重冶课件

重金属冶金学中南大学冶金学院刘志宏冶金楼115号-2#Tel:[phone]E-mail:[e-mail]1前言1.1重金属自然界已发现103种元素，金属元素共93种，按提取冶金分类：金属：黑色金属（Fe,Cr,Mn等）有色金属（其余的金属元素）。有色金属:重金属、轻金属、贵金属、稀有金属等。重金属：Cu,Pb,Zn,Ni,Co,Sb,Bi,Cd,Hg,Sn,共十种。（比重较大的贱金属，密度都在6.0g/cm3以上）十种常用有色金属：铝(1619)、铜(457)、锌(516)、铅(420)、镁、镍(17.1)、锑(18.7)、锡(14.9)、钛、汞。(括号内为我国2010年产量，万吨）有色金属产量超过100万吨的省份：河南、河南、山东、云南、湖南、内蒙古、甘肃、安徽、广西、山西、青海等重金属及相关元素在化学元素周期表中的位置1.2重金属冶金的特点1.2.1原料特点1)提取重金属的矿物原料，主要为硫化矿。例：Cu:CuFeS2,Zn:ZnS,Pb:PbS等。Sn例外，Sn主要为SnO2(锡石)。2)一般为多金属共生矿。例:Cu-Pb-Zn,Pb-Zn,Ni-Co-Cu等。原矿品位低，一般不能直接冶炼，要经选矿富集。硫化矿选矿广泛采用浮选法。3)矿石中有贵金属、稀散金属伴生。综合回收价值大。4)要十分重视硫的回收。既是硫的资源，又是环保的要求。(SO2对大气污染，酸雨）1.2.2冶炼方法特点1)工艺繁多。火法、湿法、电冶金等方法在重金属提取冶金中均有应用。同一种金属有多种不同的冶炼方法。2)总体而言，火法为主、湿法为辅。3)重金属冶炼方法大致可分为三类：造锍熔炼：以锍为中间产物的一类冶炼方法；还原熔炼：MS—MO—M；湿法冶金：MS（MO）—金属盐水溶液—M。1.3重金属冶金发展方向1)强化过程（通过设备、工艺条件的改变和反应器优化设计，提高过程速率）因此，在掌握热力学方法的基础上，要注重与速率过程相关的有关理论学习，如反应动力学（微观、宏观），传递过程原理、反应工程学等。要注重设备、材质；要注重效益、环保。2)节能：硫化矿的氧化过程往往能自热进行。3)低污染或无污染：废渣、废水、废气。4)资源高效利用5)向产品多样化、精细化方向发展，注重深加工、高附加值产品的开发生产。1.4我国重金属生产等情况1)产量：目前，铜、锌、铅产量在世界金属生产中分列3、4、5位。我国2009年度有色金属总产量约为2604.88万吨（同比增长3.99%），居世界第一。其中，铝1284.6万吨；铜410.95万；锌435.67万吨；铅370.79万吨。2)资源：我国铜资源严重不足（进口70%）；铅（进口50%）、锌资源（进口20%）较多，但目前需进口精矿和二次资源；锑、铋、锡等有一定的资源优势。3)技术水平:先进与落后并存。大型企业技术水平与国际先进水平接近，落后甚至原始的技术也有应用。（有色冶金产业振兴规划）4）产业集中度：低。铅、锌企业总数均超过世界其他国家总和。5）综合回收差。6）环境污染重。7）产品深加工程度低。高、精、尖产品仍需进口。8）研究发展能力弱。9）劳动生产率低。由于技术与装备水平低及国情等原因，劳动生产率与发达国家比有较大差距10）消费量急剧增长，铜、铅、锌等金属消费量都位居世界前列，但人均水平据发达国家还有差距。国内著名的重冶企业（表1）。1）温故知新，“学而时习之”；2）注重专业工作能力的培养；3）能力培养途径：读、算、绘、试、写、讲。教材：彭容秋主编，重金属冶金学（第二版），中大版主要参考书：1、有色金属提取冶金手册：总论、铜镍卷、锌镉铅铋、锡锑汞、贵金属、现代设备、能源与节能。冶工版2、赵天从主编，重金属冶金学，冶工版3、重有色金属冶炼设计手册，冶工版1.5本课程学习方法4、朱祖泽、贺家齐主编，现代铜冶金学，北京：科学出版社，20035、刘纯鹏编著，铜冶金物理化学，上海：上海科技出版社，19906、铅锌冶金学编委会，铅锌冶金学，北京：科学出版社，20037、梅光贵等编著，湿法炼锌学，长沙：中南工业大学出版社，20018、何焕华、蔡乔方主编，中国镍钴冶金，北京：冶金工业出版社，2000彭容秋主编：铜冶金、铅冶金、锌冶金等，重有色金属冶金工厂技术培训教材，中南大学出版社，2005网上资源:中文数据库:维谱、万方、中国学术期刊。外文数据库：ELSEVIERSCIENCE。第一次作业：我国重金属的资源、生产与消费第一篇重金属造锍熔炼（以火法炼铜为例）第1章原料及冶炼方法1.1原料1.1.1铜的矿物：已发现250多种，有工业开采价值的仅10余种，分为3大类。自然铜矿：铜以金属铜形态存在，极少见。氧化铜矿：难选，主要以湿法冶金方法处理，部分高品位的可火法处理。硫化铜矿：炼铜的主要原料，目前约90%铜由其生产。黄铜矿（Chalcopyrite），Cu2FeS2，四方晶系（北京大学地质数字博物馆）XRD数据：ASTM卡片——JCPDS片——ICDD（国际衍射数据中心()卡片黄铜矿XRD图谱主要硫化铜矿物有：黄铜矿(Chalcopyrite):CuFeS2、辉铜矿(Chalcocite):Cu2S、斑铜矿(Bornite):Cu5FeS4、铜蓝(Covelline):CuS等；主要氧化铜矿物有：孔雀石:CuCO3Cu(OH)2、蓝铜矿:2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石CuSiO3.2H2O、块铜矿:Cu3SO4(OH)4、赤铜矿:Cu2O、黑铜矿:CuO。1.1.2铜的矿石多为多金属共生硫化矿床。目前，最低开采品位为0.4～0.5%(按此品位，生产1吨铜，处理矿石量达200～300吨)。浮选富集后得铜精矿(典型成分见表3-1），铜精矿含铜15～30%，送冶炼厂冶炼。铜的氧化矿为次生矿，选矿富集困难。品位高的可火法处理，大多数直接湿法处理。1.1.3铜精矿（浮选硫化铜精矿）051015202530354045铜精矿1铜精矿2铜精矿3铜精矿4CuFeSZnpbAsSbBiAgMgOAl2O3SiO2CaO硫化铜精矿典型成分1)Cu,Fe,S为其主要成分，Fe+S往往大Cu；2)脉石矿物主要含SiO2,CaO,MgO,Al2O3,熔炼时，要注意渣型的选择；浸出时，要注意浸出剂的选择。3)经破碎磨细浮选得到的硫化铜精矿，粒度细（80%小于74微米）、活性大、热值高（表3-2），有利于自热强化熔炼；4)含Au,Ag,Pt族（Ru（钌）,Rh（铑）,Pd（钯）,Os（锇）,Ir（铱）,Pt（铂))金属及Se（硒）,Te（碲）等稀散金属，可在冶炼中回收。1.2铜的冶炼方法1.2.1火法（PyrometallurgyofCopper）铜的主要冶炼方法，约85%的铜由其生产。火法炼铜的原则流程为:铜矿石（0.4~2%Cu）——浮选——铜精矿(15~30%Cu)——造锍熔炼——冰铜（铜锍25~70%Cu）——吹炼——粗铜（98~99%Cu）——火法精炼——阳极铜（99%Cu）——电解精炼——电铜(99.95-99.98%Cu)(GB466-82,GB/T1385-92)火法炼铜的原则工艺流程1.2.2湿法(HydrometallurgyofCopper)湿法约生产15%的Cu。目前主要采用以下工艺处理低品位矿、废矿石、氧化矿。铜矿石——浸出——低浓度含铜溶液——萃取——富铜有机相——反萃——高含铜溶液——电积——电铜浸出：就地浸出、堆浸、搅拌浸出等。细菌（氧化铁硫杆菌、氧化硫杆菌等）参与反应，能促进浸出（生物浸矿）。World’sFirstCommercialCopperSXPlantatRanchersExploration,Arizona一、作业国内外铜冶金的现状与发展要求：字数5000左右，规范引用文献，规范图表及单位制。二、思考题：硫化铜矿高温氧化即可制得金属铜，为何实际的火法炼铜工艺要分为造锍熔炼和吹炼二步工序，在熔炼炉和吹炼炉中分步进行？二、推荐读物1、任鸿九等编著，有色金属熔池熔炼，冶金工业出版社，北京，2001。2.R.R.Moskalyk,A.M.Alfantazi,Reviewofcopperpyrometallurgypractice:todayandtomorrow,MineralsEngineering,16(2003)893-919.3、J.A.Brierley,C.L.Brierley,Presentandfuturecommercialapplicationsofbiohydrometallurgy,Hydrometallurgy59(2001),233~2394、郭亚惠摘译：铜湿法冶金现状及未来发展方向，中国有色冶金，2006年8月第4期，1~6转13。5、L.G.Bergh,J.B.Yianatos,CurrentstatusandlimitationsofcopperSX/EWplantscontrol,MineralEngineering,Vol.14,No.9,PP.875~985,2001第2章造锍熔炼(MatteSmelting)的基本原理2.1物料及产物(表3-6,P88)1)物料(入炉)硫化铜精矿（或部分氧化脱硫的焙砂、高品位氧化矿）造渣熔剂：SiO2,CaO（根据需要加入，合理炉渣组成）转炉渣：SiO2(22～28%),FeO+Fe3O4(60～70%),Cu(1.5～2.5%)(转炉渣也有单独处理,不返溶炼)烟尘:烟气夹带的细粒物料，以及易挥发元素与化合物空气或富氧空气,或工业纯氧。2)产物(出炉)冰铜（铜锍）：Cu2S+FeS,Cu25～70%炉渣：SiO2—FeO—CaO(实际组成更为复杂，后述）烟气：SO2烟尘：烟气夹带的细粒物料，以及易挥发元素和化合物2.2造锍熔炼过程的物理化学变化2.2.1火法炼铜的总反应（以黄铜矿为例）：CuFeS2+(4+X)/2O2===Cu+2SO2+FeOxA)实际炼铜工艺常包括造锍熔炼（产出冰铜）和吹炼（使冰铜转化为金属铜）两个工序，均为硫化物熔炼；只所以要分步进行：a)铜在渣中的损失；b)高熔点物质Fe3O4的生成。B)熔炼反应在1473～1573K高温下进行。化学反应、传热、传质速率均很高，热力学往往是决定性的因素。C)新的熔炼方法，注重传热、传质过程的强化；硫的回收及反应热的利用。2.2.2熔炼高温下的离解反应原料中许多化合物在高温（1473～1573K）下不稳定，发生离解反应。硫化物的离解：FeS2====FeS+1/2S2黄铁矿，FenSn+1====nFeS+1/2S2磁黄铁矿，2CuFeS2====Cu2S+2FeS+1/2S2黄铜矿2CuS====Cu2S+1/2S2铜蓝2Cu3FeS3====3Cu2S+2FeS+1/2S2斑铜矿3NiS====Ni3S2+1/2S2针硫镍矿3NiAs====Ni3As2+1/2As2常见氧化物和碳酸盐等的离解反应有：2CuO====Cu2O+1/2O2黑铜矿CaCO3====CaO+CO2石灰石MgCO3====MgO+CO2菱镁矿3MgO.4SiO2.H2O====3MgSiO3+H2O+SiO2滑石CaSO4====CaO+SO3石膏A)高温下稳定的化合物Cu:Cu2S,Cu2O;Fe:FeS,FeO;Ni:Ni3S2,NiO,Ni3As2;其他：CaO,MgO,Al2O3等。B)在熔炼温度下，离解的硫以S2(g)存在（S：MP385K;BP718K）,在氧化气氛气相中，进一步氧化为SO2。C)离解反应均为吸热反应。2.2.3锍的形成及其特性A)锍(Matte)：金属硫化物形成的共熔体。例：Cu2S—FeS,铜锍；PbS—FeS,铅锍；Ni3S2—FeS,镍锍等。在火法炼铜中，锍、铜锍、冰铜均指Cu2S—FeS共熔体。B)造锍的目的：造锍熔炼中，形成：锍相：Cu2S—