还原反应而生成金属铁。FeOFel当温度在当温度在572以上时，按以上时，按Fe203Fe304FeOFe的顺序进行反应。的顺序进行反应。l在温度低于在温度低于572时，由于时，由于FeO的离解压大于的离解压大于Fe3O4的离解压，故的离解压，故FeO不能稳定存在，按下列两不能稳定存在，按下列两个阶段进行分解：个阶段进行分解：Fe203Fe304Fe。l在铁矿石还原过程中，氧化铁的还原反应是逐在铁矿石还原过程中，氧化铁的还原反应是逐级进行的。级进行的。l氧化铁矿石磁化焙烧时，
47、应严格控制炉温及煤氧化铁矿石磁化焙烧时，应严格控制炉温及煤气流量，且焙烧时间也不宜过长。气流量，且焙烧时间也不宜过长。-nH2O赤铁矿：赤铁矿：Fe2O3+R=Fe3O4+RO褐铁矿：褐铁矿：Fe2O3nH2OFe2O3菱铁矿：菱铁矿：3FeCO3300-400 Fe3O4+2CO2+CO（不通空气）（不通空气）2FeCO3+1/2O2Fe2O3+2CO2（通少量空气）（通少量空气）3Fe2O3+CO=Fe3O4+CO2黄铁矿：黄铁矿：7FeS2+6O2 Fe7S8+6SO23Fe7S8+38O27Fe3O8+24SO2氧化磁化焙烧氧化磁化焙烧中性磁化焙烧中性磁化焙烧还原磁化焙烧还原磁化焙烧（
48、2 2）衡量磁化焙烧）衡量磁化焙烧产品质量的标准产品质量的标准还原度还原度还原度：还原度：还原焙烧矿中还原焙烧矿中FeOFeO含量与全铁含量比值含量与全铁含量比值的百分数。的百分数。式中式中 R R还原焙烧矿的还原度；还原焙烧矿的还原度；FeOFeO还原焙烧矿中氧化亚铁的含量，还原焙烧矿中氧化亚铁的含量，%;%;TFeTFe还原焙烧矿中全铁的含量还原焙烧矿中全铁的含量,%;,%;磁铁矿的还原度为磁铁矿的还原度为42.8%。我国鞍钢烧结总厂根据所处理的。我国鞍钢烧结总厂根据所处理的矿石性质和烧结条件，认为矿石性质和烧结条件，认为R=4252%时，烧结矿的磁性时，烧结矿的磁性最强，选别指标最高。但
49、还原度指标并不能真实反映焙烧矿最强，选别指标最高。但还原度指标并不能真实反映焙烧矿的质量，不过此法简单易行，有一定的实用价值。的质量，不过此法简单易行，有一定的实用价值。（3）影响还原焙烧矿质量的主要因素影响还原焙烧矿质量的主要因素 矿石性质（矿物组成、构造、粒度组成）：矿石性质（矿物组成、构造、粒度组成）：层状构造层状构造的矿石比致密块状，鲡状及结核状的易还原，脉石以石的矿石比致密块状，鲡状及结核状的易还原，脉石以石英为主的铁矿石易还原，矿块粒度小的易还原，矿块粒英为主的铁矿石易还原，矿块粒度小的易还原，矿块粒级范围不宜过宽，认为级范围不宜过宽，认为75752020毫米较理想。毫米较理想。焙
50、烧温度：焙烧温度：还原焙烧的温度下限常为还原焙烧的温度下限常为450450最高温度宜最高温度宜低于低于700700800800。对气孔率小、粒度大的难还原矿石或。对气孔率小、粒度大的难还原矿石或采用固体还原剂时，还原温度一般为采用固体还原剂时，还原温度一般为850850900900。煤气种类原矿品位（%）精矿品位（%）尾矿品位（%）铁回收率（%）混合煤气36.9562.5510.9485.30焦炉煤气35.2456.2711.9583.91水煤气33.0263.208.0486.40还原剂类型：还原剂类型：各种气体还原剂的还原效果各种气体还原剂的还原效果可见，水煤气效果最好，因其还原组分最高、