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重金属冶金学MetallurgyofHeavyMetals胡宇杰电话:13973389839E-mail:hyj8622@1126.com《重金属冶金学》教学大纲•课程名称：《重金属冶金学》•学分：4.0•理论学时：64•适用专业：冶金工程•先修课程：《物理化学》、《冶金原理》一、课程的性质、目的与任务本课程是冶金工程专业的核心专业课，包含硫化矿的焙烧和烧结、还原熔炼、造锍熔炼、硫化精矿的直接熔炼、粗金属精炼与湿法冶金。本课程以金属冶炼过程为基本主线，围绕环境保护和可持续发展两大问题，着重介绍冶炼过程的新技术、新理论、新工艺和新设备以及技术经济分析和冶炼过程管理等知识。二、教学基本要求通过本课程的学习，使学生了解有色重金属冶炼过程的新技术、新工艺；理解冶炼过程的基本原理和基本过程；掌握有色重金属冶炼的典型过程、基本原理、工艺技术及装备，培养学生的创新能力、分析和解决问题的能力，为今后从事有色重金属冶炼工作打下良好的专业知识基础。三、理论教学内容及进度安排课次周次授课内容11介绍课程的主要内容、教授目的及达到要求21重金属冶金的基本概念、生产工艺方法、本行业的特点及背景31硫化矿氧化焙烧与烧结焙烧的热力学理论基础及主要杂质行为42硫化锌精矿的流态化焙烧的特点及生产实践52铅锌硫化精矿的烧结焙烧过程及生产实践62鼓风炉炼铅的工艺及生产实践（1）73鼓风炉炼铅的工艺及生产实践（2）83鼓风炉炼锌铅的工艺及生产实践（1）93鼓风炉炼锌铅的工艺及生产实践（2）104锡精矿的还原熔炼工艺及生产实践114还原熔炼渣的烟化处理工艺124造锍熔炼的原料及冶炼方法135造锍熔炼的基本原理145重金属造锍熔炼的生产实践155锍的吹炼原理及生产实践1610造锍熔炼炉渣的贫化处理1710硫化矿直接熔炼的基本方法1810硫化铅精矿直接熔炼的基本原理1911硫化铅精矿直接熔炼的生产实践2011锌镉精馏的基本原理及生产工艺2111铅、锑、锡、铋的火法精炼工艺及生产实践（1）2212铅、锑、锡、铋的火法精炼工艺及生产实践（2）2312粗铜的火法精炼及电解精炼2412铅的电解精炼2513重金属湿法冶金的基本理论及主要方法2613重金属湿法冶金的浸出过程2713浸出液的净化方法及基本原理2814浸出液净化的生产实践2914锌电极的反应及杂质在电积过程中的行为3014锌电解的基本概念及生产实践3115铜镍湿法冶金的基本概念及主要方法3215铜镍湿法冶金的生产实践四、主要参考书1.朱祖泽、贺家齐编.《现代铜冶金学》，科学出版社，2003年01月第一版.2.《铅锌冶金学》编委会.《铅锌冶金学》，科学出版社，2003年4月第一版.3.郭年祥.《有色冶金化工过程原理及设备》，冶金工业出版社，2008年12月第一版.前言第一章硫化矿焙烧与烧结第二章重金属还原熔炼第三章重金属造锍熔炼第四章硫化矿直接熔炼第五章粗金属的精炼第六章重金属湿法冶金目录前言1、重金属主要包括哪些金属？2、重金属的主要冶炼方法及生产工艺。3、我国有色重金属工业的概况及冶炼行业背景。4、有色金属冶金单元过程。5、重金属冶金过程中存在的环境污染。1、重金属主要包括哪些金属？工业上常见的重金属主要包括：Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cd、Sb、Hg、Sn、Bi等十种。重金属的矿物原料除Sn外，其它重金属主要以硫化矿的形式存在，重金属矿物中常常伴生有稀散和贵金属，如Se、Te、In、Ga、Ge、Ag、Au、Pt、Pd、Ru等。2、重金属的主要冶炼方法及生产工艺重金属的冶炼方法根据矿物原料和各金属本身特性的不同，可以采用火法、湿法和电化学冶金等方法，但从目前看是火法为主。金属Fe、Cu、Pb、Zn、Sn生产的原则工艺流程铁矿粉烧结(或球团)高炉炼铁转炉炼钢钢锭铜精矿造锍熔炼转炉吹炼火法精炼电铜电解精炼铅精矿烧结焙烧鼓风炉熔炼火法精炼电铅电解精炼精铅金属Fe、Cu、Pb、Zn、Sn生产的原则工艺流程(续)锌精矿氧化焙烧火法炼锌电锌湿法炼锌精锌焙砂合格锡精矿溶剂、无烟煤鼓风炉熔炼精炼烟尘精锡粗锡富锡炉渣烟化挥发炉渣3、我国有色重金属工业概况3.1概况大部分重金属的产量位居世界前列，目前铅锌的产量居世界第一位。中国有色金属工业协会会长康义指出：与国际先进水平相比，当前我国有色金属工业存在资源短缺、能耗高、资源利用效率低等六大问题。矿山原矿品位下降，资源供给严重不足，结构性矛盾突出，多数有色金属品种都面临加工能力大于冶炼能力，冶炼能力又大大超过精矿保障能力的难题。3.2重金属资源的特点主要矿物为硫化物矿物矿石都为复合矿矿石品位较低一般须经过选矿富集现分离有用成分冶金方法为火法与湿法及电法联合3、我国有色重金属工业概况3.3我国铜行现状3.3.1资源保有储量1915万吨，基础储量3042万吨，资源量3177万吨，资源总量6218万吨。与国外可比部分，不超过1800万吨，居世界第七位。当前铜矿石主要产自江西、云南、山西、安徽、湖北五省，占全国产量的84.8%，主要矿山有德兴、江铜、易门、中条山、铜陵、铜录山、封山洞等。3、我国有色重金属工业概况3.3.2矿山矿点多，而分散；难采难选矿多；贫矿多富矿少；铜矿储量的利用率低。现有铜矿762个，其中大型13个，中型40个，从业人员13.1万人。3.3.3采矿由于地质条件所限，以坑采为主，比先进国家生产率低，成本高，浪费大，劳动条件差2003年铜精矿生产能力为58.24万吨，粗铜产量为130万吨，精铜产量为177.0万吨。3、我国有色重金属工业概况3.3.4冶金已达到世界先进水平目前国内已拥有闪速熔炼、诺兰达法，艾萨法、奥斯麦特法等先进火法熔炼方法。2010年铜产量457.4万吨。预计2011年达600万吨。但湿法冶金技术发展缓慢。3、我国有色重金属工业概况3.3.5我国主要铜企业1）江西铜业贵溪冶炼厂40万吨/年2）铜陵有色金属金属集团公司35万吨/年3）云南铜业集团公司30万吨/年4）大冶有色金属公司20万吨/年5）金川集团15万吨/年6）中条山冶炼厂10万吨/年7）金昌冶炼厂10万吨/年3、我国有色重金属工业概况3.3.6铜的冶金方法1)湿法炼铜：对氧化矿：浸出—置换(萃取)—提取或精炼对硫化矿：焙烧—浸出—净化—电解3、我国有色重金属工业概况•2).火法炼铜：主要处理硫化矿•主要工艺为：•铜精矿熔炼吹炼精炼3.4我国铅锌行业现状3.4.1资源铅保有储量771万吨、基础储量1209万吨、资源量2273万吨，已查明资源总量3482万吨。铅储量位澳大利亚、美国之后，占世界铅储量的10.2%。锌保有储量2249万吨，基础储量3442万吨，资源量5731万吨，资源总量9172万吨。锌储量也位于澳大利亚美国之后，占世界锌储量的10.7%。资源特点：以硫化矿为主；复合矿，且主要为铅锌共生；伴有大量的Au、Ag等贵金属；我国矿石资源的铅锌比：1：2.25；美国：1：0.6—0.8；世界平均：1：13、我国有色重金属工业概况3.4.2矿山我国的矿山采选企业约有1185家。采矿以坑采为主，露采只占10%；采矿大部分企业只相当于工业发展国家的六、七十年代水平；选矿以浮选为主，较之于采矿与世界水平较为接近；由于大量小矿山的存在，我国铅锌矿山采选技术装备水平比较低。现在的铅锌矿开采品位铅：0.4-1.5%锌：6-13%选矿后得到的铅精矿含铅：40-75%，锌：5-10%锌精矿的含锌：38-62%，其中含铅：0.5-2%。3、我国有色重金属工业概况3.4.3冶金总体技术装备与国际同行有较大的差距，与世界头号产锌大国的身份不太相称。总体技术落后的关键问题之一是企业平均规模小，行业集中度低；炼铅工艺中，传统的烧结—鼓风炉还原熔炼占90%。3、我国有色重金属工业概况3.4.4我国主要铅锌企业十大铅冶炼企业1.河南豫光金铅集团(20.62万吨)2.安阳市豫北金属冶炼厂(9.9万吨)3.株洲冶炼集团有限公司(9.32万吨)4.云南冶金集团总公司(7.13万吨)5.中金岭南韶关冶炼厂(7.11万吨)6.水口山矿务局(6.49万吨)7.徐州春兴合金有限公司(5.06万吨)8.安微池州有色金属集团公司(3.44万吨)9.济源市万洋有色冶炼厂(3.28万吨)10.金城江成源冶炼厂(6.66万吨)3、我国有色重金属工业概况十大锌冶炼企业：1.株洲冶炼集团(28.50万吨)2.葫芦岛锌厂(22.66万吨)3.中金岭南韶关冶炼厂(16.24万吨)4.四川宏达有限公司(8.64万吨)5.银荔集团龙城化工总厂(8.43万吨)6.云南冶金集团(8.39万吨)7.白银有色金属公司(7.90万吨)8.陕西东岭锌业公司(6.01万吨)9.柳州锌品股份有限公司(5.46万吨)10.云祥云化工冶炼公司(5.37万吨)3、我国有色重金属工业概况•我国现有铅锌企业775家。•国有及国有控股企业以及年销售收入在500万元以上的非国有企业303家。•排名世界前十的只有株洲冶炼集团(世界第九)•企业平均规模小，各种冶炼方法同时并举。3、我国有色重金属工业概况3.4.5铅冶金方法1.湿法。还没有工业应用2.火法1)反应熔炼法PbSO4+PbS==2Pb+2SO22PbO+PbS==3Pb+SO22).沉淀熔炼法PbS+Fe===FeS+Pb3、我国有色重金属工业概况3).焙烧—还原熔炼法•最主要的是烧结焙烧—鼓风炉还的熔炼法•其主要步骤为：烧结焙烧鼓风炉还原熔炼火法精炼电解精炼3、我国有色重金属工业概况3.4.6锌冶金方法1).火法：占30%ISP法竖罐炼锌电炉炼锌平罐炼锌马槽炉炼3、我国有色重金属工业概况氧化焙烧或烧结还原挥发冷凝器精馏精炼硫化锌精矿碳质还原剂SO2烟气锌蒸气液体锌含锌渣焙砂或烧结块纯锌火法炼锌原则流程2).湿法：占70%•基本工艺：硫化矿电锌废液焙烧浸出净化电积3、我国有色重金属工业概况焙砂熔铸浸出渣（火法处理或热酸浸出回收锌氧化焙烧净化浸出SO2烟气电解沉积硫化锌精矿硫酸锌溶液阴极锌电解废液（含硫酸）锌锭含杂质的硫酸锌溶液湿法炼锌原则流程4.冶金单元过程4.1火法冶金(Pyrometallurgy)：它是指在高温下矿石或精矿经熔炼、精炼反应及熔化作业，使其中的金属与脉石、杂质分开，获得较纯金属的过程。整个过程一般包括原料准备、熔炼和精炼三个工序。过程所需能源，主要靠燃料供给，也有依靠过程的化学反应热来提供。①焙烧(Roasting)和烧结：是指将矿石或精矿置于适当气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，如ZnS→ZnO、PbS→PbO，满足熔炼或浸出要求。焙烧过程按控制气氛的不同，可分为氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。②熔炼(Smelting)：是指将处理好的矿石、精矿或其它原料，在高温下通过氧化、还原反应，使矿石原料中金属组分与脉石、杂质分离为两个液相即金属(或金属锍)液和炉渣的过程，它也叫冶炼。③火法精炼(Firerefining)：在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得含有少量杂质的精金属，以提高其纯度。如熔炼铁矿石得到的生铁，再氧化精炼成钢。火法精炼的种类很多，如氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等。4.冶金单元过程4.2湿法冶金(Hydrometallurgy)：它是指在常温(低于100℃)常压或高温(100~300℃)高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使要提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来的过程。由于绝大部分溶剂为水溶液，故也称水法冶金。该方法包括以下单元过程：①浸出(leaching)或溶出(digesting)：中性、低温低酸、高温高酸、碱浸；②分离(separation)：黄钾铁矾、针铁矿、赤铁矿；③富集(concentration)：In铁渣、Ag阳极泥；④净化(solutionpurification)：置换、硫化沉