第一次课 绪论

有色冶金概论

-绪论刘松利2015年9月1课程教学目的本门课程属于专业方向课，通过对有色冶金基本原理、主要设备、生产工艺等的学习学习，能较全面、系统的认识和掌握有代表性的几种有色金属冶金过程的原理和实践，为今后从事有色冶金生产、设计、科研和管理等方面工作奠定必要的基础。2023/2/12《有色冶金概论》教学形式

1、

课堂教学

2、

录像教学

3、

自学讨论成绩构成：

出勤率：10％平时作业：10％研讨：10％期末成绩：70％

内容提要1有色金属简史及分类2有色金属资源及地位3有色金属提取冶金4有色金属冶金展望41

有色金属简史及分类567

1.3有色金属分类8有色金属重金属轻金属贵金属稀有金属有色金属：是指铁、铬、锰以外的金属。

80种半金属91011（4）稀有金属元素分类在元素周期表109个元素中，稀有金属元素占有70个，按这些元素的物理性质和在自然界中的特点可分为6类：

1）稀轻元素4个，比重在0.53-1.87t/m3间锂铷铯铍

LiRbCsBe0.531.551.871.8512这些元素碱性强，也称稀碱元素。其主要化学特点是：（１）与水剧烈反应，放出大量的热；

（２）与非金属元素氧、硫、氟、氯、溴、碘反应强烈，形成相应的化合物。也正是由于这原因，锂、铷、铯、铍在自然界中不能以金属存在。13

2）稀散元素7个镓铟铊锗硒碲铼GaInTlGeSeTeRe镓铟铊第Ⅲ主族元素，电子层结构为ns2np1,可以同Ⅴ族金属形成二元化合物，如GaAs；锗硒碲第Ⅵ主族元素，电子层结构为ns2np2，具有金属与非金属过渡性质；铼第Ⅵ副族元素，熔点3180℃（高熔点）。14

3）高熔点金属9个（包括Re）钛，锆，铪，钒，铌，钽，钨，钼，(铼)TiZrHfVNbTaWMoRe（℃）166021502740341031801852190029962610Ti

熔点高，硬度大，抗腐蚀性强。15Hf

熔点高，抗腐蚀性强，具有良好的加工性能，用于核工业的中子防护材料，10%Hf-Nb合金作登月火箭喷嘴，2%Hf-Ta-W合金作宇宙飞船防护层，Hf粉作火箭推进器。一颗直径为127mm的铪炮弹，其能量相当于2000吨TNT，爆炸力相当于1945年投到广岛原子弹的1/7。科学家计算出1克铪所储存的能量相当于1克TNT炸药威力的5万倍。美国国防部高级研究计划局在2004财政年拨款1000万美元，2005年再拨2000万美元以加大铪弹研发的力度。16

4）稀有贵金属（铂族金属）6个钌，铑，钯，锇，铱，铂RuRhPdOsIrPt

与金，银同属于贵金属，但由于其在自然界的存量稀少，也称稀贵金属。稀贵金属的化学稳定性很强，多用于有机合成过程的催化剂。175）稀土金属17个镧系元素15个，钪，钇6）放射性金属元素24个钋Po,钫Fr，镭Ra锕，钍，镤，铀，镎，钚，镅，锔，锫，AcTuPaUNpPuAmCmBk锎，锿，镄，钔，锘，铹(锕系元素15个）CfEsFmMdNoLr104-109人造元素6个Rf,Ha,Unh,Uns,Uno,Une18192有色金属资源及地位

20

在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我国除锡（占14.8%）和钼（占6.0%）外，其余都榜上无名。212223242526273有色金属提取冶金

28(一)冶金方法的分类

1.火法冶金:矿石(精矿)物理化学变化金属。如干燥、焙解、熔炼、蒸馏、真空冶金等。

2.湿法冶金:矿石(精矿)溶解溶液金属。

29高温低温（<100℃）酸、碱电解、电积3.1冶金方法的分类及冶金工艺过程

包括浸出、净化、置换沉积（电积）三大过程。近年发展的生物冶金、原地溶浸等都属于湿法冶金。

3.电冶金:电能金属。分为：

a.电热冶金:电能热能。（如工业硅的生产）

b.电化冶金:含金属盐类的水溶液(熔体)中-→电化学反应→析出→金属。（如Cu、Zn的电解电积，Li、Al等的精炼）30313.2冶金工艺过程

1.干燥:—

除水份。

2.焙解:—分解水化物或氢氧化物及碳酸盐，除去其中的水份、二氧化碳及有机物等。如钨酸、氢氧化铝等（>200℃）。

3.焙烧:矿石(精矿)→加热(<熔点)→化学变化。包括有：①氧化焙烧,如MeS+1½O2=MeO+SO2

②硫酸化焙烧,如湿法提Cu、Zn等：

MeS+1½O2=MeO+SO2SO2+½O2=SO3MeO+SO3=MeSO432（Me---表示金属）③氯化焙烧,矿石（精矿）+氯化剂→可溶性氯化物（稀有金属冶金）如

TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO④

还原焙烧,矿石（精矿）+还原剂→低价氧化物或金属。

4.烧结：粉矿（精矿）→块状物料。

5.熔炼：矿石（精矿、焙烧或烧结的物料）→熔化（化学反应）→两种或以上互不相溶的液体产物（粗金属或锍）。①还原熔炼：金属氧化物（焙砂、烧结块）→还原气氛熔炼→粗金属。

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

2FeS+3O2=2FeO+SO2

③造锍熔炼：如氧化镍矿炼镍锍

FeO+CaS=FeS+CaO3NiO+3CaS=Ni3S2+3CaO+½S23NiO+3FeS=Ni3S2+3FeO+½S2④沉淀熔炼（置换熔炼）：如炼锑

Sb2S3+Fe=2Sb+3FeS34

⑤反应熔炼：MeS+2MeO=3Me+SO2MeS+MeSO4=2Me+2SO2⑥熔析熔炼：不经化学作用而将熔体分成几相。⑦电解熔炼：利用电的化学效应在高温下将物质分离。如

Mg2++2e=Mg6.蒸馏：用于处理低沸点金属的原料。

7.精炼：将熔炼或蒸馏得到的粗金属中所含的杂质除去，得到较纯的金属。有：

a.电解精炼、b.火法精炼。35

8.浸出：矿石（焙砂）+溶剂溶液。

9.净化：用水解法或置换法除去与被提金属一起进入溶液中的杂质。

10.金属的沉积：将金属从溶液中沉积出来。有：

a.电积法：利用电化学反应，将金属在阴极上析出。如：阴极：Zn2++2e=Zn

阳极：SO42-+2e+H2O=H2SO4+½O2ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+½O2

36金属

b.置换法：负电金属正电金属。如

CuSO4+Fe=Cu+FeSO4c.水解法：金属盐类

氢氧化物(碱性盐类)。如

NaAlO2+2H2O=Al(OH)3+NaOHd.化学沉积法：金属化合物

金属难溶盐。如

Ag2SO4+NaCl=2AgCl↓+Na2SO4

37383940413.4几种常用的冶金炉

1.竖炉：用于矿物原料的焙烧、煅烧及熔炼等方面。如炼Cu、Pb、Sn、Ni、Sb的鼓风炉、Sb、Hg焙烧炉、炼Mg工业的竖式氯化炉等。

鼓风炉：单位生产率(床能力)：a=

η--鼓风时率(0.9--0.95)；

V--熔炼每吨炉料(不包括焦碳)所需的空气量；Nm3/t。

K0--最佳鼓风强度。Nm3/m2.min421440K0ηVt/(m2.d)2.火焰炉：用于加热、焙烧、熔化、熔炼、精炼等工艺。有：

①.回转窑：用于干燥、焙烧和煅烧。如图：43②.反射炉：用于熔炼、熔化、精炼等。(炼Cu、Sn、Pb等)3.沸腾炉：是利用流态化技术的热工设备。用于Zn、Cu精矿的氧化焙烧和硫酸化焙烧，含钴硫铁精矿的硫酸化焙烧，锡精矿、辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧，高鈦渣的氯化焙烧，汞矿石的焙烧。（如图）4445沸腾炉图示4.电炉：电能热能。有：①电阻炉；②电弧炉：用于熔炼、炉渣贫化、熔炼产物的过热与保温；③感应电炉。46473.5用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的原则流程图483.6我国有色冶金工业的发展现状和目标到2000年底，我国规模以上有色金属工业企业近3000家，总资产3100亿元，从业人员130万人。2000年10种主要有色金属冶炼能力为900万吨，其中铜160万吨，铝330万吨，铅120万吨，锌220万吨；铜加工能力为256万吨，铝材加工能力为335万吨。2007年,我国10种有色金属总产量达2360.52万吨。铜300万吨，铝500万吨。49(1)95年以来我国有色金属产销量持续增长，其产销量见表1-1。表1-1近年我国有色金属产销量(万吨)3.6.1“九五”期间我国有色金属工业取得的主要成绩产品名称1995年1996年1997年1998年1999年2000年年均递增率/%10种有色金属产量496.6523.1581.0616.4694.7775.09.3110种有色金属消费量442.0490.3502.0528.0570.0

6.56其中电解铜产量107.9

111.9

117.9

121.1

117.4

137.0

4.89电解铜消费量119.3

139.2

128.5

135.0

140.0

4.08电解铝产量186.9

190.1

217.8

243.5280.9

289.0

9.11电解铝消费量191.7

204.3

226.0

240.0

270.0

8.94精铅产量60.8

70.6

70.7

75.7

91.8

105.0

11.55精铅消费量44.2

47.0

49.3

50.0

51.0

3.64锌锭产量107.6

118.5

143.4

148.6170.0

195.012.63锌锭消费量75.5

82.9

86.1

90.0

95.0

5.9150(2)我国已成为世界有色金属生产大国。世界有色金属生产大国的产量及位次见表1-2。国家1990年1994年1995年1998年产量位次产量位次产量位次产量位次美国9771103511175112471加拿大3084396341134383俄罗斯6282547238244224日本3313338536353665德国2435223724162676澳大利亚2127230622372597巴西1428169818581848智利1199128915192369法国11410127101431014510表1-2世界有色金属生产大国的产量及位次(万吨)中国239639545032616251表1-3近几年来我国10种常用有色金属产量（单位：万吨）铜铝铅锌镍锡锑镁海绵钛汞2002年产量1584361292115712233648t495t2003年产量1775561582296.51010344118t610t2004年产量2066841812527.5411.712.542.64694t424t2005年产量2587802382719.5311.914.6479274t361t2002年，中国有色金属产量为1012万吨，第一次超过美国，成为世界有色金属第一生产大国。2003年达到1182万吨，第二次居世界第一位。2004年达到1398万吨，第三次居世界第一位，2005年达到1631.8万吨，连续四年居世界第一位。52(3)进出口贸易有较大幅度增长。随着有色金属产量年均增长率的提高，改变了我国有色金属长期短缺的状况。目前我国在常用金属中，除了铜因受资源限制尚存缺口外，铝的供需已基本平衡，铅锌自给有余，镁产量激增，大量进入国际市场，钨、锡、锑、钼和稀土等传统出口产品仍保持一定的出口规模，我国已成为有色金属冶炼产品净出口国。(4)部分大企业技术装备水平明显提高。通过对重点企业的改扩建项目的实施，采用了世界上最先进的铜、铝冶炼技术与装备，如奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔池熔炼、拜耳法生产氧化铝、300kA预焙阳极铝电解槽等，使一批有色金属生产基地的工艺技术装备达到了国际先进水平。53(5)依靠科技进步，主要技术经济指标明显改善。通过推广强化熔炼、铝电解槽大型化、低浓度SO2烟气制酸等先进技术，有色金属主要经济指标提高了很多。指标名称1995年1999年降低的％氧化铝综合能耗(标煤)/Kg·t-11783130223.9氧化铝碱耗/Kg·t-11477946.3氧化铝成本/元·t-11589134715.2原铝直流电耗/kW·h·t-114530143421.3铝锭综合交流电耗/kW·h·t-116600156036.0铝锭成本/元·t-111065105035.1铜精矿成本/元·t-113847955731.0铜冶炼综合能耗(标煤)/Kg·t-1118411522.7电解铜成本/元·t-1189871325430.2铅精矿成本/元·t-12723210522.7电铅成本/元·t4锌精矿成本/元·t-12634224214.9电锌成本/元·t-1728466988.1543.6.2制约21世纪有色金属工业可持续发展的主要问题矿山资源紧缺，形势严峻。我国铜品位低，大型铜矿少，可供利用的资源严重不足，难以满足铜工业发展要求。2000年铜精矿进口量达31万吨，

2004年铜矿进口总量为288万吨，铜（包括阳极铜、精炼铜和铜合铝土矿储量虽然丰富，但大多属于高铝、高硅、低铁的一水硬铝石，矿石的溶出性差，与国外高铝硅比、易溶出的三水铝石相比，在氧化铝回收率、碱耗和综合能耗方面有较大差距。铅、锌、钨、锡、锑、稀土矿资源比较丰富，但富矿多数已被开发利用。(2)产品结构不合理。到2000年底，我国10种有色金属矿山原料年生产能力为550万吨，而冶炼能力达900万吨，矿山建设严重滞后于冶炼。55(3)生产集中度低。

全国共有电解铝厂116家，平均规模2.4万吨/a，超过10万吨/a的企业只有8家，占总能力的40％。50家铜冶炼厂，平均规模仅2万吨/a，超过10万吨的企业只有9家，占总能力的50％。770多家铅锌冶炼厂，平均规模0.3万吨/a，超过5万吨/a的企业有11家，占总能力的50％。而发达国家铜冶炼和电解铝厂的规模一般都在20万吨/a以上，铅锌冶炼厂规模一般在10万吨/a以上。(4)技术装备落后，环境污染严重。按生产能力计算，目前技术装备达到国际先进水平的不足20％，大多数中小企业技术和装备落后，众多小冶炼企业仍采用土法工艺，浪费资源，污染环境。56(5)我国有色金属工业能耗高。我国吨粗铜综合能耗(标煤)平均为1.130t/t，其中最低的粗铜能耗(标煤)为0.68t/t。而国外闪速炉的能耗(标煤)只有0.3t/t。我国的密闭鼓风炉铅能耗(标煤)为0.78t/t，国外的为0.45t/t。我国的火法炼铜成本为1600美元/t，炼镍成