1.火法冶金

利用高温加热从矿石中提取金属或其化合物的方法称为火法冶金。其技术原理是将矿石或原材料加热到熔点以上,使之熔化为液态,经过与熔剂的冶炼及物理化学反应再冷凝为固体而提取金属原材料,并通过对原料精炼达到提纯及合金化,以制备高质量的锭坯。火法冶金是金属材料最重要的传统制备方法。钢铁及大多数有色金属(铝、铜、镍、铅、锌等)材料主要靠火法冶金方法生产。火法冶金存在的主要问题是污染环境。但是,用火法冶金方法提取金属,不仅效率高且成本较低,所以,火法冶金至今仍是生产金属材料的主要方法。

(1)火法冶金的基本过程

利用火法冶金提取金属或其化合物时通常包括矿石准备、冶炼和精炼3个过程。

①矿石准备。因采掘的矿石含有大量无用的脉石,所以需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。选矿后还需要对矿石进行焙烧、球化或烧结等工序处理使适合冶炼。

②冶炼。将处理好的矿石在高温下用气体或固体还原剂还原出金属单体的过程称为冶炼。金属冶炼所采用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属等。以金属热还原法为例,用Ca,Mg,Al,Na等化学性质活泼的金属,可以还原出一些其他金属的化合物。例如,利用Al可以从Cr2O3中还原出金属Cr：

同样,利用Mg可以从TiCl4中还原出金属Ti：

③精炼。冶炼所得到的金属较为粗糙,通常含有各种杂质,需要进一步处理以去除杂质元素。这种对冶炼制取的粗金属原料进行提高纯度及合金化的处理过程称为精炼。

(2)火法冶金的主要方法

火法冶金的主要方法有提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金和真空冶金等。

①提炼冶金。提炼冶金是指由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造锭、精炼等单元过程所构成的冶金方法。它是火法冶金中应用最广泛的方法。

②氯化冶金。通过氯化物提取金属的方法称为氯化冶金。氯化冶金主要依靠不同金属氯化物的物理化学性质来有效实现金属的分离、提取和精炼。轻金属和稀有金属的提取多采用火法氯化冶金。

③喷射冶金。利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的冶金过程称为喷射冶金。喷射冶金是20世纪70年代由钢包中喷粉精炼发展起来的新工艺。

④真空冶金。在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼、重熔、铸造等冶金单元操作的方法称为真空冶金。真空冶金是提高金属材料制备质量的重要生产方法。

2.湿法冶金

湿法冶金是指利用一些溶剂的化学作用,在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应,对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。湿法冶金包括浸取、固-液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等4个过程。

(1)浸取

浸取是选择性溶解的过程。通过选择合适的溶剂使经过处理的矿石中包含的一种或几种有价值的金属有选择性地溶解到溶液中,从而与其他不溶物质分离。根据所用的浸取液的不同,可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等方法。

(2)固-液分离

固-液分离过程包括过滤、洗涤及离心分离等操作。在固-液分离的过程中,一方面要将浸取的溶液与残渣分离,另一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子洗涤回收。

(3)溶液的富集

富集是对浸取溶液的净化和富集过程。富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取和膜分离等。

(4)提取金属或化合物

在金属材料的生产中,常采用电解、化学置换和加压氢还原等方法来提取金属或化合物。例如,用电解法从净化液中提取Au,Ag,Cu,Zn,Ni,Co等纯金属,而Al,W,Mo,V等多以含氧酸的形式存在于净化液中,一般先析出其氧化物,然后用氢还原或熔盐电解法提取金属单体。

许多金属或化合物都可以用湿法冶金方法生产。这种冶金方法在有色金属、稀有金属及贵金属等生产中占有重要地位。目前,世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74%的锌、12%的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的。湿法冶金的最大优点是对环境的污染较小,并能够处理低品位的矿石。(www.daowen.com)

3.电冶金

利用电能从矿石或其他原料中提取、回收或精炼金属的冶金过程称为电冶金。电冶金包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解等方法。

(1)电热熔炼

电热熔炼是利用电能转变为热能,在电炉内进行提取或熔炼金属的电冶金方法。和一般火法冶金相比,电热冶金具有加热速度快、调温准确、温度高(可到2273K)、可以在各种气氛、各种压力或真空中作业,以及金属烧损较少等优点,成为许多金属冶炼的一种主要方法。但是电热冶金消耗电能较多,只有在电源充足的条件下才能发挥它的优势。

电热熔炼工艺按电能转变为热能的方法,即加热方法的不同可分为电弧熔炼、电阻熔炼、感应熔炼、等离子体冶金和电磁冶金等技术。

①电阻熔炼。指利用电流通过电阻所产生的热来熔炼金属的电热冶金方法,常用于低熔点金属的熔炼,如金属锡、铅、轴瓦合金、锌以及熔点在773K以下的合金,所用熔炼炉的结构简单,还用于铝、镁及它们的合金的熔炼。电渣熔炼也是一种重要的电阻熔炼方法,此外,工业上也常采用以石墨棒作电阻的间接加热式电阻熔炼法。

②电弧熔炼。是一种利用电极与金属炉料产生的高温电弧放热使金属熔化的电热冶金方法。工业电弧炉主要有三相电弧炉和真空自耗电弧炉,用来熔炼各种高级合金钢和钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼和高熔点金属及其合金。

③等离子冶金。利用由电能转变为等离子体的能量来熔炼金属的电热冶金方法。等离子弧有非常高的能量密度,可实现超高温冶金及方便地控制气氛。目前工业应用的等离子电炉都采用转移弧式或中空阴极式等离子枪。等离子体冶金用来熔炼钨、钼、钽、铌、钛、锆等高熔点金属和活泼金属,也用来熔炼高级合金钢等。无论是在大规模熔炼铁合金或有色金属、快速加热钢液或高炉风口方面,还是在惰性气氛下重熔或熔铸金属方面,都有广阔的发展前景。

④电磁冶金。利用电磁感应在金属熔体内产生可控流动的冶金过程。如利用电磁力对钢包和连铸坯的钢液进行搅拌以改善钢的质量,又发展悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、电磁铸造等。电磁冶金对防止耐火材料污染、熔炼难熔及活泼金属具有重要作用。

(2)水溶液电解

在电冶金中,应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解,而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解,如图2-1所示。

图2-1　电解精炼和电解提取示意图

①电解精炼。以铜的电解精炼为例,将火法精炼制得的铜板作为阳极,以电解产出的薄铜片作为阴极,置放于充满电解液的电解槽中。在两极间通以低电压大电流的直流电。这时,阳极将发生电化学溶解：

阳极反应使得电解液中Cu2+浓度增大,由于其电极电位大于零,故纯铜在阴极上沉积：

阳极被精炼的铜中所含有的比铜电极电位高的稀贵金属和杂质将以粒子形式落入电解槽底部或附于阳极形成阳极泥,比铜电极电位低的杂质元素以离子形态留在电解液中。

生产中,金、银、铜、钴和镍等金属大都采用这种电解方法进行精炼。

②电解提取。电解提取是从富集后的浸取液中提取金属或化合物的过程。这种方法采用不溶性电极,溶剂可以经过再生后重复使用。

(3)熔盐电解

铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解,必须选用具有高电导率和低熔点的熔盐(通常为几种卤化物的混合物)作为电解质在熔盐中进行电解。熔盐电解时,阴极反应是金属离子的还原：

通常用碳作为阳极。例如电解MgCl2时,阳极的反应如下：

Al2O3在冰晶石中电解时,阳极将生成CO2：