《稀有金属冶金学》课件

稀有金属冶金学概论稀有金属冶金学是研究稀有金属提取和纯化的科学课程目标和大纲掌握基础知识了解稀有金属的特性与分类学习冶金原理掌握提取与纯化工艺工业应用理解稀有金属在现代工业中的重要性前沿发展稀有金属的定义和分类轻稀有金属钛、锆、铪等难熔金属钨、钼、铌、钽等分散元素镓、铟、锗、铼等稀土金属稀有金属的重要性和应用电子工业半导体、超导材料、电子元件航空航天高温合金、结构材料能源领域核能、太阳能、储能设备医疗应用稀有金属资源分布概况中国俄罗斯澳大利亚巴西美国稀有金属冶金的基本原理物理富集分选、重选、浮选等1化学转化焙烧、氯化、硫化等2湿法处理浸出、萃取、离子交换3金属还原热还原、电解还原等4金属精炼真空冶金、区域熔炼等5稀有金属冶金的主要方法火法冶金高温熔炼、焙烧、挥发适用于难熔金属提取湿法冶金浸出、沉淀、萃取适用于低品位矿和复杂矿电冶金电解、电热还原用于高纯金属生产钨的物理化学性质1熔点高3422°C，金属中最高2密度大19.25g/cm³3硬度高莫氏硬度7.54导热性好热膨胀系数低钨矿物及其分布黑钨矿(Fe,Mn)WO₄主要分布于中国、俄罗斯白钨矿CaWO₄主要分布于加拿大、美国铁钨矿FeWO₄主要分布于葡萄牙、玻利维亚钨的提取冶金原理1矿石破碎将原矿破碎至适当粒度2物理选矿重选、浮选分离钨矿物3化学处理碱熔或酸浸提取钨4钨酸盐转化制备仲钨酸铵5氧化物还原制备金属钨粉钨精矿的焙烧焙烧目的去除硫、砷等杂质增加矿石孔隙度焙烧条件温度：600-800°C氧化性气氛反应机理硫化物氧化为氧化物或硫酸盐设备选择回转窑、沸腾炉钨的湿法冶金工艺1碱熔法Na₂CO₃熔融分解钨矿物2酸浸法HCl处理白钨矿3自蚀法高温高压碱液处理4高压碱浸高温高压NaOH溶液浸出仲钨酸铵的制备钨酸钠溶液pH控制在7-8杂质去除沉淀、过滤pH调节加入盐酸至pH3-4氨水加入控制浓度和温度结晶分离控制温度和时间三氧化钨的制备550℃煅烧温度99.95%产品纯度2-4小时煅烧时间5-10µm颗粒尺寸金属钨粉的制备1金属钨粉粒度0.5-10μm2氢气还原600-900°C3WO₃原料高纯三氧化钨钼的物理化学性质1熔点高2623°C2密度中等10.28g/cm³3硬度高莫氏硬度5.54耐腐蚀耐酸碱性好钼矿物及其分布主要矿物：辉钼矿(MoS₂)、钼华(MoO₃)、钨钼矿(PbMoO₄)钼的提取冶金原理1选矿富集浮选法获得钼精矿2氧化焙烧将MoS₂转化为MoO₃3湿法处理制备钼酸铵或钼酸钠4氢还原将MoO₃还原为金属钼钼精矿的焙烧焙烧温度500-600°C1反应机理MoS₂+O₂→MoO₃+SO₂2焙烧设备多层炉、流化床3工艺控制氧化气氛、温度均匀性4钼的湿法冶金工艺碱浸法碱性溶液浸出MoO₃氨浸法NH₄OH溶液浸出酸浸法硫酸、硝酸浸出萃取提纯有机萃取剂分离杂质钼酸铵的制备焙砂溶解氨水溶解MoO₃溶液净化去除Cu、Fe等杂质结晶浓缩控制温度和pH分离干燥离心分离、低温干燥三氧化钼的制备原料准备钼酸铵或钼酸钠溶液热分解400-500°C热分解焙烧控制氧化气氛，防止还原粉碎筛分控制粒度分布金属钼粉的制备原料准备高纯MoO₃1一次还原450-650°C，H₂气氛2二次还原900-1100°C，H₂气氛3粉末处理磨粉、分级、包装4钛的物理化学性质物理特性密度：4.5g/cm³熔点：1668°C沸点：3287°C机械性能强度高韧性好比强度最高化学特性耐腐蚀化学活性高钝化倾向强钛矿物及其分布钛铁矿FeTiO₃全球主要钛资源金红石TiO₂高品位钛矿物白钛矿风化钛铁矿次要钛资源钛的提取冶金原理1氯化法Kroll法生产金属钛2电解法熔盐电解TiO₂3热还原法钙热还原TiO₂4直接还原法新型FFC剑桥法钛精矿的氯化1氯化反应TiO₂+C+2Cl₂→TiCl₄+CO₂2反应条件温度：800-1000°C3反应装置流化床氯化炉4产物特性TiCl₄：沸点136°C的无色液体四氯化钛的精制1高纯TiCl₄纯度>99.9%2精馏分离VOCl₃等杂质3化学处理去除FeCl₃、AlCl₃等4粗TiCl₄含多种氯化物杂质金属钛的镁热还原还原反应TiCl₄+2Mg→Ti+2MgCl₂1反应条件温度：800-850°C惰性气氛2产物形态多孔海绵状金属钛3副产物回收MgCl₂电解回收Mg4钛海绵的提纯1真空分离去除残留MgCl₂2酸浸处理去除表面杂质3真空焙烧脱除气体杂质4破碎分级获得不同粒度产品锆的物理化学性质1银白色金属密度：6.5g/cm³2熔点高1855°C3中子吸收截面小核工业关键材料4耐腐蚀性优表面形成致密氧化膜锆矿物及其分布锆石ZrSiO₄澳大利亚、南非斜锆石ZrO₂巴西、俄罗斯开采方式主要为砂矿开采锆的提取冶金原理矿石分解碱熔或氯化分解锆石化合物转化制备氯化锆或氧化锆金属还原镁热还原或Kroll法金属提纯真空蒸馏或碘化提纯锆的氯化工艺原料准备锆石与碳混合氯化反应ZrO₂+2C+2Cl₂→ZrCl₄+2CO反应温度800-1200°C产物收集冷凝回收ZrCl₄四氯化锆的精制升华精制利用升华点差异分离1化学处理去除HfCl₄等杂质2萃取分离MIBK萃取分离Hf3精馏提纯多级精馏塔分离4金属锆的镁热还原还原反应ZrCl₄+2Mg→Zr+2MgCl₂反应条件温度：800-850°C惰性气氛产物形态海绵状金属锆杂质控制严格控制O、N等气体杂质铌的物理化学性质铌矿物及其分布主要矿物：铌铁矿[(Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆]、铌钽矿[(Na,Ca)₂Nb₂O₆F]主要产地：巴西、加拿大、尼日利亚铌的提取冶金原理1碱熔分解NaOH或KOH熔融分解2水浸铌酸盐溶液3沉淀Nb₂O₅·nH₂O4氟化K₂NbF₇5还原铝热或电解还原铌的湿法冶金工艺酸浸法HF或HF-H₂SO₄混酸浸出形成络合物H₂[NbOF₅]碱浸法NaOH溶液浸出形成铌酸钠Na₃NbO₄萃取分离MIBK、TBP等有机萃取剂分离Ta、Ti等杂质五氧化二铌的制备沉淀铌酸盐溶液中和沉淀1洗涤除去可溶性杂质2干燥105-120°C干燥3煅烧800-1000°C煅烧4金属铌的制备1铝热还原Nb₂O₅+Al→Nb+Al₂O₃2电解还原K₂NbF₇熔盐电解3钠热还原K₂NbF₇+Na→Nb+NaF+KF稀土金属的物理化学性质1种类多镧系15种+钪、钇，共17种2活泼性强容易与氧、氮、硫等非金属形成化合物3磁性独特如钕、钐、镝具有优异磁性4光学特性优如铕、铽具有特殊发光性能稀土矿物及其分布独居石(Ce,La)PO₄中国、澳大利亚氟碳铈矿(Ce,La)CO₃F中国、美国磷钇矿YPO₄马来西亚、巴西稀土元素的分离原理分步沉淀法基于稀土元素碱性差异萃取分离法基于分配系数差异离子交换法基于稀土离子与树脂亲和力差异色谱分离法基于稀土元素洗脱速度差异稀土精矿的分解酸法分解硫酸、盐酸、硝酸浸出1碱法分解高温NaOH熔融分解2氯化焙烧与CaCl₂混合焙烧3还原熔融高温还原性条件下熔融4稀土元素的萃取分离稀土金属的还原制备熔盐电解法稀土氯化物或氟化物电解金属热还原法Ca或La还原氟化物真空蒸馏法提纯稀土金属区域熔炼法进一步提高纯度镓的物理化学性质低熔点29.76°C，室温下可熔化高沸点2403°C，液态范围广体积变化凝固时膨胀3.1%半导体特性GaAs、GaN等为重要半导体材料镓的来源和提取原理1高纯镓纯度>99.99999%2提纯工艺电解、区域熔炼3粗镓提取铝土矿、锌矿副产物4原料来源铝土矿(50-70ppm)、锌矿(50ppm)镓的提取工艺碱液浸出拜耳法铝土矿处理后的碱液富集电解、沉淀等方法富集电解沉积汞阴极电解沉积镓精炼区域熔炼、化学方法提纯铟的物理化学性质1银白色软金属莫氏硬度1.22低熔点156.6°C3延展性好可轧制成薄箔4化学活泼在HCl中缓慢溶解铟的来源和提取原理锌冶炼锌精矿中In含量约100ppm铅冶炼部分铅精矿含铟锡冶炼锡矿中也含有铟铟的提取工艺1铟富集锌冶炼渣中富集2浸出硫酸浸出溶解铟3净化去除Fe、Cu、As等杂质4萃取D2EHPA萃取分离5电解电解沉积获得金属铟锗的物理化学性质物理特性灰白色半金属密度：5.32g/cm³熔点：938°C电学特性半导体材料能隙：0.67eV高电阻率光学特性高折射率红外透过率高光电探测材料锗的来源和提取原理煤中提取锌精矿铜精矿锗矿石其他来源锗的提取工艺浸出HCl浸出含锗物料蒸馏GeCl₄蒸馏分离水解GeCl₄水解为GeO₂还原H₂还原GeO₂为Ge区熔提纯区域熔炼获得高纯锗稀有金属冶金的环境问题酸性废水含重金属、氟化物等污染物废