金屬冶煉工藝概述金屬冶煉工藝是從礦石中提取金屬的科學(xué)與技術(shù)課程目標(biāo)和內(nèi)容1掌握冶金基本原理理解金屬提取的物理化學(xué)基礎(chǔ)2熟悉主要冶煉工藝學(xué)習(xí)火法、濕法和電冶金技術(shù)3了解設(shè)備與操作認(rèn)識(shí)核心設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理培養(yǎng)工藝設(shè)計(jì)能力金屬冶煉的定義和重要性定義從礦石或廢料中提取、純化金屬的過程基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)地位是工業(yè)文明的基石，支撐制造業(yè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)價(jià)值創(chuàng)造大量就業(yè)，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展技術(shù)意義冶金技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)材料科學(xué)創(chuàng)新金屬冶煉的歷史發(fā)展1古代冶金公元前5000年，銅冶煉開始2鐵器時(shí)代公元前1200年，鐵冶煉技術(shù)出現(xiàn)3工業(yè)革命18世紀(jì)，焦炭煉鐵技術(shù)革新4現(xiàn)代冶金20世紀(jì)，連續(xù)鑄造、電解冶金技術(shù)發(fā)展金屬冶煉的主要方法火法冶金利用高溫熔融提取金屬濕法冶金利用化學(xué)溶液浸出金屬電冶金利用電解原理提取金屬火法冶金概述預(yù)處理礦石破碎、選礦、焙燒熔煉高溫條件下進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)精煉去除雜質(zhì)，提高金屬純度鑄造將液態(tài)金屬澆注成型濕法冶金概述基本原理利用溶劑選擇性溶解目標(biāo)金屬通過化學(xué)反應(yīng)將金屬離子轉(zhuǎn)化為可回收形式優(yōu)勢能處理低品位礦石能耗低于火法冶金環(huán)境污染較少應(yīng)用金屬銅鋅金鎳鈷電冶金概述電解原理利用電流促使金屬陽離子在陰極沉積工業(yè)應(yīng)用鋁、鎂、鈉等活潑金屬生產(chǎn)的主要方法電解精煉提高銅、鋅等金屬純度的重要手段環(huán)保優(yōu)勢操作環(huán)境好，污染物排放少金屬冶煉的基本流程原料準(zhǔn)備破碎、篩分、選礦初步冶煉焙燒、熔煉、粗金屬提取精煉提純?nèi)コs質(zhì)，提高金屬純度鑄造成型鑄錠、軋制、成品制備原料準(zhǔn)備：破碎和篩分篩分分級(jí)按粒度分類中碎減小至10-30mm粗碎初步破碎至100mm以下選礦技術(shù)概述選礦方法分選依據(jù)主要應(yīng)用重力選礦密度差異金、錫、鎢浮選表面性質(zhì)硫化礦磁選磁性差異鐵、錳礦電選導(dǎo)電性鈦、鋯浮選法原理及應(yīng)用表面化學(xué)處理添加藥劑改變礦物表面性質(zhì)礦漿充氣形成氣泡與疏水性礦物結(jié)合礦泡分離有用礦物隨泡沫上浮形成精礦重力選礦法基本原理利用礦物顆粒密度差異實(shí)現(xiàn)分離在重力和其他機(jī)械力作用下，輕重礦物分層主要設(shè)備搖床跳汰機(jī)螺旋溜槽離心選礦機(jī)適用礦種金礦錫礦鎢礦鉻鐵礦磁選法和靜電選礦法磁選法利用礦物磁性差異分離靜電選礦法基于礦物導(dǎo)電性差異設(shè)備類型干式磁選機(jī)、濕式磁選機(jī)、高壓靜電分離器應(yīng)用范圍鐵礦、錳礦、鈦鐵礦、金紅石、鋯英砂焙燒工藝及其目的改變物相將硫化物轉(zhuǎn)化為氧化物，便于后續(xù)熔煉去除有害元素?fù)]發(fā)砷、硫等有害成分改善物理性質(zhì)增加礦石孔隙度，提高反應(yīng)活性預(yù)熱節(jié)能減少后續(xù)熔煉能耗氧化焙燒基本反應(yīng)硫化物+氧氣→氧化物+二氧化硫MS+O?→MO+SO?工藝條件溫度：600-900℃氧氣過量充分?jǐn)嚢柙O(shè)備類型多膛焙燒爐沸騰焙燒爐回轉(zhuǎn)窯還原焙燒加熱物料預(yù)熱到反應(yīng)溫度還原反應(yīng)MO+C→M+CO溫度控制維持適宜反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間確保還原反應(yīng)完全氯化焙燒800℃典型反應(yīng)溫度確保反應(yīng)速率適宜90%金屬回收率比傳統(tǒng)方法高15-20%2-3h反應(yīng)時(shí)間根據(jù)礦石性質(zhì)可調(diào)整熔煉工藝概述加熱熔化將固體物料加熱至熔融狀態(tài)化學(xué)反應(yīng)氧化或還原反應(yīng)，分離有價(jià)金屬熔體分離利用密度差使金屬和渣相分離排放處理金屬、渣、氣體分別排出并處理高爐煉鐵原理熱風(fēng)預(yù)熱熱風(fēng)與焦炭反應(yīng)產(chǎn)生CO間接還原CO還原鐵氧化物生成海綿鐵直接還原與熔化固體碳還原剩余氧化物，鐵熔化滴下高爐結(jié)構(gòu)及操作爐頂裝料與排氣系統(tǒng)爐身還原反應(yīng)區(qū)爐腰氧化與熔化區(qū)爐底熔鐵和爐渣收集區(qū)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝裝料裝入生鐵、廢鋼和熔劑吹氧氧氣吹入氧化C、Si、Mn等元素取樣檢驗(yàn)確認(rèn)成分達(dá)標(biāo)出鋼出渣鋼水澆注成型電弧爐煉鋼電能化學(xué)能燃燒能銅的火法冶煉硫化礦焙燒部分氧化熔煉形成銅锍吹煉銅锍轉(zhuǎn)化為粗銅精煉火法或電解精煉獲得精銅鉛鋅聯(lián)合冶煉原理優(yōu)勢利用鉛鋅礦共生特性，提高綜合回收率降低能耗和環(huán)境影響工藝路線燒結(jié)-鼓風(fēng)爐流程ISP流程QSL一步法分離技術(shù)鋅優(yōu)先氧化鋅蒸餾回收鉛熔煉回收鎳的冶煉工藝選礦預(yù)處理浮選富集鎳礦焙燒硫化鎳礦轉(zhuǎn)化為氧化物熔煉形成鎳锍轉(zhuǎn)爐吹煉進(jìn)一步氧化提高鎳品位精煉電解或羰基法精煉獲得高純鎳鋁電解冶煉1氧化鋁預(yù)處理干燥、預(yù)熱至適宜溫度電解質(zhì)配制氟化鋁、冰晶石混合物電解過程陽極：C+2O2?→CO?+4e?陰極：Al3?+3e?→Al鋁液收集定期抽取鋁液進(jìn)行鑄造鎂的冶煉工藝熱還原法硅鐵還原氧化鎂電解法氯化鎂熔鹽電解卡爾法海水提取氧化鎂皮江法白云石制備鎂貴金屬的冶煉特點(diǎn)提取難度高含量低，分散度大工藝復(fù)雜多步驟，精細(xì)操作高純度要求通常需達(dá)到99.99%以上經(jīng)濟(jì)價(jià)值大即使微量回收也有顯著經(jīng)濟(jì)效益金的冶煉方法重選法利用金的高密度特性1氰化法氰化物浸出，鋅粉置換汞齊法利用汞與金的親和力火法冶金熔融精煉提純4銀的提取工藝礦石處理選礦富集銀2浸出硫代硫酸鈉或氰化物浸出置換沉淀鋅粉或活性炭吸附4熔煉精煉火法精煉獲得高純銀鉑族金屬的冶煉金屬主要來源提取方法鉑銅鎳硫化礦王水溶解-化學(xué)分離鈀銅電解陽極泥溶劑萃取-還原銠鉑礦副產(chǎn)物復(fù)雜化學(xué)分離銥鉑礦副產(chǎn)物氯化物分離-還原稀有金屬冶煉概述鈦高強(qiáng)度，耐腐蝕，航空航天材料鋯核工業(yè)關(guān)鍵材料鎢高熔點(diǎn)，硬質(zhì)合金基料鈦的冶煉工藝鈦礦選礦鈦鐵礦或金紅石富集四氯化鈦制備礦石氯化，TiO?+2Cl?+C→TiCl?+CO?鎂還原TiCl?+2Mg→Ti+2MgCl?海綿鈦處理真空蒸餾，電弧熔煉鋯和鉿的冶煉原料來源鋯英砂（ZrSiO?）鉿常作為鋯的伴生元素提取工藝堿熔法處理四氯化鋯制備鎂還原海綿鋯精煉分離技術(shù)溶劑萃取離子交換分餾精制鎢鉬冶煉工藝稀土金屬的提取物理選礦重選、浮選等方法富集稀土礦化學(xué)分解酸法或堿法分解稀土礦物分離提純?nèi)軇┹腿?、離子交換分離各稀土元素金屬還原熔鹽電解或金屬熱還原獲得單質(zhì)稀土精煉技術(shù)概述火法精煉利用氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)去除雜質(zhì)1電解精煉利用電化學(xué)原理提高金屬純度濕法精煉化學(xué)溶液處理3真空精煉低壓條件下蒸發(fā)低沸點(diǎn)雜質(zhì)火法精煉氧化精煉吹氧去除C、P、S等雜質(zhì)熔劑精煉添加熔劑形成渣相吸收雜質(zhì)氣體吹洗惰性氣體吹洗去除氫、氮等溶解氣體置換精煉添加活性元素置換雜質(zhì)電解精煉電解精煉前純度(%)電解精煉后純度(%)區(qū)域精煉原理利用雜質(zhì)在固液相中分配系數(shù)不同通過控制熔融區(qū)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)定向遷移方法區(qū)域熔融區(qū)域結(jié)晶懸浮區(qū)域熔煉應(yīng)用硅鍺稀有金屬特種鋼真空精煉10?2~10??Pa操作壓力超高真空環(huán)境1600℃典型溫度確保金屬充分熔化99.999%純度可達(dá)有效去除氣體雜質(zhì)濕法冶金：浸出過程酸浸硫酸、鹽酸等酸性溶液浸出堿浸氨水、氫氧化鈉等堿性溶液浸出加壓浸出高溫高壓條件下加速浸出反應(yīng)氧化浸出添加氧化劑促進(jìn)難溶金屬離子化濕法冶金：溶液凈化pH調(diào)節(jié)沉淀控制酸堿度選擇性沉淀雜質(zhì)2溶劑萃取利用有機(jī)萃取劑選擇性提取目標(biāo)金屬3離子交換樹脂吸附分離金屬離子濕法冶金：金屬回收置換沉淀活性金屬置換出目標(biāo)金屬電解沉積通電使金屬陽離子在陰極還原化學(xué)還原沉淀添加還原劑使金屬離子還原成金屬蒸發(fā)結(jié)晶溶液濃縮結(jié)晶成金屬鹽生物冶金技術(shù)簡介基本原理利用微生物的代謝活動(dòng)促進(jìn)金屬溶解或沉淀嗜酸硫桿菌氧化硫化礦，促進(jìn)金屬溶出主要方法生物浸出生物氧化生物吸附應(yīng)用領(lǐng)域低品位礦石處理難處理礦石冶金廢水處理冶金廢渣的處理和利用回收有價(jià)組分提取渣中殘余金屬建材利用制作水泥、磚、路基材料2填埋處理穩(wěn)定化后安全填埋化工原料制備硫酸、肥料等4冶金廢氣的治理煙塵捕集電除塵、袋式除塵脫硫處理石灰石-石膏法脫硝處理選擇性催化還原有價(jià)組分回收回收廢氣中金屬和硫等冶金廢水的處理物理處理沉淀、過濾去除懸浮物化學(xué)處理中和、絮凝、氧化還原生物處理微生物降解有機(jī)污染物高級(jí)處理膜分離、離子交換去除微量污染物節(jié)能減排技術(shù)在冶金中的應(yīng)用余熱回收利用煙氣余熱發(fā)電，預(yù)熱物料變頻調(diào)速技術(shù)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造新型燃燒技術(shù)富氧燃燒，蓄熱式燃燒資源循環(huán)利用廢渣、廢氣、廢水中有價(jià)組分回收冶金自動(dòng)化和智能化自動(dòng)化控制過程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，精確控制工業(yè)機(jī)器人危險(xiǎn)環(huán)境替代人工操作數(shù)字孿生虛擬模擬優(yōu)化工藝參數(shù)冶金過程的模擬和優(yōu)化工藝優(yōu)化最佳工藝參數(shù)確定過程模擬冶金反應(yīng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測新型冶金技術(shù)：直接還原鐵天然氣重整生成CO和H?還原氣2固態(tài)還原鐵礦石在600-1000℃被還原3冷卻處理還原鐵冷卻防止再氧化成品加工制成DRI或HBI熔融電解新工藝惰性陽極技術(shù)替代傳統(tǒng)碳陽極，降低碳排放陽極反應(yīng)：2O2?→O?+4e?濕法陰極技術(shù)鋁液自動(dòng)分離降低能耗延長槽壽命低溫電解工藝新型電解質(zhì)降低操作溫度提高電流效率冶金工藝的安全管理危險(xiǎn)識(shí)別分析工藝危險(xiǎn)點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素安全防護(hù)高溫、有毒、粉塵等防護(hù)措施操作規(guī)程制定嚴(yán)格工藝操作標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急處置突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案與演練冶金產(chǎn)品質(zhì)量控制冶金工藝的經(jīng)濟(jì)性分析原材料能源人工設(shè)備折舊環(huán)保成本冶金行業(yè)