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金属是怎样炼成的
日期:2020-02-09 03:41  作者:admin  来源:本站

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  金属冶炼作为一门生产技术,起源十分古老。人类从使用石器、陶器进入到使用金属,是文明的一次飞跃。人类使用天然金属(主要是自然铜)距今已 8000 多年。但自然铜资源稀少,要使用更多的铜必须从矿石中提取。世界上最早炼铜的是美索不达米亚地区,时间大致在公元前 38 世纪到前 36 世纪。最早的青铜是在苏米尔地区出现的,大约在公元前 30 世纪。在人类文明史中,大量使用青铜的时代称为青铜时代。铁器的使用是人类文明的又一大进步。最早炼铁的是在黑海南岸的山区,大约在公元前 14 世纪。到公元前 13 世纪,铁器的应用在埃及已占一定的比重,一般认为这是人类文明进入铁器时代的开端。在欧洲,公元前 11 世纪中欧开始用铁,但向西欧传播则极其缓慢,直到公元前 55 年,随着罗马人的入侵,铁才传入大不列颠。中世纪的一千多年内,冶金技术进展十分缓慢。直至 14 ~ 16 世纪欧洲才发展为采用水力鼓风,加大、加高炼铁炉,生产出铸铁。15 世纪的欧洲,尽管熟铁器已广泛应用,但铜和青铜仍是生产得最多的金属。16 世纪欧洲出现资本主义的萌芽,冶金企业转移到资本家手中,资本家互相竞争,推动了生产技术的发展。另一方面,机器、造船等工业的发展又为冶金业开辟了市场和提供了技术装备。在 1640 年以后的 250 年中,主要发生在英国以高炉炼铁、炼钢为主的冶金生产和技术变革,尤其是 1700 ~ 1890 年,一系列重要的技术发明创造使英国的炼铁、炼钢工业得到蓬勃发展。这些发明在炼铁方面有:1790 年 A. 达比用焦炭代替木炭炼铁成功,使冶铁业摆脱了木炭资源(森林)的限制;1828 年 J.B. 尼尔森采用热风使炼铁炼焦比降低,生产效率成倍提高。在炼钢方面有:1740 年 B. 亨茨曼首次采用坩埚炼钢法生产铸钢件;1856 年 H. 贝塞麦发明转炉炼钢法,开创了炼钢新纪元 ;1855 年 K.W. 西门子发明了蓄热室;1864 年 P.E. 马丁利用该原理创造平炉炼钢法,从而扩大了炼钢的原料来源;1879 年 S.G. 托马斯和 P.C. 吉尔克里斯特发明碱性转炉炼钢法,成功地解决了高磷生铁炼优质钢的问题。在轧钢方面有:1697 年J. 汉伯里用平辊轧制出熟铁板,供生产镀锡铁板之用 ;1783 年 H. 科特用孔型轧制生产熟铁棒,这种方法后来用于生产型材。这些发明创造使英国炼铁、炼钢工业在 18 ~ 19 世纪走在世界最前面。炼钢情况也是一样,铜资源并不充裕的英国,在 19 世纪 60 年代竟成了世界上产铜最多的国家。

  中国古代冶炼技术比欧洲先进,尤其是铸铁技术比欧洲要早 2000 年。从鉴定中国古代的铁器表明,中国汉代生产的有些铸铁件中的石墨呈球絮状,具有一定的柔韧性,与近代可锻铸铁颇为相似。中国古代生产的铸铁和热处理技术已能适应制造农具的要求,从汉代起铁产量就已超过了铜。中国在春秋战国之际即已掌握金、银、铜、铁、锡、铅、汞等七种常用金属。欧洲直到罗马帝国末期才全部掌握上述金属。中国在 15 世纪已有金属锌,较欧洲早 300 多年。综观古代世界冶金业的发展,金属制品,特别是青铜器和铁器,对人类社会生产力的发展起着巨大作用。

  金属冶炼是根据各种金属的矿石的不同特性,采用不同的生产工艺和设备,经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物。目前大多数金属都采用火法冶炼方法,通过各种冶炼熔炼,加入还原剂还原出金属。随着技术水平的提高和环境保护的要求,湿法冶金逐步被用于许多金属制取工艺。如锌的湿法冶炼,黄金的浸出电解工艺等。以下简单介绍钢铁、铜、镍、铅锌、金冶炼方法。

  现代炼铁绝大部分采用高炉炼铁,个别采用直接还原炼铁法和电炉炼铁法。高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原,熔化炼成生铁,此法操作简便,能耗低,成本低廉,可大量生产。生铁除部分用于铸件外,大部分用作炼钢原料。由于适应高炉冶炼的优质焦炭煤日益短缺,相继出现了不用焦炭而用其他能源的非高炉炼铁法。直接还原炼铁法,是将矿石在固态下用气体或固体还原剂还原,在低于矿石熔化温度下,炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态的海绵铁、金属化球团或粒铁,作为炼钢原料(也可作高炉炼铁或铸造的原料)。电炉炼铁法,多采用无炉身的还原电炉,可用强度较差的焦炭(或煤、木炭)作还原剂。电炉炼铁的电加热代替部分焦炭,并可用低级焦炭,但耗电量大,只能在电力充足、电价低廉的条件下使用。

  炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料,用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法:有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法 3 类。以上 3 种炼钢工艺可满足一般用户对钢质量的要求。为了满足更高质量、更多品种的高级钢,便出现了多种钢水炉外处理(又称炉外精炼)的方法。如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等,对转炉、平炉、电弧炉炼出的钢水进行附加处理之后,都可以生产高级的钢种。对某些特殊用途,要求特高质量的钢,用炉外处理仍达不到要求,则要用特殊炼钢法炼制。如电渣重熔,是把转炉、平炉、电弧炉等冶炼的钢,铸造或锻压成为电极,通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺。

  铜的冶炼有两种方法,即火法炼铜及湿法炼铜。目前铜的冶炼是以火法炼铜为主,其产量约占世界铜总产量的 85%,但湿法冶金具有成本低、环保等优点,此技术正在逐步推广。

  火法炼铜方式适于高含量的硫化铜矿,通过选矿方法将铜矿石富集到 12% 以上,作为铜精矿,在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉中进行造锍熔炼,产出的熔锍(冰铜)接着送入转炉进行吹炼成粗铜,再在另一种反射炉内经过氧化精炼脱杂,或铸成阳极板进行电解,获得含量高达 99.9% 的电解铜。该法流程简短、适应性强,铜的回收率可达 95%,但因矿石中的硫在造锍和吹炼两阶段作为二氧化硫废气排出,不易回收,易造成污染。

  湿法炼铜一般适于低含量的氧化铜,生产出的精铜称为电积铜。现代湿法冶炼有硫酸化焙烧—浸出—电积,浸出—萃取—电积,细菌浸出等法,适于低含量复杂矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用或就地浸出,酸浸应用较广,氨浸限于处理含钙镁较高的结合性氧化矿。处理硫化矿多用硫酸化焙烧—浸出或者直接用氨或氯盐溶液浸出等方法。

  氧化铜矿酸浸法流程:氧化铜矿一般不易用选矿法富集,多用稀硫酸溶液直接浸出。所得含铜溶液,可用硫化沉淀、中和水解、铁屑置换以及溶剂萃取—电积等方法提取铜。

  硫化铜精矿焙烧浸出法:硫化铜精矿经硫酸化焙烧后浸出,得到的含铜浸出液,经电积得电解铜。

  目前从铅精矿中生产铅金属的方法都是火法,湿法炼铅还处在试验研究阶段,工业上还未采用。火法炼铅按冶炼原理不同可分为三种。

  反应熔炼法:此法是将硫化铅精矿通过反射炉或膛式炉使一部分 PbS 氧化成 PbO 和PbSO4,然后使之与未氧化的 PbS 相互反应而生产金属铅。该法适用于处理高含量的(含PbS65% ~ 70%)的铅精矿。

  沉淀熔炼法:此法是将铁屑或氧化铁及炭质还原剂与硫化铅混合加热至适当高的温度,使铅的硫化物大部分被铁置换产生金属铅。此法很少单独应用,如在鼓风炉还原焙烧时,经常加入铁屑以降低铅冰铜中的含铅量,提高金属铅的回收率。

  焙烧还原熔炼法:此法又称为常规炼铅法或标准炼铅法。目前世界上生产的粗铅约有 90%是用该法生产的。铅精矿和溶剂加入焙烧炉焙烧,使部分 PbS 氧化成 PbO 烧结块,然后通过鼓风炉与焦炭熔炼成粗铅,粗铅通过精炼得到含量在 99% 以上的铅锭。

  冶炼锌的方法分为火法炼锌和湿法炼锌两大类,目前湿法炼锌发展非常迅速,世界上锌产量有 80% 来源于湿法炼锌。

  火法炼锌是将硫化锌矿煅烧生成氧化锌或氧化锌和硫化锌的混合物,然后加入炭质还原剂,使氧化锌在高温下被炭质还原剂还原,使锌挥发出来,形成锌蒸气,经冷凝成为液态金属锌。一般有平罐炼锌、竖罐炼锌、电法炼锌和密闭鼓风炉炼锌等火法炼锌方式。密闭鼓风炉是目前主要的火法冶炼方式。

  湿法炼锌又叫电解沉积法炼锌,是将硫化锌氧化成氧化锌矿或氧化锌和硫酸锌的混合物溶于稀酸溶液与脉石分离,浸出液经过净化处理后进行电解作业。电解沉淀的结果是在阴极析出锌,在阳极上析出氧,并产生硫酸。沉淀在阴极上的锌,定期剥下,再进行溶化铸成锌锭。

  生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据含镍的硫化矿和氧化矿的不同,冶炼处理方法各异。含镍硫化矿目前主要采用火法处理,通过精矿焙烧反射炉(电炉或鼓风炉)冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿,其含量低,适于湿法处理。主要方法有氨浸法和硫酸法两种。

  火法冶炼:镍精矿经干燥脱硫后即送电炉(或鼓风炉)熔炼,目的是使铜镍的氧化物转变为硫化物,产出低冰镍(铜镍锍),同时脉石造渣。所得到的低冰镍中,镍和铜的总含量为8% ~ 25%(一般为 13% ~ 17%),含硫量为 25%。低冰镍的吹炼,吹炼的目的是为了除去铁和一部分硫,得到含铜和镍 70% ~ 75% 的高冰镍(镍含高硫),而不是金属镍。转炉熔炼温度高于 1230℃,由于低冰镍含量低,一般吹炼时间较长。 高冰镍细磨、破碎后,用浮选和磁选分离,得到含镍 67% ~ 68% 的镍精矿,同时选出铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。镍精矿经反射炉熔化得到硫化镍,再送电解精炼或经电炉(或反射炉)还原熔炼得粗镍再电解精炼。粗镍中除含铜、钴外,还含有金、银和铂族元素,需电解精炼回收。与铜电解不同的是这里采用隔膜电解槽。用粗镍做阳极,阴极为镍始极片,电解液用硫酸盐溶液、硫酸盐和氯化盐混合溶液。通电后,阴极析出镍,铂族元素进入阳极泥中,另行回收。电镍的纯度可达到99% 以上的“合质金”。

  自然界的金大多以自然金的形式存在,根据其在不同矿物中的赋存状态不同,先通过物理和化学选矿的方法将金富集,然后通过火法或湿法火法联合法得到纯度超过 99.5% 以上的纯金。

  一般砂金矿和岩金中的粗粒金通过重选和混汞法得到沙金和汞齐(一种汞和金的络合物),沙金和汞齐使用坩埚熔炼加入石英、等熔剂除杂后得到 99% 以上的“合质金”。

  岩金中一般氧化矿石可以直接通过氰化浸出得到氰化金的络合物溶液,原生金矿一般采用浮选法将金富集得到金精矿,金精矿,再磨后,通过氰化浸出得到氰化金的络合物溶液。氰化浸的络合物溶液可通过两种方式得到合质金。一是通过锌粉、锌丝置换出金金属,通过坩埚熔炼得到合质金。二是经过活性炭吸附、解析、电解、坩埚熔炼得到“合质金”。

  新中国成立前,新疆没有现代钢铁工业。新中国成立后,驻疆人民解放军节衣缩食,艰苦奋斗,自筹资金,于 1951 年兴建了新疆第一家钢铁企业——新疆八一钢铁厂。1952 年,八一钢铁厂炼出了第一炉铁和钢,轧出了第一批合格钢材,结束了新疆没有钢铁工业的历史。1950 ~ 1957 年,新疆钢铁工业总投资 2307 万元(不包括更新改造资金),全部用于建设八一钢铁厂,形成固定资产 2096 万元。 至 1957 年,生产生铁 5.15 万吨、钢 4.23 万吨、钢材 3.82万吨,收回全部基建投资。

  1958 ~ 1965 年,新疆钢铁工业基建投资累计 1.75 亿元(不包括更新改造资金),其中生产性投资 1.59 亿元。在全部基建投资中,八一钢铁厂为 7242 万元,占总投资的 41.4%。期间在“大炼钢铁”的号召下,投资 4754 万元建设了雅满苏铁矿、哈密钢铁厂、伊犁钢铁厂、乌鲁木齐第二钢铁厂、天龙钢铁厂、跃进钢铁厂以及库车、康苏等小钢铁厂和小矿山。1963 年,这批小钢铁企业在国民经济调整中先后关停,没有形成生产能力。仅保留了天龙钢铁厂等企业,企业经济效益不佳,多处于亏损状态。

  “”时期,新疆钢铁工业投资重点不突出,一些建设项目时上时下,时建时停,建设周期长,经济效益差,多数未能达到基建投资的预期效果。1966 ~ 1980 年,钢铁工业基建投资累计 3.5 亿元。其中八一钢铁厂投资 1.84 亿元,占总投资的 33.9%;矿山总投资 6060 万元,占总投资的17.3%;地方小钢铁厂投资1.49亿元,占总投资的41.4%;其他投资 2186万元,占总投资的 6.3%。地方小钢铁企业如哈密钢铁厂、伊犁钢铁厂、伊犁铁矿、和静钢铁厂、托里铬矿等恢复建设,并形成了一定的生产规模。1978 年,新疆钢产量达 8.46 万吨、钢材产量6.83 万吨。

  党的十一届三中全会以后,新疆钢铁工业迅速发展。“六五”、“七五”、“八五”期间,新疆钢铁工业完成基建总投资 4.33 亿元(不包括更新改造资金),投资的重点为八一钢铁厂扩建工程,占总投资的 76.9%,矿山占总投资的 11.1%,地方小钢铁企业占总投资的 8%,其他投资占总投资的 4%。 1980 ~ 1994 年,八一钢铁厂钢产量由 9.28 万吨增至 61.7 万吨,增长 3.4 倍;钢材产量由 7.8 万吨增至 53 万吨,增长 5.8 倍。同期新疆钢产量增长 5 倍、铁产量增长 3.1 倍、钢材产量增长 5.5 倍。1997 年,新疆钢铁工业完成工业总产值 27.59 亿元,工业增加值 7.39 亿元;实现销售收入 25.96 亿元,利税总额 1.22 亿元。

  目前,八一钢铁厂已成为全国实现全连铸和全一火成材的六家企业之一。许多技术指标达到国内先进水平,特别是两座 12 吨转炉的成功改造,使生产能力达到 100 万吨,创出了全国钢铁工业改造史上的奇迹。八一钢铁厂的技术、装备和效率均已达到了全国一流水平。其引进当代世界上最先进的工艺技术装备建成的连续式小型棒材轧机,不仅带动了产品结构和成本构成的深刻变化,而且提高了产品的质量和档次,增强了市场的竞争力。目前,加上从德国引进的电炉形成的生产能力,八一钢铁厂的炼钢生产能力已达 150 万吨,轧钢能力已达 130 万吨,分别占全区炼钢、轧钢生产能力的 80% 和 77% 以上。1999 年的钢和钢材产量分别达到 105 万吨和 117 万吨。近年来,钢铁生产迅速发展,2006 年,有铁矿山 125 个,其中大型 1 个,中型26 个,年开采矿石 1095 万吨;生产粗钢 362 万吨,生铁 270 万吨。2007 年生产粗钢约 445 万吨,钢材约 469 万吨,生铁约 387 万吨。

  据史料记载,在先秦时期,新疆的铜冶炼技术就已达到了较高的水平。20 世纪 80 年代考古工作者在新疆尼勒克县城南奴拉赛和圆头山发现了多处冶炼场遗迹。

  新中国成立前,新疆主要以炼铜为主,其次是铅锌。但规模不大,没有形成工艺体系。

  新中国成立后,新疆冶金局从 1958 ~ 1961 年在乌鲁木齐先后建起了八一铜厂、电解铜厂、红旗冶炼厂(乌鲁木齐铝厂前身)等小型有色金属冶炼企业。由于当时新疆还没有发现大中型铜矿,铜资源没有保障,铝电解的成本又过高,致使这几家冶炼厂没能生存下来。

  1978 年中共十一届三中全会后,新疆的有色金属工业有了较大的发展。1981 ~ 1989 年乌鲁木齐铝厂经过三期技术改造和扩建,形成 2 万吨 / 年铝锭的生产能力,另外,可可托海矿务局利用其充沛的水电资源,在 1987 年建成 2400 吨的铝锭的可可托海选厂。1989 年新疆有色公司和伊犁电力局合资的 5000 吨铝锭厂投产。1990 年新疆已形成 3 万吨 / 年铝锭生产能力。

  1989 年,新疆有色金属公司新建的喀拉通克铜镍矿投产,形成 7285 吨高冰镍生产能力,新疆现代铜镍工业开始起步。1993 年底,建成阜康冶炼厂,采用先进的湿法精炼新工艺生产电解镍,形成了 2040 吨 / 年的电解镍生产能力。

  新中国成立后,新疆黄金的生产也有了长足的发展,新疆境内已建成中小型金矿 32 个,其中阿希金矿、哈图金矿、哈巴河多拉纳萨依金矿、富蕴县萨尔布拉克金矿、鄯善康古尔金矿等岩金矿规模较大。尤其是阿希金矿采用国际先进的氰化树脂提金工艺,年产量达到 3 万两以上。

  新疆是全国最早从事稀有金属开发冶炼的省区,经过 40 多年的努力,新疆已建成我国第一个,全国最大、产品质量最好、具有自主研发能力的稀有金属技术工业基地。目前能够提供30 多种稀有金属产品,包括锂、铷、铯金属及其化合物。

  在冶炼过程中的生产自动化,将是今后金属冶炼发展的重要方向。20 世纪下半叶以来,冶金生产工艺与自动化技术的结合日益紧密。氧气转炉炼钢、连续铸锭、轧钢高速化和连续化等新工艺,把钢冶金的生产效率不断推向新的高度,这在很大程度上,应归功于应用计算机的自动控制。倘若没有自动控制,氧气转炉就难以充分发挥它的快速炼钢能力,连续铸钢就难于保证质量并获得高效率,轧钢就难以实现高速化和连续化。

  研究开发新的提取冶金技术也是今后冶金发展的一个方向。单纯从提取金属着眼,运用今天拥有的自然科学知识和技术手段,即使矿石含量再低,组成再复杂,都可以把金属提取出来,问题在于消耗的能源是否过大,花费的成本是否合算。因此,在提取冶金方面仍然有很多研究课题。例如:扩大资源范围,把在以往技术水平、经济条件下还不能利用的资源,通过新工艺、新装备变为可利用的资源;减少或消除生产过程对环境的污染,发展资源的综合利用,形成无公害工艺或无废料工艺;充分利用氧气等进一步强化冶炼过程,大大节约能源等。

  图6-5-1 阿尔泰山花岗伟晶岩稀有金属矿集区与地质构造关系略图(据新疆有色地质研究所)

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