火法及湿法冶金原理及应用

火法及湿法冶金原理
熔化、溶解
• 火法冶金把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温，熔化为 液体，通过物理、化学反应，从中分离出粗金属，然后再将粗金 属精炼。（干燥、焙解、焙烧、熔炼，精炼）
• 湿法冶金是用酸、碱、盐类等的水溶液，以物理、化学方法从矿 石中提取所需金属组分，然后用水溶液电解等各种方法制取金属。 （浸出、净化、制备金属等过程）
• 火法：矿石-熔化-分离 • 湿法：矿石-溶解-分离
火法冶金原理
• 冶金熔体——（金属熔体，熔锍，熔渣，熔盐）（火法冶金中的 过程产物）
• 金属熔体，液态的金属或者合金，（高炉中的铁水，火法精炼得 到的粗铜液）
• 熔锍，多种金属硫化物的共熔体（Cu2S，FeS，CoS，PbS等）
• 熔渣，各种氧化物熔合成的熔体，（矿物原料中的主金属以金属 熔体或熔锍形态产出，其中的脉石成分及伴生的杂志金属则与熔 剂一起熔合成一种主要成分为氧化物的熔体，及熔渣。熔渣是一 种非常复杂的多组分体系，含有CaO，FeO，MnO，MgO，Al2O3， SiO2，Fe2O3等氧化物，少量氟化物，氯化物，硫化物）
• 熔盐，盐的熔融态液体。常见的熔盐体系由碱金属或碱土金属组 成的卤化物、碳酸盐、硝酸盐或者磷酸盐组成。熔盐不含水，具 有许多与水溶液不同的性质，如，热稳定性高，蒸气压低，黏度 低，导电性好，离子迁移和扩散速度较快，热容量高等
在冶金领域，以熔盐为介质的熔盐电解法广泛应用于铝、镁、钠、 锂等轻金属和稀土金属的电解提取或精炼。 这些金属由于都属于 负电性金属，不能从水溶液中电解沉积出来，熔盐电解成为唯一的 或占主导地位的方法。
pH373
6.79
6.78
5.58
—
3.16 4.35
◆ 当Me2+的活度为1时，要求pH<pH；
pH473 —
— 3.89 — 2.58 2.88
◆ pH越大，氧化物越容易被酸浸出； pH越小，氧化物越难被酸浸出。
氧化物 CuO
pH298 3.95
◆ MnO、ZnO、FeO等在较低的酸度下，即能被浸出，较容 pH373 3.55
熔渣-（冶炼在于炼渣）
• 冶炼渣、精炼渣、富集渣、合成渣 • 冶炼渣，以矿石精矿为原料，以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中产生
的，主要作用为汇集炉料（精矿，燃料，熔剂）中的全部脉石成分、灰分以 及大部分杂质。 在硫化矿的造锍熔炼中，铜、镍、铁等的硫化物熔融在一起，形成熔锍；铁 的氧化物则与造渣熔剂（SiO2）及其他脉石成分形成熔渣（大多数有色金属冶 炼炉渣可简化为CaO-FeO-SiO2三元系）；二者由于密度不同而实现分离。 冶炼过程中生产的金属或者熔锍的液滴最初都是分散在熔渣中的，这些分 散的微小液滴的汇集、长大和沉降过程都是在熔渣中进行的。因此熔渣的物 理化学性质（黏度、密度等）对金属或熔锍与脉石的成分的分离程度有着决 定性作用。
不同的氧化物之间，固态下，完全不 溶，固溶体，稳定化合物
凝聚体系，不考虑气相。加入O2 后……
焙烧，吹炼-（热力学平衡图又称优势区域图）
• Cu-S-O 热力学平衡图
Cu-Fe-S-O
湿法冶金原理
• 湿法冶金包括：浸出、净化、制备金属等过程。
• 浸出：用适当的溶剂处理矿石或精矿，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。（酸浸、氨浸、碱浸、盐浸、氰化浸出）
◇其低价氧化物易被浸出;
◇高价氧化物则相对较难被浸出;
◇如Fe2O3则远比FeO难浸出。
净化原理
• 通过精确的控制反应过程的温度，PH值，氧化还原电位 等反应体系条件。达到提高浸出液中有价金属离子纯度 的目的。
熔渣？相图来研究熔渣中氧化物组成与熔点、相变等。熔渣的组成 决定了熔渣的物理性质（黏度，密度），以及与金属熔体、熔锍中 O、S元素的反应与脱除。
SiO2-Al2O3 二元体系（相图） 晶体、晶格 布拉维晶格在三维平面上有七大晶系， 分别为三斜晶系、单斜晶系、正交晶 系、四方晶系、立方晶系、三方晶系、 六方晶系。依照简单、体心、面心及 底心，总共有14种晶格。
所需要的Me，以离子、络合离 子、配原则是热力学上可行，反 应速度快，经济合理，来源容易。有时 矿石成分复杂，需同时使用多种浸出剂。 浸出剂的选择
1）被浸出物料的物理性质和化学性质。
2）浸出剂的价格
3）没有危险，便于使用
4）对设备的腐蚀性小
5）能再生循环使用
氧化物酸浸
(Me1，Me2， Me3，Me4金属元素， a,b,c,d,k,p,q,s,n 自然数）
浸出体系（组成成分，PH， 温度，压力，浓度（活 度），氧化还原电势）
一系列化学反应发生的可 能性、先后性。需要考虑 合的反应速度（热化学）
选择适当的溶剂（浸出体系）使矿石、精矿或冶炼中间 产品中的有价成分或有害杂质选择性溶解，使其转入溶液中， 达到有价成分与有害杂质或与脉石分离之目的。浸出物料也 可能是冶炼后的残渣、阳极泥、废合金等。
易浸出;
pH473 1.78
In2O3 Fe3O4 Ga2O3 Fe2O3 2.52 0.89 0.74 -0.24 0.97 0.04 -0.43 -0.99 -0.45 — -1.41 -1.58
SnO2 -2.10 -2.90 -3.55
Fe2O3、Ga2O3等难被酸浸出。 ◆ 对多价金属的氧化物而言:
表 8-9 某些金属氧化物的 pH
MeO + 2H+ = Me2+ + H2O 金属氧化物酸浸出的条件：
氧化物 MnO CdO CoO FeO NiO ZnO
pH298 8.98 8.69 7.51 6.8 6.06 5.80
◆ ◆
溶液中的电势和pH值都处于Me2+的稳定的区内； 溶液的pH值小于平衡pH值；
• 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。（离子沉淀(包括水解沉淀、 硫化沉淀)，置换、电沉积．溶剂萃取，离子交换，吸附．结晶等方法。 ）
• 制备金属：用置换、还原、电积等方法从净化液中将金属提取出来的过程。
浸出原理
kMe1aOb•pMe2cSd•mSiO2• q(Me3,Me4…)• s(Cl,F…)•nH20