金屬礦物的加工技術(shù)

金屬礦物是提取金屬元素的主要原料。作為冶金原料的礦石，其中除含有所要提取的金屬外，還含有大量雜質(zhì)組分。冶金過程就是通過特定的加工工藝將有用組分與廢棄組分分離的過程。目前，常用的冶金工藝有火法冶金和濕法冶金兩種。前者是在高溫條件下進行的熔煉過程，主要用于鋼鐵、銅、鉛等的冶煉；后者則是在溶液中進行的冶煉過程，主要用于稀有金屬、貴金屬以及鋁、鎳、鈷的提取、富集和分離。1.鐵（鋼）的火法冶煉目前，作為煉鐵原料的鐵礦石主要有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦4種。鐵的冶煉過程主要發(fā)生鐵的還原反應和造渣反應。鐵氧化物的還原是從高價氧化物到低價氧化物，最后到金屬鐵的逐級還原。溫度低于570℃時，按Fe2O3→Fe3O4→Fe順序還原。FeO不穩(wěn)定，F(xiàn)e3O4直接還原為Fe。溫度高于570℃時，按Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe順序還原。鐵的還原既可直接以CO為還原劑，也可以通過消耗固體炭生成CO實現(xiàn)還原。造渣過程是一個復雜的化學反應過程，是熔劑（主要為石灰石）與礦石中脈石和焦炭中灰分反應生成一種多氧化物熔體的中和反應。造渣過程可以實現(xiàn)還原出來的鐵與雜質(zhì)（SiO2，Al2O3，CaO，MgO等）的有效分離。鋼是以鐵為基的合金。鋼和鐵的成分差異在于，前者含碳量小于2.11%，后者含碳量大于2.11%。煉鋼過程是一個復雜的氧化和還原過程，是通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質(zhì)，再根據(jù)對鋼的成分和性能要求添加適量的合金元素，煉出具有較高強度和塑性韌性或具有特殊性能鋼的過程，其關鍵是清除鋼水中的雜質(zhì)，其中最主要的因素是造渣和除渣。生鐵中的雜質(zhì)在高溫下與氧具有較強的親和力。煉鋼過程中，利用氧化的方法向熔池供氧，用氧將其中的雜質(zhì)氧化形成液體、固體或氣體氧化物，這些氧化物又與加入的熔劑作用而形成爐渣并被排除。上述過程中，雜質(zhì)被氧化并被排除了，但也使鋼液中含有較多的FeO。因此，在煉鋼過程的后期，通常加入脫氧劑（如硅鐵、錳鐵和鋁等），使它們從FeO奪取氧而達到脫氧的目的。2.銅的火法冶煉銅的冶煉主要有火法冶煉和濕法冶煉兩種，前者約占銅生產(chǎn)量的90%。目前，作為煉銅的原料礦物主要為硫化物礦物（習稱硫化礦），如：黃銅礦（CuFeS2），斑銅礦（Cu5FeS4），輝銅礦（Cu2S），銅藍（CuS）。其次為碳酸鹽、硅酸鹽和氧化物礦物（習稱氧化礦），如：孔雀石Cu2［CO3］（OH）2，藍銅礦Cu3［CO3］2（OH）2，硅孔雀石（Cu，Al）2H2［Si2O5］（OH）4·nH2O），赤銅礦（Cu2O）。少量來自自然銅?；鸱掋~主要使用硫化礦。該工藝是在高溫下使銅礦石先熔成冰銅（主要是由Cu2S和FeS組成的合金），再將其吹成粗銅。在冶煉爐中部700～1000℃區(qū)域內(nèi)，對于硫化銅礦而言，氧與鐵的親和力比氧與銅的親和力強，故氧先與鐵化合成氧化亞鐵（FeO），F(xiàn)eO又與熔劑作用生成熔渣被除去。在冶煉爐下部1000～1400℃區(qū)域內(nèi)，沒有反應的FeS與Cu2S結(jié)合生成冰銅。在吹煉的第一階段，熔融的冰銅再與熔劑混合進行吹煉，硫化鐵強烈氧化，生成氧化亞鐵和二氧化硫，氧化亞鐵和熔劑生成熔渣并被排除，得到的產(chǎn)物為純的硫化亞銅（白冰銅）。在吹煉的第二階段，硫化亞銅氧化生成氧化亞銅，它再與未經(jīng)氧化的硫化亞銅反應生成粗銅（含銅量為98.5%～99.5%）。3.銅的濕法冶煉濕法煉銅是用溶劑浸泡礦石使銅進入溶液，然后從含銅的溶液回收銅。這種方法主要用于處理氧化礦石或低品位的氧化物或硫化礦尾礦。濕法煉銅常用的溶劑有硫酸、碳酸氨、硫酸高鐵溶液等。進入溶液中的銅可采用如下方法進行萃?。弘姺e法（在不溶陽極和銅陰極之間加直流電壓，在陰極產(chǎn)生金屬銅）；鐵置換法（CuSO4+Fe=FeSO4+Cu）；溶劑萃取法（先使銅進入不相容的有機相，再從有機相中反萃銅）；蒸餾法［2Cu2（NH3）4CO3+O2=4CuO+8NH3+2CO2］。4.拜爾法生產(chǎn)氧化鋁從鋁土礦制取氧化鋁的方法很多，但拜爾法是占絕對優(yōu)勢的一種方法，目前全世界90%的氧化鋁是由拜爾法生產(chǎn)的。鋁土礦（鋁礬土）是煉鋁的最主要原料，其主要化學組成為Al2O3（50%～70%），其他組分主要為Fe2O3，SiO2，TiO2。礦物組成以三水鋁石（Al2O3·3H2O），一水軟鋁石（γ-Al2O3·H2O），一水硬鋁石（a-Al2O3·H2O）和高嶺石為主。拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程如圖25-2所示。圖25-2 拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程圖（據(jù)李洪桂等，2002）氧化鋁再經(jīng)過冰晶石-氧化鋁熔融鹽電解法制成金屬鋁。電解過程在電解槽內(nèi)進行，直流電經(jīng)過電解質(zhì)使氧化鋁分解。電解產(chǎn)物，在陰極上是液體鋁，在陽極上是氧。鋁溶液再經(jīng)進一步處理可得到純度達99.5%～99.7%的金屬鋁。
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