冶金是研究由矿石或其它含金属原料中提取金属的一门科学

冶金是研究由矿石或其它含金属原料中提取金属的一门科学。冶金工业通常分为黑色冶金工业和有色冶金工业。前者包括生铁、钢和铁合金的生产；后者包括其余所有各种金属的生产。作为冶金原料的矿石，其中除含有所要提取的金属矿物外，还含有伴生金属矿物以及大量无用的脉石矿物。冶金的任务就是把所要提取的金属从成分复杂的矿物集合体中分离出来并加以提纯，这种分离和得纯过程常常不能一次完成，需要进行多次。一般说来，冶金过程包括：预备处理、熔炼和精炼三个循序渐进的作业过程。在现代冶金中，由于矿石性质和成分、能源、环境保护以及技术条件等情况的不同，故实现上述冶金作业的工艺流程和方法是多种多样的，根据各种方法的特点，大体上可将其归纳为三类：火法冶金、湿法冶金、电冶金。下面着重对火法冶金进行大致的介绍。火法冶金是在高温下从冶金原料提取或精炼有色金属的科学和技术。为温度在700K以上的有色金属冶金的总称。有色金属火法冶炼一般包括炉料准备、熔炼吹炼和精炼三大过程。过程中的产物除金属或金属化合物之外，还有炉渣、烟气和烟尘。烟气由高温的粉尘、烟雾及气体组成，通过对烟气处理和烟尘综合利用来回收其中的热量、有价组分以及把对环境有害的气体转化为有用产品。为维持有色金属火法冶金过程中所需的温度和获得更好的冶炼效果，需通过各种途径供热以达到火法冶金热平衡及物料平衡的计算。火法冶金的基本条件是维持一定的高温所需的热源，除了冶金本身为放热反应外，主要靠碳质燃料燃烧供热（碳质燃料有煤、焦、天然气和石油产品），燃料燃烧大都用空气供风，由于空气中含有79%（体积）的氮气，燃料燃烧放出的热大量被氮气带走，使燃料的热效率大大降低。为了提高燃料热效率和减少烟气体积，相继出现了富氧和纯氧的熔炼工艺。为了充分利用烟气带走的热，除了设置余热锅炉生产蒸气和发电，也用来预热空气，从而出现热风熔炼工艺。为了充分利用硫化精矿以及粉状物料大比表面积而发展各种新的冶炼工艺，如闪速、旋涡、熔池熔炼等。火法冶金的每一过程都很复杂。由于在高温下进行的反应容易达到平衡，加之原料化学成分及矿相组成变化大，因此反应过程机理是很难进行研究的。至今尚未找到能解释各种火法冶金现象的动力学规律，大都求助于热力学原理来解决生产中的问题。如Me-S-O系化学势图，或者Me-Me'-S-O-SiO2五元系化学势图，甚至多元重叠系的化学势图，Me-e-O系化学势图以及各种二元系、三元系甚至四元系相图等，便成为普遍用于解决火法冶金有关问题的热力学基础。由于火法冶金过程的温度在700K以上，各种化学反应进行都很迅速，许多过程都是在几秒钟内完成。因此，化学反应是趋近平衡的，应用热力学基础理论来解释各种生产现象较为合理和可靠。参与火法冶金过程的物质有固体、气体和熔体，如固体精矿、熔剂、燃料，空气、工业氧、熔体锍、熔剂和炉渣等。火法冶金过程产物亦然，如固体的焙砂、烟尘、SO2,烟气CO2,燃烧气体、熔体金属、锍和炉渣等。火法冶金过程发生的高温化学反应相当复杂，主要的反应类型有：气-固相，气-液相，固-液相，液-液相，固-固相反应，冶金以及气-液-固三相之间的反应。火法冶金过程的工艺一般包括原料准备、焙烧、熔炼（吹炼）和精炼四大过程。一、原料准备将精矿或矿石、熔剂和烟尘等按冶炼要求配制成具有一定化学组成和物理性质的炉料过程，为现代火法冶金流程的重要组成部分。炉料准备一般包括贮存、配料、混合、干燥、制粒、制团、焙烧和煅烧等。除焙烧和锻烧使炉料发生化学变化外，其他过程一般只发生物理变化。有的火法工艺并不要求制粒（制团）或焙烧，精矿可以直接冶炼。由精矿、返料、烟尘、熔剂等组成的炉料，其物理状态、化学成分、含水量及数量，不一定能满足冶炼工艺的要求，为保证正常生产，就需要贮存足够长时间使用的原料和熔剂，贮存的量是一个重要的经济技术指标，贮存量的多少与处理工艺、工作测试、规模有关。冶炼厂常处理多个矿山或选厂的矿石及精矿，必须进行配料，将各种精矿按一定的比例混合使用，并混合成化学成分和物理性质比较一致的原料。进厂的精矿一般含水8%-15%，而炼前的炉料准备，冶炼过程及烟尘处理都要求精矿含水较低且需经过干燥处理。某些原料，作为某一冶炼过程来说，其粒度可能太细，要配人胶粘剂制粒，或其透气性不够好，必须配人胶粘剂制团。氧化物常比硫化物更易于还原，金属的硫酸盐、氯化物或氧化物更易从原料中浸出，因而常要通过焙烧与缎烧的化学方法，将原料中的矿物转变成所需要的形式。对于某一具体原料而言，究竟需要经过哪些准备过程，则视原料本身情况和冶炼工艺要求而定。（一）配料和混合配料是根据冶炼要求将所需的各种物料按一定数量比进行配合和混合的过程，为炉料准备的一道作业，常用的有干式配料和湿式配料。干式配料有仓式配料和堆式配料两种。仓式配料是将各种物料分别装人配料仓中，通过给料、称量装置，按质量比例配合在一起。仓式配料易于调整配料比例，不受粒度限制，为工厂所广泛采用；堆式配料是将不同物料按一定比例沿水平方向分层铺成料堆再沿垂直方向切割的配料方法。堆式配料多用于各种精矿的配合，将各种精矿按比例分层铺成料堆，成分比较稳定。但由于堆式配料不能配人粒度相差较大的物料，因此采用堆式配料时常要有仓式配料作辅助。湿式配料是将各种料以矿浆形式配合，根据冶炼工艺要求，混合浆可直接或经干燥后送人下一道作业。湿式配料多用于需将磨细的熔剂配人精矿的冶炼作业，或用于流态化炉使用湿式进料的冶炼厂。为使配合料的成分均匀。配好的料再在圆筒内混合机式、轮式混合机内进行充分混合。（二）干燥干燥是脱去物料中物理水的过程，是炉料准备的组成部分。有时也伴随发生一些化学作用。一般进厂精矿含水量都高于炉料、冶炼及烟气处理等所允许的含水量，因而需要经过干燥处理。常用的干燥方法有圆筒干燥法和气流干燥法。圆筒干燥法是把待干燥的物料加人到回转的圆筒干燥窑中，使与燃烧室所产生的高温热气流相接触，使水蒸发而达到干燥的目的。气流干燥是将待干燥的物料装人鼠笼破碎机中，通人高温热气流，使物料再粉碎分散，呈悬浮状态直接与高温热气流接触，在数秒内得到干燥。球团炉料通常在矿仓内用热气流干燥，也有在链板干燥机和带式干燥机上进行干燥的。链板干燥机结构简单，干燥温度一般在473-573K。带式干燥机的温度高些，既可以干燥脱水，也可进行一定程度的焙烧。精矿干燥可根据其含水量及所要求的干燥程度，采用一段、两段和三段干燥工艺流程。如精矿含水6%-8%时，常用圆筒干燥窑的一段干燥。精矿含水少于8%及要求炉料含水低时，可采用鼠笼破碎机和气流干燥管两段干燥流程。精矿含水超过8%又要求炉料含水低时，一般宜采用圆筒干燥窑进行预干燥，然后经鼠笼破碎机松散和气流干燥管三段干燥流程。（三）制粒由于工艺的要求，某些原料的粒度太细，需要加人胶粘剂制成粒。制粒是将松散物料或粉料配人适当胶粘剂和水分，在制粒机中通过转动逐渐成为坚固球体的过程。由于物料颗粒间存在水分的毛细管现象而形成水膜，水膜的表面张力使颗粒相互吸附，再配合机械力的作用而生成母球，母球经长大、滚密而成为有一定机械强度的生球粒。制粒机有圆筒形和圆盘形两种。圆筒形制粒机是一稍有倾斜的圆筒，粉料从筒的一端加人，在进料端的适当位置加人水分和胶粘剂，粉料在圆筒中边滚动边长大，完成制粒，从另一端排出生球粒。这种方法虽然有设备简单、操作方便的特点，但产出的生球粒大小不一，强度较差。圆盘形制粒机是一个有倾角的浅底型旋转圆盘，装人的物料受旋转圆盘所驱动，在重复旋涡状运动中逐渐长大，完成造球过程。容易转动的长大的生球团移向上层，以相当于供料量的数量从圆盘边缘溢流排出。由于圆盘有分级作用，因而能产出粒度较均匀的生球团粒。制粒常用的胶粘剂有皂土、消石灰及造纸废液等。（四）制团制团是为提高竖式炉如鼓风炉、竖缸、直井炉等炉内料柱的透气性和改善炉料冶炼性能而设计的一道作业。它是将松散粉状炉料在加或不加胶粘剂的情况下压制成有一定几何形状团块的过程。制团方法分热压制团和冷压制团两种。热压制团是将常温粉煤等直接与高温的焙烧矿混合，将煤加热到充分软化，并析出一定数量的胶质体后加压成形。此法流程简单，热利用率高，不需胶粘剂，但团矿质量往往不如冷压制团法的好。冷压制团是在常温下将原料、煤粉、胶粘剂等经混合、碾磨、压密，最后压制成团。碾磨的目的是使混合料紧密而带有塑性。碾磨的好坏影响到制团的成形率和团矿的强度，一般碾磨3次即可；压密的作用是将碾磨料压成小团，提高碾磨料的强度；压团是将经过压密的碾磨料在压团机内加压成形。二、焙烧焙烧是指在低于物料熔化温度下完成的某种化学反应的过程，为炉料准备的重要组成部分。焙烧大多为下步的熔炼或浸出等主要冶炼作业做准备。根据工艺的目的，焙烧大致可以分为：氧化焙烧、盐化焙烧、还原焙烧、挥发焙烧、烧结焙烧，其中的盐化焙烧包括硫酸化焙烧和氯化焙烧，磁化焙烧属还原焙烧。按物料在焙烧过程中的运动状态，分为固定床焙烧、移动床焙烧、流态化焙烧、飘浮焙烧。（一）氧化焙烧氧化焙烧是用氧化剂使物料中的金属化合物转变为氧化物的工艺过程。目的是为了获得氧化物以利下一步熔炼制取粗金属，并回收其中的热量和有价成分。氧化焙烧多用于硫化矿冶炼。有时也为了挥发除去硫化矿中的砷和锑等有害杂质，也进行氧化焙烧。氧化焙烧时硫化矿先热分解变成低价硫化物和硫，最后生成氧化物。一些硫化矿的氧化焙烧是放热反应，所放出的热量可使反应自热（或部分自热）进行到底。氧化焙烧设备有回转窑、多膛焙烧炉、流态化焙烧炉（见流态化焙烧）等。（二）盐化焙烧硫酸化焙烧和氯化焙烧是盐化焙烧的典型例子。目的是在严格条件控制下使物料中的某些金属硫化物或氧化物尽可能多地转化为溶于水或稀酸的可溶盐。硫酸化焙烧控制条件主要有温度和送风量。在同一温度下，各种硫酸盐的分解压和稳定性是不同的，温度越高，硫酸盐越不稳定，容易分解为氧化物。利用各种硫酸盐稳定性的差异，通过控制适当的温度，进行选择性硫酸化焙烧。当送风量能使气相中的SO3具有最大值时，便是硫酸化焙烧最合适的送风量。硫酸化焙烧在铜精矿、铜钴精矿、钴硫精矿及品位低得多金属物料的处理中得到应用。工业上多采用流态化焙烧炉进行硫酸化焙烧。（三）氯化焙烧使物料中某些组分与氯化剂作用生成氯化物的焙烧方法。被氯化的物料可以是氧化物、碳化物、硫化物及金属或合金。常用氯化剂有氯气、HCI,CCl4,CaCl2,NaCl,MgCl2,FeCl3等。根据作业温度条件，分为中温氯化焙烧和高温氯化焙烧。前者作业温度不高，生成的氯化物以固体状态存在，利用其水溶性，在浸出工序中加以提取。高温氯化因焙烧温度高，而氯化物的沸点比较低，因此生成的氯化物往往同时挥发进人气相后而富集。高温氯化焙烧又叫氯化挥发焙烧。一般情况下固体氯化剂在焙烧条件下会被氧气或水分解析出氯气或HCl等气体氯化剂再起作用。氯化物沸点低，熔点不高，与金属矿、硫化物、氧化物几乎不互溶，既易生成，又易还原或分解，再加上氯化选择性好，因此氯化焙烧得到广泛应用。典型范例有：金红石或高钛渣氯化法制取TiCl4，二氧化错氯化法制取ZrCl4。（四）还原焙烧还原焙烧系指在还原性气氛下将金属氧化物还原成金属或低价化合物的焙烧过程。按被还原物挥发和不挥发分为还原挥发焙烧和不挥发焙烧两类。还原剂可以用固体、液体或气体等碳质还原剂。在使用固体还原剂煤或焦粉等时，在焙烧过程中碳先转化为CO，而后起作用。还原挥发焙烧的典型例子：ZnO+CO====Zn+CO2As2O5+2CO====As2O3+2CO2MeO（s,l）+CO（g）====Me（g）+CO2（g）磁化焙烧实质上也属还原焙烧，其典型例子为赤铁矿磁化焙烧，反应为：3Fe2O3+CO====2Fe3O4+CO2三、熔炼熔炼是指炉料在高温（1300-1600K）炉内发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的冶金过程。炉料除精矿、焙砂、烧结矿等外，有时还需添加为使炉料易于熔融的熔剂，以及为进行某种反应而加人还原剂。此外，为提供必要的温度，往往需加人燃料燃烧，并送人空气或富氧空气。粗金属或金属富集物由于与熔融炉渣互溶度很小和密度的差异而分层得以分离。富集物有锍、黄渣等，它们尚需进一步