1章 总论交出1 卢820Word格式.docx

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从现有考古资料看，伊朗是世界上最早用金属并掌握金属冶炼技术的地区，发现的小铜针、铜锥等距今已有９０００年以上历史；

我国甘肃马家窑文化遗址发现的青铜刀距今已有５０００年历史；

人类最早炼铁是在黑海南岸山区，距今已有３０００多年的历史；

我国使用铁器的历史也有２５００多年。

从使用石器、陶器进入使用金属，是人类文明的重大飞跃。

在新石器时期，人类开始使用金属，此时的制陶技术（用高温还原气氛烧制黑陶）促进了冶金的发展，冶金的发展，为人类提供了青铜、铁等金属及各种合金材料，人们用这些材料制造生活用具、生产工具和武器等，大大提高了社会生产力，极大地推动了社会的文明进步。

１．1．２　金属的分类

金属通常都具有高强度和优良的导电性、导热性、延展性。

除汞以外，金属在常温下都是以固体状态存在。

现在已知的化学元素有１１２种，其中９４种存在然界中，１８种是人造的。

存在于自然界的金属有７２种，１８种人造元素都是金属，目前发现的金属共９０种。

现代工业上习惯把金属分为黑色金属和有色金属两大类，铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金属都属于有色金属。

有色金属又分为重金属、轻金属、贵金属和稀有金属四类。

有色重金属――包括铜、铅、锌、锡、镍、钴等，它们的比重都很大，又７到１１；

有色轻金属――包括铝、镁、钙、钾、钠和钡等，它们的比重都小于５；

贵金属――金、银、铂以及铂族元素属此类，这些金属在空中不能氧化，由于它们的价值比一般金属贵而得名；

稀有金属――所谓稀有金属系指那些发现较晚、在工业上应用较迟、在自然界中分布比较分散以及在提炼方法上比较复杂的金属，大约有５０种。

稀有金属这一名称的由来，并不是这些金属元素在地壳中的含量稀少，而是历史上遗留下来的一种习惯性的概念。

事实上一些稀有金属在地壳中的含量比一般普通金属多得多。

例如，稀有金属钛在地壳中的含量占第九位，比铜、银、镍元素多。

稀有金属锆、锂、钒、铈在地壳中的含量比金属铅、锡、汞多。

当然，稀有金属中有许多种在地壳中的含量确实是很少，但含量少并不是稀有金属的共同特征。

（罗庆文）。

１．1．３　矿物、矿石、脉石和精矿的概念

矿物是地壳中具有固定化学组成和物理性质的天然化合物或自然元素。

能够为人类利用的矿物，叫做有用矿物。

含有用矿物的矿物集合体，如其中金属的含量在现代技术经济条件下能够回收加以利用时，这个矿物集合体叫做矿石。

有用矿物在地壳中的分布是不均匀的，由于地质成矿作用，它们可以富聚在一起，形成巨大的矿石堆积。

在地壳内或地表上矿石大量积聚具有开采价值的区域叫做矿床。

在矿石中，除了有用矿物之外，几乎总是含有一些废石矿物，这些矿物称为脉石，所以矿石由两部分构成，即有用矿物和脉石。

矿石有金属矿石和非金属矿石之分。

金属矿石是指在现代技术经济条件下可从其中获得金属的矿石。

而在金属矿中按金属存在的化学状态又分成自然矿石、硫化矿石、氧化矿石和混合矿石。

有用矿物是自然元素的叫做自然矿石，例如，自然金、银、铂、元素硫等；

硫化矿的特点是其中有用矿物为硫化物，例如，黄铜矿（CuFeS2）方铅矿（PbS）等；

氧化矿石中有用矿物是氧化物，例如，赤铁矿（Fe2O3）赤铜矿（Cu2O）；

混合矿石内则既有硫化矿物，又有氧化矿物。

矿石品位没有上限，越富越好，而其下限则由技术和经济因素确定。

技术和经济条件的变化，使矿石的下限品位不断改变，从前抛弃的尾矿堆，由于技术进步和国民经济日益增长的需要，今天又被重新利用，这样的事实并不少见。

矿石的品位越低，则获得每吨金属的冶炼费用就越高。

所以，为了降低冶炼费用总希望矿石品位越高越好。

各种选矿方法是提高矿石品位的手段。

经过选矿处理而获得的高品位矿石叫做精矿。

（罗庆文）

１．２　冶金的概念、方法及常见的冶金单元过程

１．２．1　冶金的概念

广义的冶金包括矿石的开采、选矿、冶炼，以及金属加工和合金加工。

狭义的冶金是指金属冶炼。

金属冶炼是指从含有金属的原料，如金属矿石、精矿或冶炼过程中间产物中提取纯金属或制取金属化合物，乃至生产合金的过程。

在习惯上又常将金属冶炼称之为冶金。

由于科学技术的进步和工业的发展，采矿、选矿、金属加工和合金加工已经各自形成独立的专门学科。

因此，通常讲的冶金，一般是指狭义的冶金。

〔１７〕

冶金过程是十分复杂的多相反应，含有气、液、固三种形态的、多种物质的相互作用。

其中具有物理变化过程（如蒸发、升华、熔化、凝固、溶解，以及热的传递、物质的扩散、流体的流动等），又伴随有化学反应过程（如焙烧、烧结、还原、氧化等）。

因此，冶金和化学一样，是改变物质分子之间及分子内部原子之间的结合状态，产生新物质的学科。

作为冶金原料的矿石（或精矿），除含有所要提取的金属矿物外，还含有伴生金属矿物以及大量无用的脉石矿物。

冶金的任务就是把所要提取的金属从成分复杂的矿物集合体中分离出来并加以提纯，这种分离和提纯过程常常不能一次完成，需要进行多次（罗庆文）。

冶金工业通常分为黑色冶金工业和有色冶金工业。

前者包括生铁、钢和铁合金（如铬铁、锰铁等）的生产；

后者包括其余所有各种金属的生产。

按照传统的观念，冶金企业主要是由原料产出合格金属锭或化合物，提供给金属加工部门或材料制造部门进一步加工成合格的材料，因而它仅是一个提供中间原料的部门。

但是随着科学技术的发展，冶金企业的生产领域得到大幅度的扩展，一方面是由于技术的发展对金属制品品种的要求越来越多样化，其结构越来越复杂化，如有的要求为形状各异的坯锭，有的为超细粉等。

这些仅靠材料加工的现有技术是难以实现的，而发挥冶金技术的优势，在冶炼过程中直接制取，则能收得事半功倍的效果；

另一方面为适应高科技发展的需要，许多以金属或其化合物为基的新材料，如能源材料、功能材料、生物材料等应运而生。

但在研制这些材料的过程中，人们发现采用发展了的冶金技术更容易保证这些材料在成分、结构、性能方面的严格要求。

例如，在制备某些复合材料时，采用湿法冶金中的共沉淀技术就能实现各组分在分子水平上的均匀混合，因此冶金技术也扩展到上述新材料的研制与开发。

另外，在冶金过程中控制适当条件，以直接得到上述合格材料，较之先制成传统的冶金产品后，再加工成有关材料而言，无论在技术上或经济上都将带来显著的效益。

综上所述，现代冶金企业已不仅是由原料制备化学成分合格的金属锭，也包括用冶金的方法在冶金过程中直接制备某些合格的材料。

〔7〕

冶金学是一门研究冶金的专门学科。

冶金学以研究金属的制取、金属和合金加工为重要内容。

就其研究的领域，冶金学主要分为提取冶金和物理冶金两门学科。

提取冶金学是研究如何从矿石中提取金属或金属化合物的学科；

物理冶金学是研究如何成型加工制备有一定性能的金属或合金材料的学科，它研究金属或合金材料的组织、结构在各种条件下的内在联系和变化规律，为有效地使用和发展特定性能的金属材料服务。

〔１３〕　　

在现代冶金中，由于矿石（或精矿）性质和成分、能源、环境保护以及技术条件等情况的不同，故冶金方法是多种多样的。

根据各种冶金方法的特点，冶金方法进行细致的划分，可分为三大类：

火法冶金、湿法冶金、电冶金。

通常，人们习惯将冶金方法进行粗略划分，划分为两大类：

火法冶金、湿法冶金。

１．２．２．１　火法冶金

是指矿石（或精矿）经预备处理、熔炼和精炼等冶金过程，在高温下发生一系列物理化学变化，使其中的金属和杂质分开，获得较纯金属的过程。

过程所需能源，主要靠燃料燃烧，个别的靠自身的反应生成热。

例如，硫化矿氧化焙烧和熔炼、金属热还原等是靠自热进行。

〔１３〕

１．２．２．２　湿法冶金

在低温下（一般低于１００℃，现代湿法冶金研发的高温高压过程，其温度可达２００℃～３００℃）用熔剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，通过液固分离等制得含金属的净化液，然后再从净化液中将金属提取和分离出来。

主要过程有：

浸出、净化、金属制取（用电解、电积、置换等方法制取金属），这些过程均在低温溶液中进行。

１．２．２．３　电冶金

电冶金是利用电能来提取、精炼金属的方法。

按电能转换形式不同可分为两类：

电热冶金和电化冶金：

１．电热冶金：

是利用电能转变为热能，在高温下提炼金属。

电热冶金与火法冶金类似，其不同的地方是电热冶金的热能又电能转换而来，火法冶金则以燃料燃烧产生高温热源。

但两者的物理化学反应过程是差不多的。

所以，电热冶金可列入火法冶金一类中。

２．电化冶金：

是利用电化学反应，使金属从含金属盐类的溶液或熔体中析出。

电化冶金分为水溶液电化冶金和熔盐电化冶金两类：

（１）水溶液电化冶金（也称水溶液电解精炼或水溶液电积粗炼）：

如果在低温水溶液中进行电化作用，使金属从含金属盐类的溶中析出的（如铅电解精炼、锌电积），称为水溶液电化冶金。

它是在低温溶液中进行物理化学反应的、典型的湿法冶金，亦可列入湿法冶金之中。

（２）熔盐电化冶金（也称熔盐电解）：

如果在高温熔融体中进行电化作用，使金属从含金属盐类的熔体中析出的（如铝电解），称为熔盐电化冶金。

它不仅利用电能转变为电化反应，而且也利用电能转变为热能，借以加热金属盐类成为熔体。

在高温熔融状态下进行物理化学反应是火法冶金的主要特征，因此，熔盐电化冶金也可列入火法冶金一类中。

１．２．３　冶金生产中常见的单元过程

１．２．３．１　现代冶金生产工艺流程

火法冶金生产中常见的单元过程有：

原料准备（破碎、磨制、筛分、配料等）、原料炼前处理（干燥、煅烧、焙烧、烧结、造球或制球团）、熔炼（氧化、还原、造锍、卤化等）、吹炼、蒸馏、熔盐电解、火法精炼等过程。

湿法冶金生产中常见的单元过程有：

原料准备（破碎、磨制、筛分、配料等）、原料预处理（干燥、煅烧、焙烧）、浸出或溶出、净化、沉降、浓缩、过滤、洗涤、水溶液电解或水溶液电解沉积等过程。

图１－１、图１－２、图１－３、图1-4分别是钢铁冶金、硫化铜矿冶炼、湿法炼锌、金属铝生产的流程简图。

图１－１钢铁冶金流程　图１－２　硫化铜矿冶炼流程图1-3湿法炼锌流程

图１－４　金属铝生产流程简图

从图可以看出：

１、根据各种金属生产的要求和需要，对上述各种冶金单元过程进行选择、组合、串联（或并联），就形成了各种金属的、各种不同的生产工艺流程。

２、在现代金属生产的工艺流程中，最常见的是火法与湿法联用混用，采用纯火法和纯湿法的生产工艺流程越来越少见。

生产实际中，往往火法冶金生产工艺流程中有湿法过程，湿法冶金生产工艺流程中有火法过程。

例如，硫化铜精矿火法冶炼生产工艺流程中，有湿法的电解精炼过程；

湿法炼锌生产工艺流程中，有火法的硫化锌精矿氧化焙烧。

因为火法冶金和湿法冶金各有优缺点，相互之间可以互补。

火法冶金具有生产率高、流程短、设备简单及投资省的优点，但有不利于处理成分结构复杂的矿石或贫矿的缺点。

湿法冶金具有弥补火法冶金上述缺陷的优点，但有流程长、占地面积大、设备设施需要耐酸或耐碱材料及投资大等缺点。

由上述可知，冶金过程很复杂，本书不可能对各种过程一一列举，仅就最常用的冶金单元过程作简要说明。

１、煅烧：

把物料加热到低于熔点的一定温度，使其除去所含结晶水、二氧化碳或三氧化硫等挥发性物质。

如煅烧石灰石，除去二氧化碳而生成生灰石；

煅烧氢氧化铝，除去附着水和结晶水而生成氧化铝。

２、焙烧：

焙烧是指在一定的气氛中，将矿石（或精矿或冶炼过程的伴生物）加热至低于它们熔点温度，发生氧化、还原或其它物理化学变化的过程。

其目的是改变原料的化学组成等，满足熔炼过程的要求。

按焙烧过程控制气氛的不同，可分为氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。

３、烧结：

就是将各种粉状矿石或精矿，配入适量的燃料和熔剂等，加入适量的水，经混合后在烧结机设备上进行烧结的过程。

在此过程中借助燃料燃烧产生的高温，物料发生一系列的物理化学变化，并产生一定数量的液相。

当冷却时，液相将矿粉颗粒粘结成块，即烧结矿。

〔１４〕

４、造球或制团：

是把润湿的粉状矿石或精矿、少量的添加剂（熔剂、燃料）等混合后，用挤压或滚动的方法，滚压成园球，再经过干燥和焙烧，使生球固结成为适合冶炼要求的球团矿的过程。

５、熔炼：

是将处理好的矿石或其它原料，与造渣剂一起进行高温熔化，使物料中的各组分发生一系列物理化学变化，结果得到两种以上互不相溶的熔体产物――粗金属（或锍）与炉渣，由于它们的密度不同而分层，达到金属与杂质相互分离的目的。

按照熔炼条件不同，熔炼可分为还原熔炼、氧化熔炼（吹炼）、造锍熔炼、氯化熔炼、蒸馏等。

６、造锍熔炼（冰铜和冰镍的熔炼）：

用硫化矿火法冶金提取粗铜、粗镍时，由于矿石品位较低，需要先经过在高温下的富集熔炼――即造锍熔炼，产出两种互不相溶的液相――铜锍和炉渣，使铜与部分铁及其它脉石等分离。

熔炼中，铜、未氧化的铁和其它贵金属富集在铜锍中，被氧化的铁和脉石（SiO2、CaO）等形成炉渣。

〔６〕〔１６〕

铜锍是多种组分的共熔体，它以Ｃｕ2Ｓ、ＦｅＳ为主要成分，并溶有少量其它金属硫化物和氧化铁（ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４），还富集着Ａｕ、Ａｇ等贵金属。

炉渣是以２ＦｅＯ∙SiO2（铁橄榄石）为主的氧化物熔体。

７、锍的吹炼：

锍的吹炼的实质是氧化熔炼，就是在吹炼炉中吹入空气，将造锍熔炼所得到的锍熔体置入炉中，鼓入空气（或富氧空气）高温吹炼。

借助空气中的氧，使锍中的铁、硫和其它杂质元素氧化造渣或挥发，从而与主体金属（铜或镍）分离，进而制得粗金属（粗铜或粗镍）。

８、炼钢吹炼：

在高温下，直接向熔池吹入高速氧流，使生铁水中的碳、硅、锰、磷、硫氧化造渣除去，进而达到所炼钢号规定的质量标准要求，并利用铁水的物理热和元素氧化放出的热量获得熔炼所需的高温，是无需外部热源的一种炼钢方法。

炼钢吹炼的方法可分为顶吹法、底吹法、顶底复合吹炼法、侧吹法、顶底侧复合吹炼法五种。

９、氯化熔炼：

所谓氯化熔炼就是将矿石（或冶金半成品）与氯化剂混合，在一定条件下发生化学反应，使金属转变为氯化物再进一步将金属提取出来的方法。

氯化熔炼主要包括氯化、氯化物的分离、从纯氯化物中提取金属等三个基本过程。

金属氯化物与相应金属的其它化合物比较，它们大都具有：

低熔点、高挥发性、易溶于水及其它溶剂、易被还原等性质，而且它们生成各种氯化物的难易程度不同，性质差异也十分明显，所有这些都是氯化法提取金属的有利条件。

尽管氯化熔炼具有许多独特的优越性，但由于氯气对设备的腐蚀这一致命弱点，使得这种方法的使用和发展受到了限制。

现代化学工业的发展，提供了丰富而价廉的氯化剂（Cl2、HCl、NaCl、CaCl2等），并且出现了钛、锆以及某些塑料耐腐蚀新材料。

这些技术的发展促进了氯化熔炼的推广和发展。

１０、蒸馏或精馏：

利用在某一温度下各种物质挥发度不同的特点，通过间接加热，使冶炼物料中易挥发组分挥发，难挥发组分不挥发，进而达到所要提炼金属与杂质分离的方法。

１１、火法精炼火法精炼是进一步处理熔炼所得含有少量杂质的粗金属，以提高其纯度。

例如，生铁通过氧化精炼成钢。

１２、浸出：

用适当的熔剂处理矿石或精矿，使要提取的金属成某种离子（阳离子或络阴离子）形态进入溶液，而脉石及其它杂质则不溶解，这样的过程叫浸出。

浸出后经沉清和过滤，得到含金属（离子）的浸出液和由脉石矿物组成的不容残渣（浸出渣）。

〔１５〕

１３、净化：

在浸出过程中，常常有部分金属或非金属杂质与被提取的金属一道进入溶液，从溶液中除去这些杂质的过程叫做净化。

由于溶液中各种元素的性质不同，采用的净化方法也不同，这样就不能试图采用一种一次方法将所有杂质除去，而是采用不同方法，多次才能完成。

一般常用的净化方法有：

离子沉淀法、置换沉淀法和共沉淀法等。

１４、水溶液电解质电解提取金属：

有水溶液电解沉积和水溶液电解精炼两种。

采用不溶性阳极进行电解，并从浸出（或经净化）的溶液中提取金属的电解，叫做水溶液电解沉积（简称电积）；

采用可溶性阳极进行电解，并从粗金属或其他冶炼中间产物（如合金、锍等）中提取金属的电解，称为水溶液电解精炼。

电解时，在阴极上主要发生金属阳离子还原析出金属的反应；

在可溶性阳极上（电解沉积），主要发生阳极中的金属氧化溶解变为离子进入溶液的反应；

在不可溶性阳极上（电解精炼），主要发生电解质溶液中阴离子在阳极上失去电子的氧化反应，例如：

2OH－1―2e===H2O+1/2O2、2Cl－1―2e===Cl2

１５、熔盐电解：

是用熔融盐作为电解质的电解过程。

熔盐电解主要是用于提取轻金属，如铝，镁等。

这是由于这些金属的化学活性很大，电解这些金属的水溶液，得不到金属。

为了使固态电解质成为熔融体，所以过程是在高温条件下进行的。

１．３　冶金原理的概念和研究的对象、范围、方法、内容及学习的目的

１．３．１　冶金原理的概念

冶金实质上是就是通过产生和控制一系列复杂的物理化学变化来提取所需金属的过程。

因此，冶金原理就是应用物理化学等的理论、知识和方法去分析、研究冶金过程产生和控制的原理的一门科学，它归纳、总结和揭示了冶金物料中各种反应物和生成物等在冶炼过程中所遵循的、具有普遍意义或具有典型意义的物理化学规律。

所以，有人把冶金原理也称之为冶金过程物理化学。

〔１１〕

１．３．２　冶金原理研究的对象、范围

冶金原理的研究对象是冶金过程中的物理化学变化。

其研究范围包括从矿石转变成金属或其化合物产品过程中的所有物理化学变化，即涵盖了火法冶金、湿法冶金和电冶金过程中的的所有物理化学变化。

１．３．３　冶金原理研究的方法和内容

冶金原理研究的方法：

主要是借助物理化学的化学热力学、化学动力学和物质结构理论，研究冶金反应的方向、限度和速度，研究冶金熔体的相平衡、结构、性质和对冶金过程的影响。

冶金原理研究的内容可概括为四部分：

第一，利用化学热力学理论，分析、研究和判断冶金反应进行的方向。

１、判断标准状态下冶金反应向进行的方向。

方法是借助有关手册中的热力学数据，计算冶金化学反应在标准状态下进行的吉布斯自由能变化，从而判断冶金反应在标准状态下进行的方向；

２、判断给定条件下冶金反应进行的方向。

这要根据反应过程所处的实际情况，对参与反应的物质的温度和活度进行相应的校正，计算冶金化学反应在实际情况下进行的吉布斯自由能变化，从而判断冶金反应在给定条件下进行的方向。

这需要知道参与反应的物质的热力学函数和活度系数与温度变化的关系。

现在的情况是，往往由于数据缺乏而大大地限制了计算的可能性。

第二，利用化学热力学理论，计算反应的平衡常数，并用平衡常数确定冶金反应的限度（回答：

反应进行到何种程度达到平衡？

反应达到平衡的条件？

在该条件下反应物能达到的最大产出率？

控制冶金反应过程的合理参数，如：

温度、压力、浓度及添加剂。

确定参与反应的各种物质的最终数量）。

第三，利用化学动力学理论，研究冶金过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得出控制或提高反应的速率，缩短冶炼时间，增加生产率的途径。

第四，利用物质结构理论，研究冶金熔体的相平衡、结构及其物理化学性质。

冶金熔体是火法冶金反应的直接参加者，包括金属互溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍等。

熔体的组分是反应的直接参加者，冶金熔体的组成、结构和性质决定和控制着冶金过程的各项技术经济指标，对冶金过程起着十分重要的影响。

１．３．４　学习冶金原理的目的

冶金原理是多种学科应用的结合，但物理化学知识是基础，工程技术知识是其实现的手段。

学习冶金原理这门课的主要目的是：

第一，通过学习，提高学习者掌握冶金的基本知识、基本规律和基本理论，为学习者进一步深入学习冶金学等冶金专业课程奠定必要的理论基础；

第二，为学生毕业后根据工作需要进一步自学打下良好基础，起到提高学生自学冶金知识的能力；

第三，为从事冶金生产和科研实践的技术人员，有效控制现有生产工艺、改造旧工艺、发展新工艺、提高产品质量、改善技术经济指标、扩大产品品种、增加产品产量等提供理论指导和技术帮助。