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1、有色金属冶金概论有色金属冶金概论 任课教师：李福民任课教师：李福民 单单 位：冶金与能源学院位：冶金与能源学院课程教学大纲课程名称：课程名称：有色金属冶金概论课程名称：课程名称：Introduction to Metallurgy of Non-Ferrous Metals课课 程程 号：号：606115课程类型：课程类型：专业限选课学学 时：时：36学时适用对象：适用对象：冶金工程专业本科生先修课程：先修课程：冶金化工过程与设备、冶金热力学及动力学、冶金传输原理。一、课程的性质、目的与任务一、课程的性质、目的与任务 课程性质：冶金工程专业本科生专业限选课；课程目的：使钢铁冶金专业方向的学生扩
2、大专业面，以适应市场经济的需要。课程任务：了解常用有色金属的性质和用途；掌握常用有色金属冶金主要原理、生产工艺。二、课程的内容及学时分配二、课程的内容及学时分配第一部分：绪论（第一部分：绪论（2学时）学时）学习目的和要求：学习目的和要求：通过本部分的学习，应了解各种有色金属所属的类型，熟悉有色金属的分类依据，掌握有色金属提取过程的特点。教学内容：教学内容：从课程的性质引入，讲解有色金属的分类及各种金属的所属类别，介绍有色金属提取过程特点，对有色金属的提取方法进行归纳性总结。有色金属提取过程的特点和提取方法。重点和难点：重点和难点：有色金属提取过程的特点。第二部分：铜冶金（第二部分：铜冶金（10
3、学时）学时）学习目的和要求：学习目的和要求：通过对本部分的学习，应了解湿法炼铜的工艺；熟悉连续炼铜的工艺、基本原理；掌握火法炼铜的工艺流程及各主要单元过程的基本原理。第二部分：铜冶金（第二部分：铜冶金（10学时）学时）教学内容：教学内容：从铜及其主要化合物的性质、用途入手，讲授炼铜的原料，火法炼铜、湿法炼铜工艺流程、基本原理。对比钢铁冶金流程，讲授火法炼铜部分主要讲授硫化铜精矿的硫酸化焙烧和氧化焙烧的工艺、基本原理；造锍熔炼的基本原理；冰铜吹炼、粗铜的火法精炼。讲授电解精炼的基本原理、工艺；讲授连续炼铜的工艺、基本原理。简单介绍湿法炼铜部分。重点和难点：重点和难点：硫化铜精矿的硫酸化焙烧和氧化
4、焙烧的工艺、基本原理；造锍熔炼的基本原理；冰铜吹炼、粗铜的火法精炼、电解精炼的工艺、基本原理。第三部分：氧化铝生产（第三部分：氧化铝生产（8学时）学时）学习目的和要求：学习目的和要求：通过对本部分的学习，应了解氧化铝生产的原料；熟悉氧化铝生产方法的分类及各种方法的优缺点；掌握拜耳法生产氧化铝的工艺流程及各单元过程的基本原理。教学内容：教学内容：从氧化铝生产的原料入手，讲授铝土矿的化学成分、结构特点和我国铝土矿的分布特征，讲授氧化铝生产方法的分类及各种方法的优缺点；讲授拜尔法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的基本原理、工艺条件的控制、主要设备。重点和难点：重点和难点：拜耳法生产氧化铝的工艺
5、流程及流程中各单元过程的基本原理、工艺条件的控制。第四部分：铝电解（第四部分：铝电解（6学时）学时）学习目的和要求：学习目的和要求：通过对本部分的学习，应了解铝电解的工艺，熟悉铝电的基本原理，掌握铝电解质体系的构成、性质。教学内容：教学内容：从铝及其化合物的性质、用途入手，讲授铝电解的原料、工艺、基本原理；介绍铝电解质体系的构成、性质。重点和难点：重点和难点：铝电解质体系的构成、性质和特点及铝电解的基本原理。第五部分：金银冶金（第五部分：金银冶金（10学时）学时）学习目的和要求：学习目的和要求：通过对本部分的学习，应了解混汞法提取金银的工艺、基本原理；熟悉金银电解精炼的方法；掌握氰化法提取金银
6、的工艺、基本原理。教学内容：教学内容：从金银的性质、用途、及提取金银的原料入手，介绍混汞法、氰化法提取金银的工艺、基本原理；介绍金银电解精炼的工艺、基本原理、主要设备及主要技术经济指标的影响因素。重点和难点：重点和难点：氰化法提取金银工艺、基本原理；金银电解精炼的方法。三、教材及参考书三、教材及参考书 1、教、教 材：材：有色金属冶金学邱竹贤 主编 冶金工业出版社2、参考书：、参考书：轻金属冶金学 杨重愚 主编 冶金工业出版社重金属冶金学 彭容秋 主编 中南工业大学出版社贵金属冶金学 余继燮 主编 冶金工业出版社铝电解 邱竹贤 主编 冶金工业出版社有色冶金原理 傅崇说 主编 冶金工业出版社有色
7、金属冶金概论华一新 主编 冶金工业出版社 四、对教学大纲的说明及对各教学四、对教学大纲的说明及对各教学环节的基本要求环节的基本要求 1、掌握常用有色金属的主要生产工艺、基 本原理。2、了解主要有色金属冶金的发展趋势。3、掌握钢铁冶金与有色金属冶金的异同。第1章 绪论 1.1 金属及其分类1.2 有色金属的分类 1.3 我国有色金属的产量 1.4 冶金和冶金方法 1.5 有色金属提取的特点 1.1.1 人类使用金属的历史 人类最早使用的金属黄金。铜也是最早使用的金属之一，距今8000年以前，人类已经使用铜。铅也是人类史前使用的金属，炼铅和炼铜术大致始于同一历史时期。锡也是古老金属，最初是在熔炼自
8、然铜和锡矿石或处理锡铜矿石的混合物偶然获得锡铜合金（锡青铜）构成了人类古代文明的青铜器时代。1.1.1 人类使用金属的历史 锌在古代是被人类制成黄铜作装饰品应用。我国是最早掌握炼锌技术的国家，大概在北宋末年（12世纪初）已使用了金属锌。镍是既古老又年轻的金属。古代埃及、中国、巴比伦人都曾用含镍很高的陨铁制作器物。古代云南生产的白铜中含镍很高，在欧洲曾经称这种白铜为“中国银”。而到了1751年，瑞典矿物学家克朗斯塔特（A.F.Cronstedt）才分离出金属镍，而且镍用于工业上是近一百多年的事。1.1.2 金属的分类 西方：铁（西方：铁（Ferrous Metal）；）；非铁金属（非铁金属（No
9、n-Ferrous Metal）。）。苏联、中国：黑色金属和有色金属。苏联、中国：黑色金属和有色金属。黑色金属：通常指铁、锰、铬及它们的合金（主要指黑色金属：通常指铁、锰、铬及它们的合金（主要指钢铁）。锰和铬主要应用于制合金钢，而钢铁表面常钢铁）。锰和铬主要应用于制合金钢，而钢铁表面常覆盖着一层黑色的覆盖着一层黑色的Fe3O4，所以把铁、锰、铬及它们，所以把铁、锰、铬及它们的合金叫做黑色金属。这样分类主要是从钢铁在国民的合金叫做黑色金属。这样分类主要是从钢铁在国民经济中占有极其重要的地位出发的。经济中占有极其重要的地位出发的。有色金属：通常是指除黑色金属以外的其他金属。有色金属：通常是指除黑色
10、金属以外的其他金属。1.2 有色金属的分类 有色金属可分为四类：有色金属可分为四类：（1）重金属，一般是指密度在4.5（或5）gcm-3以上的金属，过渡元素大都属于重金属。主要有11种：铜Cu、铅Pb、锌Zn、镍Ni、锡Sn、钴Co、砷As、铋Bi、锑Sb、镉Cd、汞Hg；（2）轻金属，密度在4.5（或5）gcm-3以下的金属叫轻金属，周期系中第A、A族均为轻金属，主要有7种：铝Al、镁Mg、钾K、钠Na、钙Ca、锶Sr、钡Ba；（3）贵金属，通常是指金、银和铂族元素。这些金属在地壳中含量较少，不易开采，价格较贵，所以叫贵金属。这些金属对氧和其他试剂较稳定，金、银常用来制造装饰品和硬币。主要有
11、8种：银Ag、金Au、铂Pt、铱Ir、锇Os、铼Re、铑Rd、钯Pd；（4）稀有金属，它们难于从原料中提取，在工业上制备及应用较晚。稀有金属跟普通金属没有严格的界限，如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。a）高熔点稀有金属（共8种）：钨W、钼Mo、钒V、钛Ti、锆Zr、铪Hf、钽Ta、铌Nb；b）稀散金属（共7种）：镓Ga、铟In、铊Tl、锗Ge、碲Te、硒Se、铼 Re；c）稀土金属（共15种）：钪Sc、铱Y、镧La系元素；d）稀有轻金属（共4种）：锂Li、铍Be、铷Rb、铯Cs；e）稀有放射性金属（共4种）：镭Ra、钫Fr、锕Ac、铀U。1.3 我国有色金属的产量 中国有色
12、金属产量2002年为1012万t，2003年达到1182万t，2004年达到1398万t，2005年达到1631.8万t，2006年1917万t，2007年达到2361万t，已连续6年居世界第一位。表表表表1-1 1-1 近年来我国近年来我国近年来我国近年来我国1010种常用有色金属产量（单位：万种常用有色金属产量（单位：万种常用有色金属产量（单位：万种常用有色金属产量（单位：万t t）1.4.1 冶金学发展历史 源远流长的冶金生产技术，直到18世纪末，才从近代自然科学中汲取营养，逐渐发育成一门近代科学冶金学。略，课下查资料，自习。冶金学的成就冶金学的成就 冶金学不断地吸收自然科学，特别是物理
13、学、化学、力学等方面的新成就，指导着冶金生产技术向广度和深度发展。另一方面，冶金生产又以丰富的实践经验，充实冶金学的内容，发展成为两大领域：即 提取冶金学（Extractive metallurgy）物理冶金学（Physical metallurgy）。1.4.2 冶金学科分类 1）提取冶金学：从矿石中提取金属（包括金属化合物）的生产过程称为提取冶金学。由于这些生产过程伴有化学反应，故又称为化学冶金学。它研究火法冶炼、湿法提取或电化学沉积等各种过程及方法的原理、流程、工艺及设备，故又称为过程冶金学，中国习惯简称冶金学。即狭义的冶金学指的是提取冶金学。提取冶金学的任务是研究各种冶炼及提取方法，提
14、高生产效率，节约能源，改进产品质量，降低成本，扩大品种并增加产量。包括：钢铁冶炼；有色金属冶炼冶金过程的物理化学研究。2）物理冶金学：物理冶金学是通过成型加工的研究，制备有一定性能的金属或合金材料的学科，又称金属学。金属（包括合金）的性能（物理性能及力学性能）不仅与其化学成分有关，而且被成型加工或金属热处理过程产生的组织结构所决定。成型加工包括金属铸造、粉末冶金（制粉、压制成型及烧结）及金属塑性加工（压、拔、轧、锻）。研究金属的塑性变形理论、塑性加工对金属力学性能的影响以及金属在使用过程中的力学行为，则称之为力学冶金学，也属于物理冶金学的一个组成部分。提取冶金方法提取冶金方法 1）火法冶金：）
15、火法冶金：Pyrometallurgy；2）湿法冶金：）湿法冶金：Hydrometallurgy；3）电冶金：）电冶金：Electrometallurgy；4）粉末冶金：）粉末冶金：Powder metallurgy。火法冶金火法冶金利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金过程。此过程没有水溶液参加，故又称为干法冶金。火法冶金的工艺流程一般分为矿石准备、冶炼、精炼3个步骤。火法冶金火法冶金矿石准备。选矿得到的细粒精矿不易直接加入鼓风炉（或炼铁高炉），须先加入冶金熔剂（能与矿石中所含的脉石氧化物、有害杂质氧化物作用的物质），加热至低于炉料的熔点烧结成块；或添加粘合剂压制成型；或滚成小球再烧结成球
16、团；或加水混捏；然后装入鼓风炉内冶炼。火法冶金火法冶金硫化物精矿在空气中焙烧的主要目的是：除去硫和易挥发的杂质，并使之转变成金属氧化物，以便进行还原冶炼；使硫化物成为硫酸盐，随后用湿法浸取；局部除硫，使其在造锍熔炼中成为由几种硫化物组成的熔锍。冶炼。此过程形成由脉石、熔剂及燃料灰分融合而成的炉渣和熔锍（有色重金属硫化物与铁的硫化物的共熔体）或含有少量杂质的金属液。有还原冶炼、氧化吹炼和造锍熔炼3种冶炼方式：还原冶炼：是在还原气氛下的鼓风炉内进行。加入的炉料，除富矿、烧结块或球团外，还加入熔剂（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作为发热剂产生高温和作为还原剂。可还原铁矿为生铁，还原氧化铜矿为
17、粗铜，还原硫化铅精矿的烧结块为粗铅。氧化吹炼：在氧化气氛下进行，如对生铁采用转炉，吹入氧气，以氧化除去铁水中的硅、锰、碳和磷，炼成合格的钢水，铸成钢锭。造锍熔炼：主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿，一般在反射炉、矿热电炉或鼓风炉内进行。加入的酸性石英石熔剂与氧化生成的氧化亚铁和脉石造渣，熔渣之下形成一层熔锍。在造锍熔炼中，有一部分铁和硫被氧化，更重要的是通过熔炼使杂质造渣，提高熔锍中主要金属的含量，起到化学富集的作用。精炼。进一步处理由冶炼得到的含有少量杂质的金属，以提高其纯度。如炼钢是对生铁的精炼，在炼钢过程中去气、脱氧，并除去非金属夹杂物，或进一步脱硫等；对粗铜则在精炼反射炉内进行氧化精炼，然
18、后铸成阳极进行电解精炼；对粗铅用氧化精炼除去所含的砷、锑、锡、铁等，并可用特殊方法回收粗铅中所含的金及银。对高纯金属则可用区域熔炼等方法进一步提炼。2）湿法冶金）湿法冶金 湿法冶金是利用溶剂，借助于氧化、还原、中和、水解、络合等化学作用，对原料中金属进行提取和分离，得到金属或其化合物的过程，称为湿法冶金。由于大部分溶剂是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的优点是环境污染少，并且能提炼低品位的矿石，但成本较高。主要用于生产锌、氧化铝、氧化铀及一些稀有金属。湿法冶金在机理上属物理化学的内容，其生产步骤主要包括：浸取、分离、富集和提取。（1）浸出 选择适当的溶剂（如酸、碱、氨、氰化物、氯化物、有机溶
19、剂等）把经处理过的矿石中的常以化合物形式存在的金属选择性地溶解，以便使其与其它不溶的物质分离的过程。浸取过程常涉及到置换和氧化还原反应，为得到所需要的产物，对浸取剂的酸碱度要加以控制。此外，凡影响化学反应的因素都对浸取过程产生影响，一般加温和加压可都加速浸取过程。还可以利用细菌把一些不溶性的矿物变成可溶性盐，称为微生物冶金或细菌采矿。（2）分离：将浸取溶液与不溶的残渣分离的过滤过程。同时还要考虑将残渣中的溶剂和金属离子洗涤回收。（3）富集：把分离得到的浸取液净化和富集的过程，包括：化学沉淀、离子交换、溶剂萃取等方法：化学沉淀又可分为置换沉淀（如用铁置换硫酸铜中的铜）、水解沉淀（如铍的盐类化合物
20、水解成氢氧化物）、分布结晶（如铷和钾的草酸盐）等种类。离子交换过程 是以固相的树脂作为离子交换剂，与液相中的离子发生可逆的离子交换过程，已用于铀、镧系和锕系金属等的富集。溶剂萃取：让水溶液与不溶于水的有机溶液互相接触，把水溶液中的溶质择优地转入有机相的过程。已用于铀、稀土、铜、镍和钴等的富集。（4）提取 从富集后的净化液中获得纯金属的过程。一般采用下面要讲到的电解法。3）电冶金）电冶金 利用电能从矿石或其他原料中提取、回收和精炼金属的冶金过程。电冶金成为大规模工业生产的先决条件是廉价电能的大量供应。电冶金包括电炉冶炼、熔盐电解和水溶液电解等。广义上讲电冶金是指应用电能从矿石或其它原料中提取、回
21、收、精炼金属的冶金过程。显然也包括电炉冶炼。但实际工程上所提到的电冶金一般指电解（电化学）冶金，包括水溶液电解和熔盐电解，而把电炉冶炼归入火法冶金的范畴。3）电冶金）电冶金 电炉冶炼是利用电能获得冶金所要求的高温而进行的冶金生产。如电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢，可获得比用燃料供热更高的温度，且炉内气氛较易控制，对熔炼含有易氧元素较多的钢种极为有利。3）电冶金）电冶金 熔盐电解是利用电能加热并转化为化学能，将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，自熔盐中还原金属，以提取和提纯金属的冶金过程，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。水溶
22、液电解是利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极，如铜、锌的电积和铜、铅的电解精炼。（1）水溶液电解：以溶有金属离子的水溶液作为电解质，使金属离子在阴极上析出的过程。水溶液电解过程也可以把含杂质的金属作为阳极，电解过程使其不断溶解到水溶液中，并在阴极析出，叫电解精炼（可溶阳极电解），如金、银、钴、镍、铜等贵重金属大多采用电解精炼来获得高纯成分；如果阳极材料本身不参与电解过程，只是把湿法冶金中获得的浸取液中的金属在阴极沉淀析出的过程，则叫电解提取（不溶阳极电解），例如锌、铬、锰的提取。（2）熔盐电解：以高导电率、低熔点的金属熔盐作为电解质，使金属
23、离子在阴极析出的过程。主要用于不溶于水的金属盐类，如铝、镁、钠等活泼金属。由于金属能溶于熔盐，或者与高价氧化物反应生成低价化合物重新溶入熔盐，熔盐电解的电流效率要低于水溶液电解。4）粉末冶金）粉末冶金用湿法冶金和电冶金获得的金属往往是以颗粒的形式存在，要想得到大块的致密金属和金属零部件，可采用粉末冶金的方法。粉末冶金由以下几个主要工艺步骤组成：配料、压制成型、坯块烧结和后处理。对于大型的制品，为了获得均匀的密度，还需要采取等静压（各方向同时受液压）的方法成型。粉末冶金的生产工艺与陶瓷产品的生产工艺非常相近，将在下一部分详细介绍。这种方法对于制造切削用的硬质合金（碳化钨、碳化钛等难熔碳化物的混合
24、物）刀头特别重要，钨、铌、钽等高熔点块状合金一般用粉末冶金法制造，致密的钛零件也可用粉末冶金法生产。粉末冶金工艺发展很快，现在常常用来制做减磨材料、摩擦材料、结构材料、刀具和模具材料、过滤材料等。粉末冶金在技术上和经济上有以下特点：（1）可生产普通熔炼方法无法生产的特殊性能材料，如多孔材料、复合材料等；可避免成分偏析、保证合金具有均匀的组织和稳定的性能；（2）可生产高熔点金属（如钨和钼）和不互熔的合金（如钨-银合金）；（3）可大量减少产品的后续机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。这一点对贵重金属尤其重要；（4）粉末冶金零件的缺点是塑性和韧性较差。火法冶金大量用于钢铁材料的生产，湿法冶金和电
25、冶金主要用于有色金属（除钢铁以外的金属）的生产。许多有色合金既可以采用湿法冶金也可以采用火法冶金生产，可根据矿石品位、工程条件以及生产成本来选择。电冶金是获得高纯度金属的一种有效办法，火法冶金和湿法冶金的产品常常是作为初级产品，通过电冶金工艺进一步提纯。粉末冶金实际上是把金属原料粉制成块状金属和零件的过程，只涉及物理变化过程，是对其它冶金方法的一种补充，也可以看作是一种加工工艺。1.5 有色金属提取的特点 1）有色金属矿物的品位低，成分复杂。2）提取方法多，分火法和湿法。1.5 有色金属提取的特点 火法：（1）焙烧（氧化、还原、硫酸化、氯化、煅烧、烧结焙烧）；（2）熔炼（造锍、还原、氧化、熔盐
26、电解、反应熔炼，吹炼）；（3）精炼（氧化、氯化、硫化、电解精炼）。1.5 有色金属提取的特点 湿法：（1）浸出按浸出的溶剂：碱浸、氨浸、酸浸、硫脲浸出、氰化物浸出，等；按浸出的方式：常压浸出、加压浸出、槽浸、堆浸、就地浸出，等。（2）净化：水解沉淀净化、置换净化、气体还原（氧化）净化，等。（3）沉积：置换沉积、电解沉积、气体还原沉积。1.6 我国金属矿的分布 中国已探明储量的金属矿产有54种，即：铁矿、锰矿、铬矿、钛矿、钒矿、铜矿、铅矿、锌矿、铝土矿、镁矿、镍矿、钴矿、钨矿、锡矿、铋矿、钼矿、汞矿、锑矿、铂族金属（铂矿、钯矿、铱矿、铑矿、锇矿、钌矿）、金矿、银矿、铌矿、钽矿、铍矿、锂矿、锆矿、锶矿、铷矿、铯矿、稀土元素（钇矿、钆矿、铽矿、镝矿、铈矿、镧矿、镨矿、钕矿、钐矿、铕矿）、锗矿、镓矿、铟矿、铊矿、铪矿、铼矿、镉矿、钪矿、硒矿、蹄矿。主要金属矿产分布，课下查资料，了解。