金属冶炼

　　金属冶炼是一种提炼技术，是指用焙烧、熔炼、电解以及使用化学药剂等方法把矿石中的金属提取出来;减少金属中所含的杂质或增加金属中某种成分，炼成所需要的金属。

金属冶炼方法

　　从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并通过冶金方法获得具有一定性能的金属原料，可采用不同的方法和工艺流程，常用的方法有以下三种。

　　1、火法冶金

　　火法冶金是指在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的金属和杂质分离，获得较纯金属的工艺过程。不同的有色金属有不同的火法冶炼工艺流程，所需要的冶炼工序也有所不同。如选矿、干燥、焙烧、球团、熔炼、精炼等。

　　2、湿法冶金

　　湿法冶金是指在常温或100℃以下，用溶剂处理矿石和精矿，使有价金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取的工艺过程。常用的工序有浆化、浸出、沉降过滤、换热、蒸发、结晶、萃取和溶液电解等。

　　3、电冶金

　　电冶金是指利用电能精炼并提取金属的方法。借助电化学反应使金属从含金属的盐类水溶液或熔体中析出，称为电解精炼。一般可分为水溶液电解和熔盐电解两种。

　　水溶液电解：

　　水溶液电解是在水溶液电解质中，插入阴极和阳极，通入直流电，使水溶液电解质发生氧化还原反应，这个过程称为水溶液电解。由于使用的阳极不同，电冶金可分为可溶性阳极电解与不可溶性阳极电解，前者称为电解精炼，后者称为电解沉积。

　　可溶性阳极电解的过程是，阳极在电解液中进行化学溶解，阳极离子附着到阴极上，阳极不断减小而阴极不断增大。杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现金属与杂质的分离，如铜电解、铅电解等。

　　不可溶性阳极电解的过程是，当通以直流电时，电解液进行化学反应，阴极上沉积纯金属，阳极上释放氧气，阳极在电解液中是不溶解的，因而不消耗阳极。

　　熔盐电解：

　　熔盐电解是用熔融盐作为电解质的电解过程。熔盐电解主要用于提取轻金属，如铝、镁、钙、锂、钠等。由于轻金属的化学活性很大，通过电解轻金属的水溶液得不到金属。为了使固态电解质成为熔融体，电解过程要在高温条件下进行。

常见有色金属冶炼工艺

　　有色金属品种繁多，但通常把它们分成四类，即重金属、轻金属、贵金属和稀有金属。

　　有色重金属一般是指密度在4.5g/cm³以上的金属，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴等;有色轻金属是指密度在4.5g/cm³以下的金属，包括铝、镁、钙、钠、锶、钡等;贵金属包括金、银和铂族元素(锇、铱、铂、钌、铑、钯等);稀有金属是指那些在自然界中含量较少或分布稀散的金属(锂、铷、钛、钒、钼、钨、镓、铟、锗、镭、铀等)。

　　在工业生产中，使用Z多Z普遍的是有色重金属和轻金属，如铜、铅、锌、铝等。

　　1、铜电解精炼

　　火法冶金产出的精铜品位一般为99.2%～99.7%(质量分数，后同)，其中含有0.3%～0.8%的杂质，为了提高铜的品位并回收其中的贵金属和稀有金属，需要进行电解精炼(阴极铜品位能达到99.99%)。

　　铜的精炼方法通常有三种：常规电解精炼法、性阴极法和薄形阳极板法。但这三种方法的作业工艺过程基本相同，所不同的是性阴极法所采用的阴极为反复使用的性阴极，一般阴极板选用4～6mm厚的不锈钢板或钛板来制作。阴极铜从阴极板上剥离而得。

　　薄形阳极板法与常规电解精炼法的唯yi区别只是阳极板的浇注方法不同。前者是将铜溶液连续浇注成薄形板材，后者是借助模具浇注成厚度较大的单块阳极。薄形阳极需经过冲剪机切成所需形状和尺寸的阳极板，由于薄形阳极板的厚度仅有20mm左右，只有浇注机浇注的阳极板厚度的一半，因此，残极率较高，已经很少使用。

　　常规电解精炼仍然是目前应用Z广的一种方法，铜的电解精炼是以火法精炼产出的粗铜浇注成阳极，以电解产出的精铜薄片(始极片)为阴极，以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。在直流电的作用下，阳极铜进行化学溶解，以离子形式向阴极迁移聚积，产生纯净的金属，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现铜与杂质的分离。

　　铜电解精炼生产原理如下图所示。

　　电解精炼时，阳极上进行的氧化反应为：

Cu→Cu²⁺+2e

M-2e→M²⁺

　　式中，M是指Fe、Ni、As、Sb等比铜更负电性的金属，因其浓度很低，其电解电势将进一步降低，从而优先进入电解液。

　　阴极上进行的还原反应为：

Cu²⁺+2e→Cu

M²⁺+2e→M

　　精炼时，标准电位比铜低而浓度又小的电负性金属M，不会在阴极上析出。

　　2、铅电解精炼

　　铅是蓝灰色金属。纯铅是重金属中Z软的金属，其密度为11.27～11.48g/cm³，熔点为327.5℃，沸点为1525℃。铅的硬度小、展性好、延性和导电性及导热性差，液态铅的流动性好。在高温下铅容易挥发，造成冶炼时的金属损失和环境污染。

　　铅是电气企业制造蓄电池、汽油添加剂和电缆的原材料，由于铅有很高的抗酸、碱性能，被应用于化工、冶金设备作电解槽内衬材料。铅能吸收放射性射线，所以用作原子能工业和医学中的防护屏。铅与许多金属熔炼成的合金材料被广泛应用于工业的各个部门中。

　　铅电解精炼与铜电解精炼的工艺过程极其相似。电解时，比铅更负电性的金属如锌、铁、镉、钴、镍、锡等能与铅一道溶解，但因其含量很小，对电解液不会造成污染，所以电解液无需进行特殊净化处理。而比铅更正电性的金属如锑、铋、砷、铜、金、银等不溶解，形成阳极泥，再从阳极泥中回收这些金属。

　　铅电解精炼时，以硅氟酸和硅氟酸铅的水溶液作电解液，用粗铅作阳极，纯铅作阴极。阳极的制备首先是通过火法治炼的艾萨炉和鼓风炉获得粗铅，在粗铅中还含有1%～4%的其他金属和杂质。粗铅经过铅锅熔炼后浇注成阳极板。阳极板有平模浇注和立模浇注两种方法。

　　近年来国内开始采用立模浇注，立模浇注方法极大地提高了阳极板的质量。阴极由纯铅制作成铅卷，再由阴极制片机制作成带导电棒的阴极。阴、阳极按一定的等间距排列后即可入电解槽进行电解作业。在直流电的作用下，阳极在电解液中溶解并以离子形式向阴极聚积，得到高纯度的阴极铅：稀贵金属则进入阳极泥中：

　　电解精炼时，阳极上进行氧化反应：

Pb-2e→Pb²⁺

　　阴极上进行还原反应：

Pb²⁺+2e→Pb

　　3、锌的电解沉积

　　锌是一种白色而略带蓝灰色的金属，光泽度好，锌的熔点为419.5℃，沸点为906℃，密度为6.9～7.2g/cm³，莫氏硬度为2.5，质软，有展性。但经过加工后则变硬，熔化后的流动性好。锌是比较活泼的金属，在潮湿空气中容易被氧化，生成一层灰白色的致密性好的薄膜，可阻止锌继续被氧化。

　　锌是用途很广泛的金属，在电镀作业中，锌作为覆盖材料以保护钢铁制品不被氧化。锌能和很多有色金属形成合金，例如，由铜锌形成的黄铜、铜锡锌形成的青铜、铜锡铅锌形成的抗磨合金、锌与铝、镁、铜形成的压铸合金等。

　　这些合金被广泛应用于机械制造业、国防工业和交道运输业等各个工业领域中。在化学工业中，锌可作为制造颜料的添加剂，氧化锌可用于橡胶制造业，氯化锌可用作木材防腐剂，硫酸锌用于制革、纺织和医药等。在冶金工业中，锌可用来从含金溶液中置换金，在湿法冶金中，用锌粉净液除铜、镉等。

　　锌的冶炼方法可分为火法和湿法两种，火法炼锌的基本原理是，将氧化锌在高温下用碳质还原剂还原，并利用锌沸点低的特点，使锌以蒸气挥发，然后冷凝为液态锌。火法炼锌包括焙烧、还原、蒸镏和精镏三个过程。焙烧得到的粗锌，含有较易挥发的镉、铅等杂质，还要进一步精炼提纯。精炼的方法是利用锌与其他金属的沸点不同，采用蒸镏的方法来提纯。锌的精镏精炼是在一种专门的精镏塔内进行的，精镏精炼后可得到99.99%以上的纯锌。

　　湿法炼锌的实质是用稀硫酸将焙烧中的锌浸出，浸出液再进行净化除去其中的杂质，然后电解析出锌。湿法炼锌包括焙烧、浸出、净化和电解沉积四个过程。下面主要介绍锌的电解沉积工艺过程，锌的电解沉积是将净化后的纯硫酸锌溶液与一定比例的电解废液混合，作为电解液注入电解槽内，用Pb-Ag合金板(0.5%～1%Ag，质量分数)作阳极，压延纯铝板作阴极。通入直流电后，在阴极上析出金属锌，阳极上释放出氧气。溶液中硫酸再生，锌电解沉积总反应、阴极反应、阳极反应如下：

　　总反应：ZnSO₄+H₂O→Zn+H₂SO₄+½O₂

　　阴极：Zn²⁺+2e→Zn

　　阳极：H₂O-2e→½O₂+2H⁺

　　随着电解过程的进行，电解液中锌离子浓度不断降低，硫酸浓度相应增加。为了维持电解液中锌和硫酸浓度稳定，必须连续地抽取一部分电解液作为废电解液返回浸出工段作溶剂，同时又将净化后的中性硫酸锌溶液连续地注入电解槽内，以保持锌和硫酸的平衡。

　　当电解达到一定的周期后，阴极板上沉积的纯锌片经剥片机剥离后，经熔铸机浇注成锌锭即为阴极锌产品。阴极板经处理后返回电解槽继续使用，电解过程中并不消耗阳极板，但经过一定的电解周期后，需要对阳极板进行处理，消除附着在其表面上的各种杂质，以提高电解效率。

　　4、铝的电解生产工艺过程

　　铝是银白色的金属，精铝的密度为2.7g/cm³(纯度为99.99%)，熔点为600.24℃，沸点为2500℃。铝具有良好的延展性，可以拉成铝线，压成铝板和铝箔;铝的导热性能良好，它的导热能力比铁大3倍;铝的导电性能仅次于银和铜;铝的化学稳定性很强，其表面有致密的氧化物保护膜，不易被腐蚀，被广泛用于食品机械、YL器械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。

　　由于氧化铝是典型的两性化合物，既可以用碱性溶液也可以用酸性溶液使铝土矿中的氧化铝溶出。但在工业上都是采用碱性溶液获取氧化铝。

　　金属铝的生产主要采用融盐电解法，也就是在电解槽中以冰晶石——氧化铝熔体为电解质，通入直流电后，电解过程在电解槽内进行。在炭素阳极及阴极的参与下，电解质发生电化学反应而产出液态金属铝，用真空台包定期从电解槽中将金属铝液吸出，经精炼后浇注成铝锭，即得到纯铝产品。

　　电解铝时，铝电解槽阴极上产生的电化学反应是铝氧氟络合离子中的铝放电析出。除此以外，在一定条件下还有钠析出，阴极上的电化学反应如下：

Al³⁺+3e→Al

Na⁺+e→Na

　　在纯冰晶石溶体或在冰晶石一氧化铝熔体中，在940~1010℃时，铝是比钠更正电性的金属。因此，在阴极上发生的一次电解过程中主要是铝离子(Al3+)放电析出。但由于Al和Na的电位相差只有0.1～0.2V，故在一定条件下仍有Na同时析出。电解时，在阳极上的电化学过程比较复杂，因为炭阳极本身也参加电化学反应。阳极上的一次反应是铝氧氟络合离子中的氧离子在炭阳极放电，生成二氧化碳的反应，即

2O^2-+C-4e→CO₂

　　在阴极和阳极上总的电化学反应为：

C+Al³⁺-e+2O^2-→AI+CO₂

　　铝电解槽是炼金属铝的主要设备，主要由阳极和阴极组成。金属铝电解中阳极和阴极的制备与铜、铅、锌电解精炼中阳极和阴极的制备是不同的。在铝电解槽设备中，阴极是一个长方形外壳，底部用耐火砖绝热，耐火砖上部铺设炭块，炭块中间插入一根钢棒称为阴极棒，阴极棒伸出钢制外壳，并与阴极母线连接。阳极是用炭素粉及粒子做骨粒，用煤沥青做粘结剂混成糊状，经冷却制成块状阳极糊，加入电解槽中而形成。