稀有金属冶金第3章
《冶金是怎样炼成的》每章主要内容
《冶金是怎样炼成的》每章主要内容冶金是怎样炼成的
第一章：冶金概述
本章主要介绍冶金的定义和基本原理。
冶金是一门研究金属的提取、加工和利用的科学。
它涉及了矿石的选矿、冶炼过程和金属制品的加工等内容。
第二章：矿石的选矿
本章主要讲述了矿石的选矿过程。
选矿是指通过物理或化学方法，将矿石中的有用矿物与无用矿物分离，以达到提取有用矿物的目的。
本章介绍了常用的选矿方法和设备，并简要介绍了选矿过程中的一些关键技术。
第三章：冶炼过程
本章主要介绍了冶炼过程。
冶炼是将选矿后的矿石通过加热、还原等方式，将其中的金属提取出来的过程。
本章详细描述了冶炼的几个主要步骤，包括矿石的熔炼、转炉炼钢和电解精炼等技术。
第四章：金属制品的加工
本章主要介绍了金属制品的加工过程。
金属制品的加工是指将冶炼后的金属通过锻造、轧制、焊接等方式，将其转化为各种需要的形状和尺寸的过程。
本章讲解了不同类型金属制品的加工方法和相关设备。
第五章：冶金应用与发展
本章主要探讨了冶金在现代社会中的应用和发展趋势。
在这个章节中，我们介绍了金属的广泛应用领域，如建筑、交通、航空航天等，并讨论了冶金技术的发展方向和未来可能的突破。
以上为《冶金是怎样炼成的》每章的主要内容概览，详细内容请参考原文。
稀有金属冶金学第一篇 稀有金属冶金概论
第二阶段是化合物的分离和净化。
此过程主要是水溶液中进行的化学过程(沉淀、 结晶、萃取、离子交换等)。
有时，为了获得纯的化合物，也采用火法冶 金过程(氯化物或氧化物升华、精馏等方法)。
锗硒碲
第Ⅵ主族元素，电子层结构为ns2 np2，具有 金属与非金属过渡性质；
铼 第Ⅵ副族元素，熔点3180℃（高熔点）
（3）高熔点金属9个（包括Re）
钛，锆，铪，钒，铌，钽，钨，钼，(铼)
Ti Zr Hf v Nb Ta W Mo Re 1660℃ 2150 2740 3410 3180
1852 1900 2996 2610 Ti 熔点高，硬度大，抗腐蚀性强
铝离子存在于其矿物的晶格中。
从此类矿物分解的过程中综合回收镓。
稀散金属多属于这类矿物。
第三节 稀有金属的冶金过程
没有一种稀有金属是从矿石中直接还原出 来的。通常是首先从精矿中制得纯化合物， 作为生产稀有金属的原料。精矿处理一般 由三个主要阶段组成：分解精矿、制备纯 化合物(氧化物、盐类）和从化合物中提取 的金属。
钛铁矿等。 CaWO4 、 [Fe、Mn]WO4、 CaMoO4、 [Fe、Mn] [Ta、Nb]2O6、 FeOTiO2、 [Y、Yb、Dy、Nd] [Nb、Ta、Ti]O4
矿物处理方法： （1）碱分解 FeWO4+2NaOH=NaWO4+Fe(OH)2 （2）酸分解 CaWO4+2HCl=2CaCl2+H2WO4 （3）还原熔炼 FeTiO3+C=Fe+TiO2+CO TiO2+2Cl+C=TiCl4+CO(CO2)
《贵金属冶金》课程标准
《贵金属冶金》课程标准课程代码：00520113适用专业：冶金技术学时：30学分：2开课学期：第五学期第一部分前言1.课程性质与地位随着贵金属在工业上的应用越来越广泛，贵金属已经成为电子、化工、医药和国防等工业不可替代的重要材料。
对贵金属的需求前所未有，几乎到了一“金”难求地步。
但随着我国经济的快速发展，矿产资源短缺已成为制约我国经济发展的主要瓶颈之一，有色金属矿产资源的综合利用和循环利用已成为重要的发展方向。
为适应冶金发展趋势及满足地方企业需求，《贵金属冶金》注重培养学生从铜、铅冶金阳极泥中回收贵金属及硒、碲等有价金属的基本原理和主要操作，同时培养学生的动手能力和分析问题解决问题的能力。
因此《贵金属冶金》是冶金技术专业重要的一门主干专业课程，也是冶金技术专业的主要职业技能课，对贵金属生产的技能型、应用型人才的培养具有至关重要的作用。
学生在学完《冶金基础化学》、《冶金制图》、《金属学及热处理》、《铅冶金》等课程的基础上，并通过认识实习后学习本课程，为后续课程《有色冶金设计原理》的学习、顺利进行工学结合实习、顶岗实习及快速适应工作岗位奠定坚实的基础。
2.课程的设计思路本课程标准在设计上本着懂理论，重应用的总体思路，突出体现职业教育的技能型，应用性特色，注重培养学生的实践应用技能，力求达到理论够用，技能过硬的目的。
（1）针对岗位需求选取课程内容根据贵金属冶金发展方向，结合我国生产实践，根据企业实际需要选取教学内容。
对贵金属冶金我们选取从铜、铅阳极泥中提取金、银、铂、钯、硒、碲的生产工艺，让学生理解生产各个工序的原理、掌握工艺设备操作、技术条件控制和常见故障的分析处理；教学过程贯穿国内外贵金属冶金的工艺技术水平创新、资源综合利用现状与发展趋势，培养创新意识和社会责任感。
（2）遵循学习规律、针对真实任务，设计教学项目，制定课程标准。
按学生的学习规律，以企业典型生产的工艺流程为依据，以真实工作任务为载体，将从阳极泥提取贵金属的教学内容设计为八个教学项目，每个项目按原理、工艺、设备、操作设置学习任务，并把国家火法冶炼工职业资格标准与课程标准相对接。
《稀有金属冶金学》教学与实践
《 稀 有金属冶金学 》 教学 与实践
王明玉 ， 王 学文
（ 中南大学冶金 与环境学 院 ， 湖南长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ）
［ 摘 要］ 结合稀有金属 冶金 学的课程特点 ， 在教 学 内容上 充分发挥 特 色教 学的优势 ， 通过教 学 内容 的合 理选择 ， 使学生掌握基 础知识 的前提 下 了解科技 的发展前沿 ； 在教 学方式上 ， 以 多媒体教 学为手段 ， 采 用对比教 学 的方法 ， 并通 过课 堂教 学与 实验 室相 结合 的方式， 最大限度地调动 学生学习的积极性和 自学能力； 考核 方式 注重方 法的理 解和基本
三、 教 学方 式
、
稀有金属冶金学是 有色 金属冶 金在稀 有金属 冶金方 面的 骨干课程 ， 其 内容 主要包括稀有 轻金属 、 稀 有高熔点金属 、 稀土
Байду номын сангаас
金属和稀有分散金属四部分 。该课程的主要特点有 ： 内容覆盖面广 ， 金属 的冶金提取 过程差别大 。稀有金 属的
（ 一） 对比教学的应 用 在课 程内容上 面虽然选 择钨 冶金 和钛 冶金作 为主 要教学
二、 教 学 内容 的 选 择 稀 有金 属冶金学 是 中南 大学 冶金工 程专业稀 有金 属冶金 方向本科 生的必修课 ， 也是其它 冶金 工程 专业方 向（ 轻冶方 向、
掌握 。例如钨冶金和钼冶金 ， 其元 素在水溶液 中的存在形态及 变化规律及存在很大的相 似性 ， 在课堂讲解过 程通 过对 比介绍 二者存在形态变化的异 同点 ， 不 但可 以让学生 理解为什么两种 元素容易伴生 ， 而 且也会 知道 两者 分 离过 程 的基本 方法 和难 点， 这些都有助于对钼冶金 工艺 流程 的认识 以及 以后的 自学。
第五部分 稀土金属冶金
电子内迁移
镧系元素的最外层电子已填充到6s2,次外层5s25p6 也已填满,5d还空着或仅有一个电子,而处于内层的 4f电子却刚刚开始填充,从铈到镥充满共有14个电 子. 即镧系元素的最外层电子结构可以示为： 5s25p65d(0、1)6s2与钪、钇的最外层两层电子结构 3 s2 3p63d14s2和4s2 4p64d15s2相比较,可知结 构基本相同都是ns2(n—1)s2 (n—1)p6(n—1)d(0、 1)5s2,故使得17个元素的化学性质十分相近,用普 通的化学方法很难分离.
钆 Gd
gadolinium
1880年,瑞士的马里格纳克(G.de Marignac)将“钐” 分离成两个元素,其中一个由索里特证实是钐元素,另 一个元素得到波依斯包德莱的研究确认,1886年,马 里格纳克为了纪念钇元素的发现者 研究稀土的先驱 荷兰化学家加多林(GadoLinium),这个新元素命名 为钆. 钆在现代技革新中将起重要作用.它的主要用途有： 1)其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共 振(NMR)成像信号. 2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射线荧光 屏的基质栅网.
镨 Pr praseodymium
大约160年前,瑞典人莫桑德从镧中发现了一 种新的元素,但它不是单一元素,莫桑德发现 这种元素的性质与镧非常相似,便将其定名 为“镨钕”.―镨钕”希腊语为“双生子”之 意.大约又过了40多年,也就是发明汽灯纱罩 的1885年,奥地利人韦尔斯巴赫成功地从 “镨钕”中分离出了两个元素,一个取名为 “钕”,另一个则命名为“镨”.这种“双生 子”被分隔开了,镨元素也有了自己施展才 华的广阔天地.
钕 Nd(neodymium)
伴随着镨元素的诞生,钕元素也应运而生,钕元素的到 来活跃了稀土领域,在稀土领域中扮演着重要角色,并 且左右着稀土市场. 钕元素凭借其在稀土领域中的独特地位,多年来成为 市场关注的热点. 1)金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料.钕铁硼永磁 体的问世,为稀土高科技领域注入了新的生机与活力. 钕铁硼磁体磁能积高,被称作当代“永磁之王”,以其 优异的性能广泛用于电子、机械等行业.阿尔法磁谱 仪的研制成功,标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能 已跨入世界一流水平.
有色金属冶金学
有色金属冶金学前言轻金属：铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钡等十余种金属重金属：铜、镍、钴、锌、锡、锑、汞等二十余种金属稀有金属：钨、钼、锆、铪、铌、钽、稀土金属等数十种金属贵金属：金、银、铂族金属等几种第一篇轻金属冶金学第一章氧化铝生产1.摩尔比（苛性比）：溶液中Na2O浓度为135g/l，Al2O3为130g/l，则该溶液的摩尔比为MR=(135/130)*(102/62)=1.708。
式中的102和62分别为Na2O和Al2O3的分子量2.拜耳法生产氧化铝的主要工序包括：铝土矿原料准备、熔出、赤泥分离洗涤、分解、氢氧化铝分离洗涤、煅烧、蒸发和苛化3.拜耳法：是直接利用含有大量游离苛性钠的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。
种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。
4.铝土矿的溶出及影响因素：铝土矿的溶出通常是在高于溶液常压沸点的温度下用苛性碱溶液处理的化学反应过程，所以也叫“高压（高温）溶出”。
影响因素：铝土矿的矿物成分及其结构；溶出温度；循环母液碱浓度；配料摩尔比；搅拌强度5.单流法、双流法：在溶出流程上可分将循环母液和矿石一起磨制成原矿浆进行预热溶出的“单流法”及仅将一部分循环母液送去磨制矿浆，大部分母液单独预热到溶出温度，再于溶出器内和浓稠矿浆混合进行溶出的“双流法”6.赤泥分离洗涤过程步骤：赤泥料浆稀释；沉降分离；赤泥反向洗涤；溢流控制过滤7.铝酸钠溶液加种子分解：实际上应包括铝酸根离子的分解和氢氧化铝结晶8.含铝矿物的分子式（刚玉、三水铝石、一水铝石、明矾石、霞石）：高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O、刚玉Al2O3、三水铝石Al(OH)3、一水铝石AlOOH 、明矾石(K, Na)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3、霞石(K, Na)2O·Al2O3·2SiO2。
冶金第三章
主要内容：第一章 冶金过程热力学基础，热力学基础，反应热力学分析 第二章 冶金过程动力学基础，动力学基础，反应动力学分析 第三章 铁的还原，铁氧化物还原的热力学，动力学分析第四章 碳的氧化反应，风口前碳的燃烧，生铁渗碳，炼钢脱碳 第五章 硅，锰，铬，钒等元素的氧化和还原 第六章 磷的去除，脱磷的热力学及动力学分析 第七章 硫的脱除，脱硫的热力学及动力学分析 第八章 脱氧，脱氧的热力学动力学分析第九章 钢中的非金属夹杂物，来源，对钢性能的影响，去除 参考书目：⑴钢铁冶金物理化学，北科大，陈襄武，冶金出版社(硕士教材) ⑵冶金热力学，北科大，李文超，冶金出版社⑶★钢铁冶金原理，重庆大学，黄希祜，冶金出版社(第三版)(本科教材)第一章 冶金过程热力学基础主要内容： §1.1 化学反应的热效应及自由能变化 §1.2 溶液的热力学性质(活度及活度系数) §1.3 冶金炉渣理论和性质 §1.4 氧化还原反应热力学⑴冶金过程热力学研究的主要任务： 利用化学热力学原理，分析计算冶金反应过程的热力学函数变化，判断反应的可能性、方向性及最大限度。
⑵冶金过程动力学研究的主要任务：利用化学动力学原理，分析计算冶金反应进行的途径、机理及速度。
§1.1 化学反应的热效应及自由能变化§1.1.1 热力学函数(体系的状态函数) 一，焓H ：pV U H +=(U ：内能)焓H 又称为热焓，它是体系的状态函数。
一个体系在等压下发生状态变化时，其焓变即为该过程的热效应。
备注：U ：体系内质点所具有的总能量。
1221H H dT C H q T T p p -==∆=⎰二，熵S ：熵也是体系的状态函数，体系中质点排列的状态数越多，越混乱，S 值越大，自发过程总是向着熵增大的方向进行。
备注：S ：体系中排列混乱的度量。
对于可逆过程，Tq dS 可δ=Tq S S S 可=-=∆12T q dS 可δ≥不可逆 可逆 (状态变化时)绝热过程：0≥dS 不可逆可逆(自发)三，吉布斯自由能G ：TS H G -=，TS H G -∆=∆ 对于等温等压过程，0≤∆G 自发平衡态§1.1.2 热力学函数之间的关系根据U 、H 、S 、G 等热力学状态函数的定义及其性质可得出共同的关系式：另：0,≥V U dS 。
稀有金属冶金学-教学
B.在空气中或氧气中，镍表面上形成一层NiO 薄膜，可防止进一步氧化，含硫的气体对 镍有严重腐蚀，尤其在镍与硫化镍Ni3S2共 晶温度在643℃以上时更是如此。在500℃ 以下时镍对于氯气无显著作用。
C.20℃时镍的电极电位为-0.227伏，25℃镍的 电极电位为-0.231伏，若溶液中有少量杂质， 尤其是有硫存在时，镍即显著钝化。
我国镍的消费按市场细分原则和 区域划分呈五大市场区域：
• A. 以上海为中心的华东市场：包括江、浙、沪、皖 三省一市。在此区域内有全国主要的金属期货交易 所和长江、华通两个现货市场。目前该区域内年消 费镍3万吨左右。未来几年内宝钢集团所属上钢一厂、 三厂、五厂共计有150万吨的不锈钢产能将陆续形成， 镍的潜在消费惊人。150万吨产能估计含镍不锈钢为 100-120万吨，理论推算耗镍量为8-10万吨，考虑其 使用废钢因素，不锈钢增加的产能至少要消耗5万吨 原镍，再加上电镀、合金、镍网、铸造等行业镍的 消费，使该区域对镍的需求在未来将达到8万吨以上。
发展速度的进一步加快和国民经济结构的调
整，不锈钢行业、电池、电镀、触媒行业对 镍的需求量将进一步增加。
1.1.1 世界镍资源
镍的矿物资源主要有硫化镍矿和氧化镍矿，
再就是储存于深海底部的含镍锰结核。有关 统计资料表明，至1990年，全世界已发现的 陆地镍储量为5800万吨，储量基础为1.23亿吨， 海洋锰结核矿的镍资源若以准边界品位估计， 约有689万吨。在全世界镍储量中，硫化镍矿 占了30—40%，氧化硫矿占了60—70%。主要 分布在古巴、加拿大、俄罗斯、新喀里多尼 亚、印度尼西亚、南非、澳大利亚和中国、 巴西、哥伦比亚、多米尼加、希腊、菲律宾 等国。世界各国所产镍金属中，百分之七十 左右来源于硫化镍矿。
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稀有金属冶金第3章
萃取剂性能的基本要求
• 至少有一个功能基：O、 P 、N、 S • 相当长的碳链或苯环 • 具有较高的选择性和萃取容量 • 化学性能稳定、无毒 • 物理性能优良 • 合适的价格
稀有金属冶金第3章
常用萃取剂分类及其主要性质
• 按酸碱性分类
多次接触，从而大大提高分离效果的萃取工艺叫 串级萃取。
• 萃取过程基本参数及符号 • 分类
➢ 错流萃取 ➢ 逆流萃取 ➢ 分馏萃取 ➢ 回流萃取 ➢ 并流萃取 ➢ 半逆流萃取
稀有金属冶金第3章
萃取过程基本参数及符号表示
• 分配比： DC C[[M M 1 1]] [[M M 2 2]] [[M M 3 3]] [[M M n n]] • 相比或流比：R =V（org）/V （aq） • 萃取比：E=D·R • 萃取率：q=E/(1+E)×100% • 萃取组分：A—易萃组分；B—难萃组分 • 分离系数：βA/B=DA/DB =EA/EB • 级数：两相经过一次混合和分离即称为一级。
– 酸性萃取剂 – 中性萃取剂 – 碱性萃取剂
• 按基团分类
– 含氧萃取剂：酮、醇、醚、脂等 – 中性含磷萃取剂：TBP、P305、TOPO等 – 酸性磷型萃取剂： P204、 P507 – 螯合萃取剂及羧酸类萃取剂：噻吩、HTTA、8-羟基
喹啉，脂肪酸、异构酸、环烷酸等 – 胺类萃取剂：伯胺、仲胺、叔胺、季铵盐
1 中性络合萃取体系
• 特点：
➢ 萃取剂为中性萃取剂，如醇、脂、醚、中性磷萃取剂 ➢ 萃取剂与被萃组分依靠配位键组成中性络合物 ➢ 被萃组分以中性分子形态被萃取
• 举例：
(RO)3P=O:
NO3
TBP萃取硝酸稀土
NO3 RE :OP(OR)3
(RO)3P=O:
NO3
3TBP (org) + RE3+(aq) +3NO3- (aq) =RE(NO3)3 ·3TBP (org)
与级之间逆向流动的萃取方式
• 萃取过程示意图：
F0
F1
F2
1
2
3
Sn
Sn-1
Sn-2
Fn（纯B）
n S0
• 萃取计算
1）B的纯化倍数：
Φ Φ b料 产B B 液 品 与 与 A A 的 的 中 中 比 比 [[B B ]]F n//值 值 A A [ [] ]n F[[A B ] ]n n//A B [ []]F FA B
➢ 生成yang盐：乙醚萃铁
R2O(org) +H+ (aq) = R2O·H+ (org) R2O·H+ (org) +FeCl4 + (aq) = R2O·H+·FeCl4 - (org)
稀有金属冶金第3章
4 协同萃取体系
• 概念：当萃取剂由两种或两种以上萃取剂组成时，若
D协＞∑D，为正协同效应；若D协＜∑D，为负协同效应； 若D协=∑D，为无协同效应。
n —萃取段级数；m—洗涤段级数 • 萃余分数：φA =[A]n/[A]F ； φB =[B]n/[B]F
稀有金属冶金第3章
1 错流萃取
• 定义：一份料液依次与多份有机相接触的萃取方式 • 萃取过程示意图：
S0
S0
S0
F0
1 F1
2 F2
3
S0
n
Fn（纯B）
S1
S2
S3
Sn
F0—萃取料液；S0—空白有机相
• 常用萃取剂与稀释剂
稀有金属冶金第3章
稀有金属冶金第3章
稀有金属冶金第3章
稀有金属冶金第3章
二、 萃取体系
• 萃取体系：被萃组分（含被萃物质的水溶液）
+萃取有机相（萃取剂+稀释剂+改性剂）
• 萃取体系的分类
1、中性络合萃取体系 2、酸性络合萃取体系 3、离子缔合萃取体系 4、协同萃取体系
稀有金属冶金第3章
• RE3+(aq)+3HA(org) + x H2O =REA3 ·x H2O (org) +3H +(aq) REA3 ·x H2O (org) + xTBP (org) = REA3 ·xTBP (org) + x H2O
稀有金属冶金第3章
三、 串级萃取方式及计算
• 定义：把若干萃取器串联起来，使有机相与水相
2）产品B纯度：P B 产 产 A 和 B 品 的 B 品 的 中 含 中 总 [B ]n [B ] [ n 量 A ] 量 n [B ]n /[ A B [ ] ] n n /[ A A [ ] ] n n /A [ ]n
• 分类
➢ 二元异类—— TBP+P204，N263+TBP ➢ 二元同类——HA+TTA，TBPO+TOPO ➢ 三元——HA+DIOMP+N263
• 机理
➢ 生成更为稳定的可萃配合物 ➢ 生成配合物的疏水性更强
• 举例： TBP和HTTA协同萃取稀土
稀有金属冶金第3章
TBP和HTTA协同萃取稀土
• 萃取计算：φA =[A]n/[A]F =1/(1+EA)n；
φB =[B]n/[B]F =1/(1+EB)n
n lg[A]F /[A]n lg(1 EA)
特点：1） 可得纯B（ 很大时）；2）收率低；3）有机相耗量大
稀有金属冶金第3章
2 逆流萃取
• 定义：萃取料液与有机相在萃取设备两端连续加入，两相在级稀有金属Biblioteka 金第3章3 离子缔合萃取体系
• 特点
➢ 含氧或含氮萃取剂：乙醚、胺类萃取剂及季铵盐等 ➢ 被萃组分通常为络阴离子 ➢ 被萃组分和萃取剂形成离子缔合物
• 举例：
➢ 硝酸季铵盐萃取硝酸稀土
RE(NO3) 63-(org)+3R3CH3NNO3(aq)= (R3CH3N) 3·RE(NO3) 6(org) +3NO3 - (aq)
第三章 溶剂萃取法分离稀土元素 第一节 萃取过程的基本原理 第二节 萃取法分离铀、钍和稀土 第三节 萃取法分离稀土元素 第四节 萃取设备
稀有金属冶金第3章
第一节 萃取过程的基本原理
一、常用萃取剂 二、萃取体系 三、串级萃取方式及计算
稀有金属冶金第3章
一、常用萃取剂
• 基本要求：6点基本要求 • 常用萃取剂分类及其主要性质：
稀有金属冶金第3章
2 酸性络合萃取体系
• 特点
➢ 萃取剂为酸性萃取剂：酸性磷萃取剂、羧酸萃取剂、螯 合萃取剂等
➢ 被萃组分为阳离子或络阳离子 ➢ 萃取过程为阳离子交换反应 ➢ 萃取剂常以二聚分子形态存在于非极性溶剂中(HA)2
• 举例：P204萃取稀土
RE3+(aq)+3(HA)2(org)=RE(HA 2) 3(org) +3H +(aq)