重金属绪论1

有色金属冶金学1班级：2008级冶金工程有色方向班学时：32学时1绪论一、金属定义和分类通常把元素周期表中具有金属光泽、可塑性、导电性及导热性良好的化学元素称为金属。现代工业上习惯把金属分为黑色金属和有色金属两大类。按发现或验证的年代，金属元素可分为史前金属和史后金属两类。史前金属有铜、金、银、铅、锡、汞、铁7种。2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。物质世界已发现的112种元素中，有色金属占三分之二以上（80余种）。重金属一般指比重大于5.0的金属，包括铜、铅、锌、镍、锡等二十多种金属。3有色金属冶金学1主要讲：Cu、Pb、Zn、Ni、Sn五种重金属的冶金Au、Ag和铂族金属冶金，包括铂Pt、钯Pd、钌Ru、铑Rh、锇Os和铱Ir这些金属元素的相当大数量是伴生在重金属矿床中，在重金属生产过程中必须考虑综合回收这些元素。4重金属生产和使用的历史铜是人类最早发现和使用的金属之一，距今8000年以前，人类已经使用铜。铅也是人类史前金属，炼铅术和炼铜术大致始于同一历史时期。至公元前1600-1400年，铅已成为常见金属。我国约在公元前2000年已用铅造币，称为铅刀。古代的铅往往与铜制成合金使用。锡也是古老金属，最初是在熔炼自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。人类熟悉纯锡较迟。5锌在古代是被人类制成黄铜作装饰品应用。黄铜古名瑜石。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。至16-18世纪，我国的锌已向欧洲出口。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。中国是很早使用铜镍合金的国家。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。6贵金属生产和使用的历史：贵金属中金和银是被人类发现和使用最早。早在新石器时代，人类就已识别黄金。中国至迟在商代中期（公元前13~14世纪）已掌握了制造金器的技能。约在公元前3000年，人类掌握了炼银技术。铂族金属Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir，于19世纪初到中叶，由欧洲的科学家们发现。7第一章铜冶金CopperMetallurgy第一节概述在人类文明进程中，铜的生产与应用一直起着非常重要的作用。从青铜时代开始，到几千年后的电气化时代，电子时代，直至今天的信息社会，铜都是最广泛应用和不可替代的金属材料。我国在夏代已进入了青铜时代，商、周是青铜文化的鼎盛时期，这一时期出土的大批文物表明，我国的炼铜技术已处于当时世界的最高水平。在甘肃武威皇娘娘台发现的红铜铜刀和铜锥距今已达四千年。在甘肃马家窑文化遗址中发现的青铜刀距今已有五千年历史。湿法炼铜更是源于我国，古称胆铜法，早在西汉《怀南万毕术》中就有用铁从硫酸铜(胆铜)溶液中置换铜的记载，唐末、五代时此法已用于生产。8铜属于元素周期表的第四周期、第一副族元素，原子序数为29，原子量为63.57。一、铜的性质1.物理性质铜是一种具有金属光泽的橙红色金属，高导电性、导热性及良好的延展性是铜最有价值的特性。铜的主要物理性质见表1-1。9表1-1铜的主要物理性质名称密度(g/cm3)(20℃)熔点(℃)沸点(℃)电阻率(Ω·m)热导率(W/cm·K)熔化热(J/g)汽化热(J/g)比热(J/g·K)(25℃)粘度(Pa·s)(1145℃)数量8.961083.425670.0172414.01204.748000.38430.0341102.化学性质铜与金银一样，属于活性小的金属。常温时，铜在干燥的空气中稳定。在含有CO2的潮湿空气中则能氧化形成碱式碳酸铜[Cu(OH)2·CuCO3]（铜绿），又称铜锈、孔雀石，有毒薄膜。孔雀石11•加热至185℃，铜在空气中开始氧化，高于350℃氧化生成Cu2O和CuO，铜表面颜色变黑。•铜的电位比氢的电位正，属正电性元素，故不能从酸中置换出氢，因此不溶于盐酸、稀硫酸，能溶于有氧化作用的酸，如硝酸和浓硫酸。•铜能与多种元素形成合金，从而大大改善铜的性质，使之易于进行冷、热加工，并增加抗疲劳强度和耐磨性能。目前已能制备1600多种铜合金，主要系列有：黄铜、青铜。此外还有白铜、锰铜、铍铜合金等等。12CuS呈黑绿色或棕色，自然界中以铜蓝矿物形态存在，比重4.66，熔点1110℃；中性或还原性气氛中加热分解：二、铜的主要化合物及其性质4CuS＝2Cu2S＋S213Cu2S呈蓝黑色，自然界中呈辉铜矿矿物存在，比重5.785，熔点1135℃；常温下很稳定，加热到200～300℃时，可氧化成CuO和CuSO4，加热到330℃以上时就氧化成Cu2O。在高温下（1150℃），有氧条件下强烈氧化：Cu2S＋O2＝2Cu＋SO2Cu2S与FeS及其他金属硫化物共熔形成锍。Cu2S不溶于水，几乎不溶于弱酸，能溶于硝酸。Cu2S与浓盐酸作用时，逐渐溶解时放出H2S。Cu2S能很好地溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、CuCl2和HCN（需氧）。14CuO呈黑色无光泽，在自然界以黑铜矿形态存在，比重6.3左右，熔点1447℃；CuO不稳定，加热时离解：4CuO＝2Cu2O＋O2CuO不溶于水，但能溶于硫酸、盐酸等酸中，还能溶于FeCl3、Fe2(SO4)3、NH4OH和(NH4)2CO3等溶液中。Cu2O粉末呈红色，致密的呈缨红色，有光泽，在自然界以赤铜矿形态存在，比重5.7～6.1，熔点1230℃；加热到2200℃以上时才离解：2Cu2O＝4Cu＋O215Cu2O与FeS及可按下式反应：Cu2O＋FeS=Cu2S＋FeO2Cu2O＋Cu2S=6Cu＋SO2这两个反应在铜的火法冶金中具有重要意义。Cu2O不溶于水，但能溶于硫酸、盐酸、FeCl3、Fe2(SO4)3、FeCl2和NH4OH等溶液中。Cu2O易被H2、CO、C及CxHy还原成金属铜，也可被Fe、Zn金属还原成金属铜。16CuSO4硫酸铜在自然界中以胆矾(CuSO4·5H2O)的形态存在。纯胆矾为天蓝色，失去结晶水后为白色粉末。硫酸铜加热时分解：2CuSO4=CuO·CuSO4+SO3(或SO2+1/2O2)CuO·CuSO4=2CuO+SO3(或SO2+1/2O2)硫酸铜易溶于水，可用Fe、Zn等比铜负电性的元素从硫酸铜水溶液中置换出金属铜。17铜在国民经济各部门有着广泛的用途,特别是在电气工业应用更为广泛。三、铜的用途部门年份198019902003电气工业建筑工业运输交通工业机械和设备家用及其他49.313.79.719.37.848.216.26.620.68.42637111511合计100100表1-2铜在各部门应用中所占的百分比（％）18表1-32005年国内一些铜冶炼厂年产量19铜在地球中的含量比较少，其相对丰度仅为7×10-5，远低于铝、铁和镁等金属，甚至比钛还低。目前自然界中含铜矿物有240多种，其中常见的约有30～40种，而有工业开采价值的铜矿仅10余种。铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。特别是硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。目前工业开采的铜矿石最低品位为0.4%~0.5%。开采出来的低品位矿石，经过选矿富集，使铜的品位提高到10%~30％。表1-4为铜的主要矿物。四、炼铜原料1.铜的矿物、矿石与精矿20矿物类别矿物名称化学分子式%Cu密度／g·cm-3颜色自然矿物自然铜Cu1008.9红色硫化矿物辉铜矿铜蓝黄铜矿斑铜矿硫砷铜矿黝铜矿Cu2SCuSCuFeS2Cu4FeS4Cu3AsS4（Cu,Fe)12Sb4S1379.866.734.663.549.025.05.5-5.84.6-4.74.1-4.35.064.454.6-5.1灰黑色红蓝色黄色红蓝色灰黑色灰黑色表1-4为铜的主要矿物21氧化矿物赤铜矿黑铜矿孔雀石蓝铜矿硅孔雀石胆矾Cu2OCuOCuCO3·Cu(OH)22CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2OCuSO4·5H2O88.879.957.568.236.225.57.145.8-6.14.053.772.0-2.22.29红色灰黑色亮绿色亮蓝色蓝绿色蓝色22目前探明的有储量的矿区915处，截至1997年累计探明储量（以金属量计）为7372.53万吨，分布于29个省（区市）。排居前5位的省（区）依次为：江西：1265.59万吨；占全国铜总量的20％西藏：952.49万吨；占全国铜总量的15.1％云南：692.76万吨；占全国铜总量的11％甘肃：402.55万吨；占全国铜总量的6.4％安徽：346.14万吨；占全国铜总量的5.5％我国的铜矿储量及分布：23•硫化铜矿大多采用火法冶炼工艺处理，氧化铜矿常直接采用湿法冶炼工艺处理。•近年来，由于对环境保护提出了更高的要求，大多数工厂用火法处理硫化铜矿时，都遇到含SO2烟气的逸散问题，所以试图用湿法来处理硫化铜矿。•铜精矿成分千差万别，确定冶炼工艺要先看精矿的组成，同时从经济、地域、技术条件等多种因素加以综合考虑。2、再生铜原料铜是所有金属中最易再生的金属之一。目前，再生铜占世界铜总供应量的40%。24铜的生产方法概括起来有火法和湿法两大类。火法炼铜是当今生产铜的主要方法，世界上80％左右的铜是用火法炼铜方法生产的。湿法炼铜通常用于处理氧化铜矿、低品位废矿、坑内残矿和难选复合矿。火法炼铜用于处理硫化铜矿的各种铜精矿、废杂铜。火法炼铜的工艺流程如图1.1所示。五、铜的提取方法25图1.1火法炼铜流程26图1.2硫化铜精矿的湿法处理流程27图1.3铜氧化矿和低品位矿的湿法冶炼流程