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直流电弧炉、直流矿热炉研发设计

冶金工艺实验、贵金属富集工艺实验

火法冶金工艺

火法冶金工艺

      火法冶金是在高温下从冶金原料提取或精炼有色金属的科学和技术。为温度在700K以上的有色金属冶金的总称。有色金属火法冶炼一般包括炉料准备、熔炼吹炼和精炼三大过程。过程中的产物除金属或金属化合物之外,还有炉渣、烟气和烟尘。烟气由高温的粉尘、烟雾及气体组成,通过对烟气处理和烟尘综合利用来回收其中的热量、有价组分以及把对环境有害的气体转化为有用产品。为维持有色金属火法冶金过程中所需的温度和获得更好的冶炼效果,需通过各种途径供热以达到火法冶金热平衡及物料平衡的计算。
火法冶金的基本条件是维持一定的高温所需的热源,除了冶金本身为放热反应外,主要靠碳质燃料燃烧供热(碳质燃料有煤、焦、天然气和石油产品),燃料燃烧大都用空气供风,由于空气中含有79%(体积)的氮气,燃料燃烧放出的热大量被氮气带走,使燃料的热效率大大降低。为了提高燃料热效率和减少烟气体积,相继出现了富氧和纯氧的熔炼工艺。为了充分利用烟气带走的热,除了设置余热锅炉生产蒸气和发电,也用来预热空气,从而出现热风熔炼工艺。为了充分利用硫化精矿以及粉状物料大比表面积而发展各种新的冶炼工艺,如闪速、旋涡、熔池熔炼等。
      火法冶金的每一过程都很复杂。由于在高温下进行的反应容易达到平衡,加之原料化学成分及矿相组成变化大,因此反应过程机理是很难进行研究的。至今尚未找到能解释各种火法冶金现象的动力学规律,大都求助于热力学原理来解决生产中的问题。如Me-S-O系化学势图,或者Me-Me'-S-O-SiO2五元系化学势图,甚至多元重叠系的化学势图,Me-e-O系化学势图以及各种二元系、三元系甚至四元系相图等,便成为普遍用于解决火法冶金有关问题的热力学基础。由于火法冶金过程的温度在700 K以上,各种化学反应进行都很迅速,许多过程都是在几秒钟内完成。因此,化学反应是趋近平衡的,应用热力学基础理论来解释各种生产现象较为合理和可靠。
       参与火法冶金过程的物质有固体、气体和熔体,如固体精矿、熔剂、燃料,空气、工业氧、熔体锍、熔剂和炉渣等。火法冶金过程产物亦然,如固体的焙砂、烟尘、 SO2,烟气CO2,燃烧气体、熔体金属、锍和炉渣等。火法冶金过程发生的高温化学反应相当复杂,主要的反应类型有:气-固相,气-液相,固-液相,液-液相,固-固相反应,冶金以及气-液-固三相之间的反应。火法冶金过程的工艺一般包括原料准备、焙烧、熔炼(吹炼)和精炼四大过程。

一、原料准备
       将精矿或矿石、熔剂和烟尘等按冶炼要求配制成具有一定化学组成和物理性质的炉料过程,为现代火法冶金流程的重要组成部分。炉料准备一般包括贮存、配料、混合、干燥、制粒、制团、焙烧和煅烧等。除焙烧和锻烧使炉料发生化学变化外,其他过程一般只发生物理变化。有的火法工艺并不要求制粒(制团)或焙烧,精矿可以直接冶炼。
       由精矿、返料、烟尘、熔剂等组成的炉料,其物理状态、化学成分、含水量及数量,不一定能满足冶炼工艺的要求,为保证正常生产,就需要贮存足够长时间使用的原料和熔剂,贮存的量是一个重要的经济技术指标,贮存量的多少与处理工艺、工作测试、规模有关。冶炼厂常处理多个矿山或选厂的矿石及精矿,必须进行配料,将各种精矿按一定的比例混合使用,并混合成化学成分和物理性质比较一致的原料。进厂的精矿一般含水8-15%,而炼前的炉料准备,冶炼过程及烟尘处理都要求精矿含水较低且需经过干燥处理。某些原料,作为某一冶炼过程来说,其粒度可能太细,要配入胶粘剂制粒,或其透气性不够好,必须配入胶粘剂制团。氧化物常比硫化物更易于还原,金属的硫酸盐、氯化物或氧化物更易从原料中浸出,因而常要通过焙烧与缎烧的化学方法,将原料中的矿物转变成所需要的形式。对于某一具体原料而言,究竟需要经过哪些准备过程,则视原料本身情况和冶炼工艺要求而定。

二、配料和混合
      配料是根据冶炼要求将所需的各种物料按一定数量比进行配合和混合的过程,为炉料准备的一道作业,常用的有干式配料和湿式配料。
干式配料有仓式配料和堆式配料两种。仓式配料是将各种物料分别装人配料仓中,通过给料、称量装置,按质量比例配合在一起。仓式配料易于调整配料比例,不受粒度限制,为工厂所广泛采用;堆式配料是将不同物料按一定比例沿水平方向分层铺成料堆再沿垂直方向切割的配料方法。堆式配料多用于各种精矿的配合,将各种精矿按比例分层铺成料堆,成分比较稳定。但由于堆式配料不能配入粒度相差较大的物料,因此采用堆式配料时常要有仓式配料作辅助。

       湿式配料是将各种料以矿浆形式配合,根据冶炼工艺要求,混合浆可直接或经干燥后送人下一道作业。湿式配料多用于需将磨细的熔剂配入精矿的冶炼作业,或用于流态化炉使用湿式进料的冶炼厂。为使配合料的成分均匀。配好的料再在圆筒内混合机式、轮式混合机内进行充分混合。


三、干燥
      干燥是脱去物料中物理水的过程,是炉料准备的组成部分。有时也伴随发生一些化学作用。一般进厂精矿含水量都高于炉料、冶炼及烟气处理等所允许的含水量,因而需要经过干燥处理。常用的干燥方法有圆筒干燥法和气流干燥法。圆筒干燥法是把待干燥的物料加入到回转的圆筒干燥窑中,使与燃烧室所产生的高温热气流相接触,使水蒸发而达到干燥的目的。气流干燥是将待干燥的物料装人鼠笼破碎机中,通人高温热气流,使物料再粉碎分散,呈悬浮状态直接与高温热气流接触,在数秒内得到干燥。
       球团炉料通常在矿仓内用热气流干燥,也有在链板干燥机和带式干燥机上进行干燥的。链板干燥机结构简单,干燥温度一般在473-573K。带式干燥机的温度高些,既可以干燥脱水,也可进行一定程度的焙烧。
       精矿干燥可根据其含水量及所要求的干燥程度,采用一段、两段和三段干燥工艺流程。如精矿含水6%-8%时,常用圆筒干燥窑的一段干燥。精矿含水少于8%及要求炉料含水低时,可采用鼠笼破碎机和气流干燥管两段干燥流程。精矿含水超过8%又要求炉料含水低时,一般宜采用圆筒干燥窑进行预干燥,然后经鼠笼破碎机松散和气流干燥管三段干燥流程。

四、制粒
      由于工艺的要求,某些原料的粒度太细,需要加入胶粘剂制成粒。制粒是将松散物料或粉料配入适当胶粘剂和水分,在制粒机中通过转动逐渐成为坚固球体的过程。由于物料颗粒间存在水分的毛细管现象而形成水膜,水膜的表面张力使颗粒相互吸附,再配合机械力的作用而生成母球,母球经长大、滚密而成为有一定机械强度的生球粒。制粒机有圆筒形和圆盘形两种。
圆筒形制粒机是一稍有倾斜的圆筒,粉料从筒的一端加入,在进料端的适当位置加入水分和胶粘剂,粉料在圆筒中边滚动边长大,完成制粒,从另一端排出生球粒。这种方法虽然有设备简单、操作方便的特点,但产出的生球粒大小不一,强度较差。

       圆盘形制粒机是一个有倾角的浅底型旋转圆盘,装入的物料受旋转圆盘所驱动,在重复旋涡状运动中逐渐长大,完成造球过程。容易转动的长大的生球团移向上层,以相当于供料量的数量从圆盘边缘溢流排出。由于圆盘有分级作用,因而能产出粒度较均匀的生球团粒。制粒常用的胶粘剂有皂土、消石灰及造纸废液等。

五、制团

       制团是为提高竖式炉如鼓风炉、竖缸、直井炉等炉内料柱的透气性和改善炉料冶炼性能而设计的一道作业。它是将松散粉状炉料在加或不加胶粘剂的情况下压制成有一定几何形状团块的过程。

       制团方法分热压制团和冷压制团两种。热压制团是将常温粉煤等直接与高温的焙烧矿混合,将煤加热到充分软化,并析出一定数量的胶质体后加压成形。此法流程简单,热利用率高,不需胶粘剂,但团矿质量往往不如冷压制团法的好。冷压制团是在常温下将原料、煤粉、胶粘剂等经混合、碾磨、压密,最后压制成团。碾磨的目的是使混合料紧密而带有塑性。碾磨的好坏影响到制团的成形率和团矿的强度,一般碾磨3次即可;压密的作用是将碾磨料压成小团,提高碾磨料的强度;压团是将经过压密的碾磨料在压团机内加压成形。


六、焙烧

       焙烧是指在低于物料熔化温度下完成的某种化学反应的过程,为炉料准备的重要组成部分。焙烧大多为下步的熔炼或浸出等主要冶炼作业做准备。根据工艺的目的,焙烧大致可以分为:氧化焙烧、盐化焙烧、还原焙烧、挥发焙烧、烧结焙烧,其中的盐化焙烧包括硫酸化焙烧和氯化焙烧,磁化焙烧属还原焙烧。按物料在焙烧过程中的运动状态,分为固定床焙烧、移动床焙烧、流态化焙烧、飘浮焙烧。

七、氧化焙烧
      氧化焙烧是用氧化剂使物料中的金属化合物转变为氧化物的工艺过程。目的是为了获得氧化物以利下一步熔炼制取粗金属,并回收其中的热量和有价成分。氧化焙烧多用于硫化矿冶炼。有时也为了挥发除去硫化矿中的砷和锑等有害杂质,也进行氧化焙烧。氧化焙烧时硫化矿先热分解变成低价硫化物和硫,最后生成氧化物。一些硫化矿的氧化焙烧是放热反应,所放出的热量可使反应自热(或部分自热)进行到底。氧化焙烧设备有回转窑、多膛焙烧炉、流态化焙烧炉(见流态化焙烧)等。

八、盐化焙烧
       硫酸化焙烧和氯化焙烧是盐化焙烧的典型例子。目的是在严格条件控制下使物料中的某些金属硫化物或氧化物尽可能多地转化为溶于水或稀酸的可溶盐。硫酸化焙烧控制条件主要有温度和送风量。在同一温度下,各种硫酸盐的分解压和稳定性是不同的,温度越高,硫酸盐越不稳定,容易分解为氧化物。利用各种硫酸盐稳定性的差异,通过控制适当的温度,进行选择性硫酸化焙烧。当送风量能使气相中的SO3具有最大值时,便是硫酸化焙烧最合适的送风量。硫酸化焙烧在铜精矿、铜钴精矿、钴硫精矿及品位低得多金属物料的处理中得到应用。工业上多采用流态化焙烧炉进行硫酸化焙烧。

九、氯化焙烧
      使物料中某些组分与氯化剂作用生成氯化物的焙烧方法。被氯化的物料可以是氧化物、碳化物、硫化物及金属或合金。常用氯化剂有氯气、HCI、CCl4、 CaCl2、 NaCl、MgCl2、FeCl3等。根据作业温度条件,分为中温氯化焙烧和高温氯化焙烧。前者作业温度不高,生成的氯化物以固体状态存在,利用其水溶性,在浸出工序中加以提取。高温氯化因焙烧温度高,而氯化物的沸点比较低,因此生成的氯化物往往同时挥发进人气相后而富集。高温氯化焙烧又叫氯化挥发焙烧。一般情况下固体氯化剂在焙烧条件下会被氧气或水分解析出氯气或HCl等气体氯化剂再起作用。氯化物沸点低,熔点不高,与金属矿、硫化物、氧化物几乎不互溶,既易生成,又易还原或分解,再加上氯化选择性好,因此氯化焙烧得到广泛应用。典型范例有:金红石或高钛渣氯化法制取TiCl4,二氧化锆氯化法制取ZrCl4。

十、还原焙烧
       还原焙烧系指在还原性气氛下将金属氧化物还原成金属或低价化合物的焙烧过程。按被还原物挥发和不挥发分为还原挥发焙烧和不挥发焙烧两类。还原剂可以用固体、液体或气体等碳质还原剂。在使用固体还原剂煤或焦粉等时,在焙烧过程中碳先转化为CO,而后起作用。
还原挥发焙烧的典型例子:
ZnO+CO====Zn+CO2
As2O5+2CO====As2O3+2CO2
MeO(s,l)+CO(g)====Me(g)+CO2(g)
磁化焙烧实质上也属还原焙烧,其典型例子为赤铁矿磁化焙烧,反应为:
3Fe2O3+CO====2Fe3O4+CO2

十一、熔炼
       熔炼是指炉料在高温(1300-1600K)炉内发生一定的物理、化学变化,产出粗金属或金属富集物和炉渣的冶金过程。炉料除精矿、焙砂、烧结矿等外,有时还需添加为使炉料易于熔融的熔剂,以及为进行某种反应而加入还原剂。此外,为提供必要的温度,往往需加入燃料燃烧,并送入空气或富氧空气。粗金属或金属富集物由于与熔融炉渣互溶度很小和密度的差异而分层得以分离。富集物有硫磺渣等,它们尚需进一步吹炼或用其他方法处理才能得到金属。实质上可以分为氧化熔炼和还原熔炼。此外还有其他的熔炼方法,如还原硫化熔炼、挥发熔炼、沉淀和反应熔炼,由于种种原因已不多用。

十二、氧化熔炼
       是以氧化反应为主的熔炼过程,如硫化铜、镍矿物原料的造锍熔炼、锍的吹炼、硫化锑精矿鼓风炉熔炼等。熔炼过程中发生的主要反应是:
MeS(s,l)+O2(g)====Me(l)+SO2(g)
MeS(s,l)+1.5O2(g)====MeO(s,l,g)+SO2(g)
[Me′S](l)+(MeO)(l)====[MeS](l)+[Me′O](l)
式中的Me、Me'代表金属,[]代表主金属熔体,()代表熔渣。
氧化熔炼是一个富集和分离过程,如铜、镍硫化精矿,在熔炼时将Cu、Ni富集到锍中,同时被氧化后与杂质金属(如Fe)与脉石一道造渣除去而分离。熔炼按所用设备分为鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔炼;按工艺特征则分为闪速熔炼、熔池熔炼、旋涡熔炼、富氧熔炼、热风熔炼和自热熔炼等。
1、闪速熔炼
     这是一种将硫化精矿(铜、镍精矿)、熔剂与氧气或富氧空气或预热空气一起喷入赤热的反应塔内,使炉料在飘悬状态下迅速氧化和熔化的熔炼方法。该熔炼过程的氧化反应和传统工艺       没有实质上区别,只是通过熔炼设备和工艺的改进来改善硫化精矿氧化的动力学条件,达到强化熔炼的目的。闪速熔炼的优点是:①细颗粒物料悬浮于紊流中,气一固一液三相的传质传       热条件好,化学反应速度快;②喷入的细颗粒干精矿具有大的表面积,硫化物的氧化反应速度随接触面积增大而显著提高;③反应速度快,单位时间内放出热量多,使燃料消耗降低,从       而减少因燃料燃烧带人的废气量,结果提高了烟气中的SO2含量,为烟气综合利用了创造条件。
     属闪速熔炼范畴的有:奥托昆普(Outokumpu)型、国际镍公司因科(Inco)型、基夫赛特(Kivcet)法和氧气喷撒熔炼(OSS)法等。
2、熔池熔炼
     这是一种将炉料直接加入鼓风翻腾的熔池中迅速完成气、液、固相间主要反应的强化熔炼方法。方法适用于有色金属原料熔化、硫化、氧化、还原、造锍和烟化等冶金过程。
     为追根问源,该方法可以追溯至19世纪末和20世纪初转炉吹炼铜锍和鼓风炉渣的烟化炉。但它们只局根于处理反射炉、电炉或鼓风炉料所得的液态中间产物(铜锍和炉渣)。用该方法直       接处理硫化精矿还是20世纪70年代以后的事。属该方法范畴的现代熔池熔炼新方法有:诺兰达法(1973)、三菱法(1974)、特尼思特法(1977)、白银炼铜法(1980)、氧气底吹炼       铅法( 1981)、互纽科夫熔炼法(1984)、顶吹旋转转炉法(TBRC)、艾萨熔炼法炼铅和转炉直接炼铜法等。这些方法主要用于铜(镍)精矿造锍熔炼、铜(镍)锍吹炼、硫化精矿直       接熔炼(包括连续炼铜和直接炼铅)以及含铅锌氧化物料和炉渣的还原和烟化。
     按反应气体鼓人熔体的方式,可分为侧吹、顶吹和底吹三种类型的熔池熔炼方法。
(1)侧吹 从设于侧墙和埋入熔池的风口直接将富氧空气鼓入铜锍一炉渣熔体内,未经干燥的精矿与熔剂加到受鼓风强烈搅拌的熔池表面,然后浸没于熔体之中,完成氧化和熔化反应。属于          此类的有诺兰达法、瓦纽科夫熔炼法、特尼恩特法和白银炼铜法等炼铜方法。
(2)顶吹 从炉顶往炉内插入喷枪,喷枪出口距熔池液面一定高度或浸没于熔体之中。根据冶金反应的需要,喷入氧化性或还原性气体,在湍动的熔池内完成氧化或还原反应。属于此类的有          三菱法、顶吹旋转转炉法和艾萨熔炼法等炼铜、炼镍和炼铅方法。
(3)底吹 氧气底吹炼铅法采用卧式长形圆筒反应器,在用隔墙分开的氧化段和还原段都设有数个底吹喷嘴。在氧化段喷吹氧气,使硫化铅精矿氧化成金属铅或高铅(锌)炉渣;生还原段喷          吹氧气和还原剂(煤粉或天然气),贫化炉渣,回收铅锌。
3、旋涡熔炼
     这是一种细粒炉料和粉状燃料随高速气流沿旋涡室的切线方向进入,并在旋涡室内的旋流中迅速完成主要冶金反应的熔炼方法。炉料成分和气相间的反应速度大,因而是一种能强化冶金       过程的熔炼方法。它的生产能力比常规的鼓风炉熔炼大得多。
     工艺过程为:处理物料随一次风(20-40 m3/s)喷人旋涡室,二次风(100m3/s)沿旋涡室的切线方向喷人而产生高速旋转流,细颗粒物料迅速完成焙烧和熔炼反应;粗颗粒由离心力作       用加速到达炉壁,并形成熔融状黏膜,缓慢向下流人沉淀池,黏膜的缓慢流动不仅延长炉料停留时间,有利于反应完成,而且也起到保护炉壁的作用。
4、热风熔炼
     这是一种将预热空气或预热富氧空气鼓入冶金炉以强化冶金过程的熔炼方法。在有色金属冶炼过程中,大多都依赖于燃料燃烧和硫化物氧化反应提供热量,以维持一定的高温,使炉料达       到熔融状态,完成预定的氧化或还原反应,实现金属或金属富集物与脉石的分离。因为,首先是热风显热可代替部分燃料燃烧所产生的热量,使燃料消耗下降,并使助燃的风量减少,也       降低了单位金属的烟气量和烟气带走的热损失,提高热利用率和降低燃料的消耗。其次是热风使燃料和反应物的活性提高,有利于提高燃料燃烧温度和完全程度,也有利于提高硫化物氧       化和氧化物还原的反应速度和还原程度,起强化冶炼过程和提高金属回收率的作用。再次是热风能使熔炼炉的高温集中,加快了炉料熔化速度,提高炉渣的过热程度。
     预热鼓风用于高炉炼铁已有一个多世纪的历史。但对有色金属冶炼应用热风还仅仅是20世纪中叶的事,已广泛地应用于铜、镍闪速熔炼,鼓风炉炼锌和铅。
5、富氧熔炼
     这是一种利用工业氧气部分或全部取代空气以强化冶金过程的熔炼方法。在20世纪中由于高效价廉的制氧方法的开发,氧气炼钢和富氧炼铁得到广泛应用。与此同时,在有色金属熔炼中       也开始用富氧开发新的熔炼方法和改造传统的熔炼方法。
     有色金属冶炼过程发生硫化矿的氧化反应是:
     2MeS+3O2→2MeO+2SO2(氧化熔炼)
     [FeS]+(MeO)→[MeS]+(FeO)(造锍熔炼)
     [MeS]+O2→[Me]+SO2(直接熔炼)
     [MeS]+2(MeO)→3[Me]+SO2(锍的吹炼)
     可是,从硫化矿熔炼获得金属的过程自始至终是氧化过程,当熔炼鼓风中氧浓度愈大,炉内氧的分压愈高,氧的扩散速度也愈快,硫化矿的氧化速度也随之增加。
     氧化矿或氧化物料的还原熔炼大多使用固体碳质燃料作发热剂和还原剂,其主要反应是:
     C+O2→CO2(碳的完全燃烧)
     C+CO2→2CO(碳的氧化反应)
     MeO+CO→Me十CO2(氧化物还原反应)
     根据燃料燃烧理论,最高温度随鼓风中氧含量的增加而升高,燃烧速度加快,气相中一氧化碳的分压和炉内温度升高,从而加速了还原反应和炉料的熔化。
     1952年加拿大国际镍公司(Inco)首先采用工业氧气(含氧95%)闪速熔炼铜精矿,熔炼过程不需再添加任何燃料,烟气SO2浓度可达80%,这是富氧熔炼的最早一例。随后奥托昆普(       Outakumpu)型闪速炉以及随后开发的熔池熔炼方法,为诺兰达法、三菱法、白银炼铜法、氧气底吹炼铅法相继都应用富氧进行熔炼。
     根据经济分析,只要(单位质量)油的价格/(单位质量)氧气价格≥4时,使用氧气替代油在经济上就是可行的。
6、硫化精矿自热熔炼
     这是一种主要由精矿中硫化物的氧化及氧化亚铁造渣等反应热来维持高温熔炼过程的熔炼方法。因不必补加或补加很少的燃料故称自热熔炼。这里所说的自热熔炼并非早年处理含硫不低       于36%的黄铁矿型含铜块矿,熔炼自需补加2%--4%焦炭即可,而是含有新的意义。因为制氧技术和喷射冶金的发展及能源紧缺,充分利用精矿自身氧化反应热、造渣反应热的热量和富         氧进行喷射熔炼,经强化熔炼而减少热损失,实现自热熔炼。
     实践证明,闪速熔炼炼铜,采用40%的富氧和473K的热风进行熔炼,产出65%的铜锍,便可实行自热熔炼。自热熔炼不仅可以降低熔炼过程的能耗,且减少烟气量,提高烟气SO2浓度,       利于减少对环境的污染。自热熔炼应是今后的主要发展方向。

十三、还原熔炼
      这是一种金属氧化物料在高温熔炼炉还原气氛下被还原成熔体金属的熔炼方法。
还原熔炼采用碳质还原剂,如煤、焦炭。在高温条件碳质还原剂与金属氧化物发生的主要反应有:
MeO+C====Me十CO
MeO+CO====Me+CO2
CO2+C====2CO
      由于MeO和C的反应为固相接触,受接触面的限制,反应不可能很好进行,CO气体还原剂对金属氧化物的还原起主要作用。为此必须加过量还原剂,以保证MeO和CO反应产生的CO2在高温下被过剩碳还原为CO。这样循环着不断地为氧化物还原提供足够的气体还原剂。冶炼物料中除主金属氧化物外往往还含有多种次要的金属氧化物,在还原熔炼过程中也还原成金属,并且熔于主金属中,所以还原熔炼得到的金属是含有多种杂质的粗金属。如鼓风炉熔炼铅、反射炉熔炼锡、铋和锑等。为得到纯金属还需进一步精炼。除了金属氧化物外,还原熔炼正常与否与高铁氧化物的还原和造渣密切相关。物料中的高价铁氧化物被还原成低价铁氧化物(FeO),然后与物料中的SiO2、CaO等组分反应造渣。还原条件必须控制得当,否则生成Fe3O4或Fe都将影响还原熔炼过程的进行。因此控制好高价铁的还原反应是确定技术条件的主要因素。
以上技术条件除根据其氧化标准生成自由能变化来判断其还原次序及程度外,也常用反应MeO+CO====CO2+Me的平衡常数logKp=PCO2:PCO来进行比较确定。
十四、精炼
       精炼是粗金属去除杂质的提纯过程。对于高熔点金属,精炼还具有致密化作用。有化学精炼和物理精炼两大类[3]。
化学精炼为达到高度提纯目的,往往需要化学精炼和物理精炼,利用杂质和主金属某些化学性质的不同实现其分离。
1、氧化精炼
     利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化挥发除去的精炼方法,精炼效果及除杂限度不仅与主金属和杂质元素的氧化物标准生成自由能变化(△Go)有关,而且还取决于杂质和氧化         物的活度。
2、硫化精炼
     加入硫或硫化物以除去粗金属中杂质的火法精炼方法。能否适用此法取决于主金属和杂质金属对硫的亲和力。当金属熔体加硫之后,由于主金属的浓度(活度)比杂质金属大得多,所以       首先被硫化生成主金属硫化物MeS,然后才发生以下除杂反应:
      MeS+Me′====Me′S+Me
     该反应能否进行决定于硫化物标准生成自由能变化△Go。反应必要条件是Ps2(Me′S)> Ps2(MeS),即主金属硫化物在给定的条件下的离解压大于杂质硫化物的离解压,才能形成杂质硫       化物。如果所形成的各种杂质硫化物在熔体中的溶解度    小,密度也比主金属的小,它们便会浮到熔体表面而被除去。粗铅、粗锡和粗锑加硫除铜、铁是硫化精炼的典型例子。
3、氯化精炼

     通人氯气或加入氯化物使杂质形成氯化物而与主金属分离的火法精炼方法。该方法是基于氯对杂质的亲和力大于主金属,并生成的氯化物不溶或少溶于主金属为前提条件的。氯化精炼在       粗铅除锌,粗铝除钠、钙、氢,粗铋除锌,粗锡除铅等方面都有广泛应用。现举例说明。粗铅氯化精炼时是往铅液中通入氯气,使锌形成ZnCl2进入浮渣而与铅分离。

     此时铅也部分被氯    化,但又被锌按下式置换:

     PbCl2+Zn====ZnCl2+Pb
     因此氯化精炼铅时,铅的损失很少。铅液中其他杂质,如砷、锑、锡也形成氯化物挥发而与铅分离。
4、碱性精炼
     向粗金属熔体加入碱,使杂质氧化与碱结合成渣而被除去的火法精炼方法。方法的实质是在精炼过程中用氧或其他氧化剂(如NaNO3)使杂质氧化,然后与加入的碱金属或碱土金属化合       物溶剂反应,生成更为稳定的盐(渣)加速反应的进行,并使反应进行更加完全。碱性精炼用于粗铜除镍,粗铅除砷、锑、锡,粗锑除砷等。
     物理精炼是以物理变化为主,利用它们的物理性质不同脱除杂质的方法。如精馏精炼、真空精炼、熔析精炼等。
1)、精馏精炼
     利用物质沸点的不同,交替进行多次蒸发和冷凝除去杂质的火法精炼方法。精馏精炼包括蒸馏和分凝回流两个过程。
     精馏通常在精馏塔中进行,气液两相通过逆流接触,进行相际传热传质。液相中的易挥发组分进入气相,于是在塔顶冷凝得到几乎纯的易挥发组分,塔底得到几乎纯的难挥发组分。塔顶       一部分分凝液作为回流液从塔顶返回精馏塔,塔顶回流入塔的液体量和塔顶产品量之比称之为回流比,其大小影响精馏操作的分离效果和能耗。
     精馏精炼适用于相互溶解或部分溶解的金属液体,不适用于两种具恒沸点的金属熔体。在有色金属冶金中,精馏成功地用于粗锌的精炼之一。
2)、真空精炼
     在低于或远低于常压下脱除粗金属中杂质的火法精炼方法。真空精炼除能防止金属与空气中氧氮反应和避免气体杂质的污染外,更重要的是对许多精炼过程(特别是脱气)还能创造有利       于金属和杂质分离的热力学和动力学条件。真空精炼主要包括真空蒸馏(升华)和真空脱气。

     真空蒸馏(升华)是在真空条件下利用各种物质在同一温度下蒸气压和蒸发速度不同,控制适当的温度使某种物质选择性挥发和冷凝来获得纯物质的方法。

     这种方法主要用来提纯某些沸  点较低的金属,如汞、锌、硒、碲、钙等。

     真空脱气即在真空条件下脱除气体杂质,包括通过化学反应而使某些杂质以气体形态的脱除。真空脱气过程的作用主要是降低气体杂质在金属中的溶解度。
3)、熔析精炼

     利用杂质或其化合物在主金属中的溶解度变化的性质,通过改变精炼温度将其脱除的火法精炼方法,熔析精炼利用了熔化一结晶相变规律,即利用均匀二元系或多元系液体,在相变温度       下开始凝固时,会变成两个或几个组成不同的平衡共存相,杂质将富集在其中的某些固相或液相中,从而达到金属提纯的目的。

     如粗铅除铜,从Cu-Pb二元系状态图得知,共晶温度        599℃,析出含铜的理论值为铜0.06%;一般控制温度为613℃,铅含铜要大于0.06%,但尚有砷、锑存在时,则它们与铜生成不       溶于铅的化合物—固溶体,可使铅中铜降至理论值以下0.02%-0.03%。


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