稀有金属冶金
稀有金属的冶炼与工艺
经济挑战
再生稀有金属的成本较高，市场竞争力较弱 。
THANKS
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密度大
如锇的密度高达22.6克/立方厘米， 是已知密度最大的金属之一。
耐腐蚀性强
如金和铱在常温下不易氧化，具有良 好的耐腐蚀性。
稀有金属的应用领域
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航空航天
稀有金属在航空航天领域中广 泛应用于制造高温合金、喷气
发动机和火箭发动机等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子工业
稀有金属在电子工业中用于制 造电子元件和集成电路等。
矿石的化学处理
酸浸
用酸溶液溶解矿石中的有用成分，然后通过萃取、沉淀等方法将有用成分从溶液中分离 出来。
碱浸
用碱溶液溶解矿石中的有用成分，然后通过沉淀、结晶等方法将有用成分从溶液中分离 出来。
金属的精炼与提纯
精炼
通过电解、还原等方法将粗金属中的杂质去除，提高金属纯 度。
提纯
通过蒸馏、萃取等方法将金属中的杂质去除，得到高纯度金 属。
镧系元素
包括镧、铈、镨、钕、钷、钐 、铕、钆、铽、镝、钬、铒、 铥、镱、镥等。
过渡金属
包括钴、镍、铁、钌、铑、钯 等。
其他稀有金属
包括锆、铪、铌、钽、钨等。
稀有金属的特性
高熔点
大多数稀有金属具有高熔点，如钨的 熔点高达3410℃。
良好的导电性和导热性
如铜和银是良好的导电材料，而镍和 铂具有良好的导热性。
电化学冶炼
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电化学冶炼是一种利用 电化学反应提取稀有金 属的技术，通过电解过 程将矿石中的稀有金属 离子还原成金属单质。
电化学冶炼的优点是能 源利用率高、提取率高 ，且对环境影响较小。
稀有金属
熔炼技术稀有金属在地壳中的含量并不都是很少的。
例如钛、锆、钒在地壳中的含量大于常见的有色金属镍、铜、锌、钴、铅、锡。
稀有金属由于赋存分散，并且常与其他金属伴生,一些物理化学性质特殊因而往往要采取特殊的生产工艺。
如用有机溶剂萃取法及离子交换法分离提取锂、铷、铯、铍、锆、铪、钽、铌、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼以及镧系金属、锕系金属等；用金属热还原法、熔盐电解法制取锂、铍、钛、锆、铪、钒、铌、钽及稀土金属等；用氯化冶金法提取分离或还原制取钛、锆、铪、钽、铌和稀土金属等；用碘化物热分解法制取高纯钛、锆、铪、钒、铀、钍等。
真空烧结、电弧熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼等一系列冶金技术已经大量用于提炼稀有金属，特别是稀有难熔金属。
区域熔炼技术已是制取高纯度稀散金属和稀有难熔金属的有效手段。
随着科学技术的进步与冶金工艺、设备和分析检测技术的发展和稀有金属生产规模的扩大，稀有金属的纯度也就不断提高，性能不断改进，品种不断增多，从而推动了稀有金属的应用领域的扩大。
稀有金属的一些冶金工艺如有机溶剂萃取技术，氯化技术等也逐步推广到整个有色金属的冶金领域。
中国稀有金属资源丰富，如钨、钛、稀土、钒、锆、钽、铌、锂、铍等已探明的储量，都居于世界前列。
中国正在逐步建立稀有金属工业体系。
1.分解和处理稀有金属精矿的氛化法氯化法广泛地用于稀有金属及其化合物的生产工艺中。
国外在用氯化法处理复杂的含稀土元素的钦一担一铌原料方面, 取得了相当大的成绩, 掌握了在氯化钠+氯化钙+氯化稀土熔体组成的熔池中氯化细磨精矿的方法。
为了去除Al和Fe以净化待提取组分的氯化物, 可以采用盐净化法, 这种净化法是以铌、钽、铁和铝的复合氯化物各组分的热稳定性不同为根据的。
在对稀土金属的钦祝酸盐实施氯化处理的情况下, 形成五氯化铌的同时, 还形成了铌的氧氯化物, 在1000 ℃, 氧氯化铌的百分率达50%。
为了分离和深度净化铌与担的氯化物, 必须把氧氯化铌转化为五氯化铌, 因为后者是一种易于用物理化学方法净化的化合物。
《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。
稀有金属的冶炼与利用
稀有金属具有独特的物理、化学性质 ，如高熔点、高硬度、良好的导电性 和耐腐蚀性等，使其在工业、科技和 国防等领域具有不可替代的作用。
稀有金属的种类与分布
种类
常见的稀有金属包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、铼、镓、铟、铊、锗 、硒、碲等。
分布
稀有金属在地壳中的分布极不均匀，主要集中分布在少数几个国家和地区，如 中国、俄罗斯、澳大利亚和南非等。
性能
某些再生金属的性能可能会略有降低，但大 多数情况下仍能满足工业应用的需求。此外 ，再生金属的生产过程更环保，成本更低， 因此具有较大的市场潜力。
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稀有金属的未来发展前景
新兴领域的需求
新能源领域
电子信息领域
随着可再生能源的发展，对稀有金属 如钴、镍、锂等的需求不断增加，用 于制造电池、电机等关键部件。
该方法适用于处理高品位 、低杂质含量的矿石，具 有较低的能耗和环境污染 。
湿法冶炼的缺点是流程较 长，金属回收率相对较低 ，且对原料的适应性有限 。
电化学方法
电化学方法是一种利用电化学反应将矿石 中的稀有金属提取出来的方法。
该方法具有较高的选择性，能够有效地从 低品位矿石中提取稀有金属。
电化学方法的缺点是能耗较高，且对原料 的适应性有限。
其他领域
除了上述领域外，稀有金属还广泛应用于医疗、化工、核能和环保等领域。
例如，镓和铟用于制造医疗设备，如核磁共振成像仪的超导磁体；而铀则用于核能发电厂的核燃料。
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稀有金属的回收与再生
废金属的来源与收集
来源
废金属主要来源于工业生产、汽车拆解、电子废弃物、废旧设备等。
收集方式
通过回收站、废品收购站、专业回收公司等渠道进行收集，同时政府也会推动相关回收计划。
稀有金属_锂_铍_铌_钽
锂 、铍 矿 选 矿 方 法 ， 有 手 选 法 、浮 选 法 、化 学 或 化学－ 浮 选联合法、热 裂选 法 、放 射 性 选 法 、粒 浮 选 矿法等， 其中前 ３ 种方法较为常用。
手 选 法 在 五 六 十 年 代 是 国 内 外 锂 、铍 精 矿 生 产 中 的 主 要 选 矿 方 法 之 一 。 但 手 选 劳 动 强 度 大 、生 产 效率低、资源浪费大、选别指标低， 因而正在逐渐地 为机械选矿方法所代替。然而在劳动力便宜的发展 中国家里， 手选仍是生产锂铍精矿的主要方法。
的划分， 根据生产实践经验， 若矿体中锂辉石粒径＞ ３ ｃｍ， 矿石品位在 ２％～３％以上； 绿柱石的粒径＞０．５ ｃｍ，矿石品位在 ０．１％～０．２％以上 ， 就适于手选 ， 划分 为手选矿石， 并进行手选矿物储量计算。铌钽铁矿 粒径＞０．３ ｃｍ， 在开采过程中， 可附带手选。手选矿石 的尾矿具有机选价值的和不适于手选矿石的， 均属 机选矿石。 ３．２ 选矿
锂、铍、铌、钽制取主要有以下方法： （ １） 锂冶金包括化合物制取和金属制取 锂 化合物的 制取， 将锂辉 石精矿（含 Ｌｉ２Ｏ ６％～６．５％）和 锂 云 母 精 矿（含 Ｌｉ２Ｏ ４％～５％）用 硫 酸 法 或 石 灰 法 工 艺流程处理。硫酸法可适用于锂辉石矿物原料， 石 灰法适用于锂云母矿物原料。此外， 从矿石提取锂 化 合 物 的 方 法 还 有 硫 酸 钾 法 、氯 化 焙 烧 法 和 碱 压 煮 法等。工业生 产金属锂则 采用 ＬｉＣｌ－ ＫＣｌ 熔盐电 解 法。 （ ２） 铍的制取 工业上金属铍的生产一般分 为两步： 第一步是从绿柱石中提取氧化铍， 第二步 是由氧化铍制取金属铍。氧化铍的提取有硫酸盐法 和氟化物法。金属铍的生产， 因氧化铍极难直接还 原成金属，故生产中先将氧化铍转化为卤化物， 然后 再还原成金属。有两种工艺， 即氟化铍镁还原法和 氯化铍熔盐电解法。 （ ３） 铌 的 冶 炼 包 括 分 解 精 矿 、分 离 钽 铌 、制 取 化 合 物 和 金 属 、精 炼 等 过 程 。 金 属 铌 的 工 业 生 产 方法有碳热还原法、钠热还原法和铝热还原法。 （ ４） 钽的冶炼 主要步骤是分解精矿， 净化和 分离钽、铌 ， 以 制 取 钽 、铌 的 纯 化 合 物 ， 最 后 制 取 金 属 。 矿 石 分 解 采 用 氢 氟 酸 分 解 法 、氢 氧 化 钠 熔 融 法 和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂萃取法（常用的萃 取 剂 为 甲 基 异 丁 基 酮（ＭＩＢＫ）、磷 酸 三 丁 酯（ＴＢＰ、仲 辛 醇和乙酰胺等）、分步结晶法和离子交换法。
冶金工业部管稀有金属的部门领导
冶金工业部管稀有金属的部门领导稀有金属是指在地壳中含量较低、分布较零散的金属元素，具有独特的物理、化学和电子性质，广泛应用于高科技和先进制造业领域。
稀有金属的开发和利用对于国家经济发展和科技进步具有重要意义。
因此，冶金工业部设立了专门负责稀有金属的部门，以便更好地统筹和管理稀有金属资源。
稀有金属部门的主要职责是负责稀有金属资源的调查、勘探和开采工作。
首先，部门领导要制定稀有金属资源调查的计划和方案，并组织相关人员进行实地勘查和样品采集。
通过对地质构造、岩性特征和矿床分布的综合分析，确定潜在的稀有金属矿产资源。
此外，还需要开展地球物理、地球化学和地质工程等技术手段的研究，以提高勘查的准确性和效率。
在稀有金属资源勘查的基础上，稀有金属部门还要负责开展稀有金属矿产资源的开采与加工。
首先，要制定科学合理的矿山规划和开发方案，并组织实施。
在矿山开发过程中，要注重环境保护和资源可持续利用，采取有效措施防止资源浪费和环境污染。
其次，还要进行矿石的选矿和冶炼工艺研究，以提高稀有金属的品位和回收率。
通过合理的选矿和冶炼工艺，可以降低生产成本，提高资源利用效率。
稀有金属部门还要负责稀有金属产品的开发和应用研究。
稀有金属具有独特的物理、化学和电子性质，广泛应用于航空航天、电子信息、新能源和新材料等领域。
部门领导要组织开展稀有金属产品的研发工作，提高产品的技术水平和市场竞争力。
同时，要加强与科研院所、高校和企业的合作，共同开展稀有金属应用技术的研究和开发。
通过技术创新和产品升级，提高稀有金属在国家经济发展中的地位和作用。
除了以上职责，稀有金属部门还要负责稀有金属资源的管理和监督。
部门领导要制定相应的管理制度和政策，加强对稀有金属资源的保护和合理利用。
同时，要加强对稀有金属企业的监督和指导，确保企业依法合规经营。
此外，还要加强对国际稀有金属市场的研究和监测，及时了解市场动态，制定相应的政策和措施，保障国家的稀有金属供应和市场稳定。
各种稀有金属的用途和产地
各种稀有金属的用途和产地焦炭用途：焦炭主要用于高炉炼铁和用于铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风炉冶炼，起还原剂、发热剂和料柱骨架作用。
产地：我国炼焦企业主要分布于华北、华东和东北地区。
近年来，我国焦炭行业发展异常迅速，产量由2000年的1.28亿吨增加到2004年的2.09亿吨。
同期，焦炭出口量基本维持在1400万-1500万吨左右，其中2004年，出口量为1501万吨，约占世界焦炭贸易量的60%左右;而焦炭出口量占全国焦炭产量的比例逐渐下降。
矾土用途：一种氧化铝矿石。
常因含有氧化铁而呈黄至红色，故又称“铁钒土”。
矾土的用途极为广泛：可用于炼铝工业、精密铸造、耐火制品、硅酸铝耐火纤维以及制造矾土水泥，研磨材料，陶瓷工业以及化学工业可制铝的各种化合物等。
产地：中国铝土矿分布高度集中，山西、贵州、河南和广西四个省(区)的储量合计占全国总储量的90.9%(山西41.6%、贵州17.1%、河南16.7%、广西15.5%)，其余拥有铝土矿的15个省、自治区、直辖市的储量合计仅占全国总储量的9.1%。
镁用途：常用作还原剂，去置换钛、锆、铀、铍等金属。
主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、科学仪器脱硫剂脱氢和格氏试剂，也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等。
结构特性类似于铝，具有轻金属的各种用途，可作为飞机、导弹的合金材料。
产地：目前全球已确认的菱镁矿资源量约为124亿吨，中国镁资源储量33.19亿吨。
中国菱镁矿储量主要分布在河北、辽宁、安徽、山东、新疆等9个省(区)，其中以辽宁储量为最大。
碳化硅用途：碳化硅耐高温，与强酸、强碱均不起反应，导电导热性好，具有很强的抗辐射能力。
用碳化硅粉直接升华法可制得大体积和大面积碳化硅单晶。
用碳化硅单晶可生产绿色或蓝色发光二极管、场效应晶体管，双极型晶体管。
用碳化硅纤维可制成雷达吸波材料，在军事工业中前景广阔。
碳化硅超精细微粉是生产碳化硅陶瓷的理想材料。
产地：中国的碳化硅分布在河南、青海、宁夏、四川、贵州、湖北丹江口等地。
稀有金属材料制备及加工技术的研究与发展
稀有金属材料制备及加工技术的研究与发展随着现代工业的不断发展和技术的进步，各种稀有金属材料的需求量越来越大。
这些稀有金属材料包括但不限于钨、钽、铌、镁、锂等，它们分别具有优异的物理、化学、电学等特性，因此在航空、航天、电子、化工、石油等领域拥有广泛的应用前景。
而稀有金属材料的制备及加工技术，也成为研究人员们关注的热点之一。
一、稀有金属材料制备技术稀有金属材料制备技术包括选矿、冶炼、化学合成、电化学制备等几种主要方法。
其中，选矿是比较常见的方法，可以分为重选和浮选两种。
重选是根据稀有金属矿石与伴生矿物的密度差异进行物理分离，工艺较为简单，但是分离效果不如浮选。
浮选则是借助密度、浮力、静电等作用使矿石和伴生矿物分离，其选择性较强，分离效果好，但难度也较大。
冶炼法是将矿物精炼成金属的方法，包括火法和湿法两种，但现在多采用湿法冶炼，即采用化学反应的方法，分离出稀有金属。
此外，电化学制备也成为研究人员们关注的重点，其中包括电沉积、阳极氧化、电解析等方法。
电沉积法是将带电稀有金属离子降积到电极上，从而制备出材料。
阳极氧化法是将金属表面产生氧化膜，目的是提高其耐腐蚀、防护、装饰等性能。
而电解析法则是利用熔盐电解技术，将金属离子电化学还原为金属粉末。
二、稀有金属材料加工技术稀有金属材料加工技术主要包括粉末冶金、热加工和精密加工三种方法。
粉末冶金是将稀有金属材料加工成粉末后，再按一定比例混合、压制、烧结制成所需材料。
这种方法可以获得高密度、均匀、无气孔的材料，但成本较高。
热加工是指通过高温、高压等方法对稀有金属材料进行塑性变形，由于稀有金属的高熔点和吸氧能力强，该方法难度也较大。
精密加工则是指将已经成型的稀有金属材料进行精密加工和加工过程中的精确控制，包括铣削、钻孔、车削等方法。
这种方法可以生产出高精度、高表面质量的稀有金属零件。
三、发展趋势稀有金属材料制备及加工技术的发展趋势主要有以下几个方面：1. 高效、低成本的制备工艺研究，已经成为主要研究方向之一。
稀有金属的提取和应用
稀有金属的提取和应用稀有金属是指在地球上的分布极为有限、易于氧化或者接触，不易于提取的金属元素。
由于其独特的性质，包括高强度、高融点、超导性、磁性等，稀有金属在高科技、国防及其他领域中，得到广泛应用。
稀有金属的提取与应用既有经济意义，也有重大科研价值。
一、稀有金属的提取方法（一）电解法电解法是最常用的提取稀有金属的方法之一。
这种方法在实验室和工业生产中都有应用。
常见的稀有金属电解提取方法包括铀、锆和镧系元素等。
（二）络合剂法络合剂法是通过用有机化合物直接分离或提取稀有金属的方法。
这种方法在冶金和钢铁工业中有广泛应用。
此方法可以用于提取镍、铬、钨、锰等。
例如，利用螯合剂丁二酰二亚胺，可以提取出铬。
钨的络合剂是四甲苯基反丁酰脲酸。
（三）溶解还原法溶解还原法在提取铬、铁和锂等稀有金属中使用得较多。
这种方法是将稀有金属的盐溶于稀酸中，然后通过还原反应分离出稀有金属。
由于这种方法使用的药品质量较高，成本也相对较高。
（四）蒸馏分离法蒸馏分离法是适用于提取高纯度稀有金属的方法。
这种方法可用于铝的提取及其他金属的分离。
这种方法使用的设备和技术比较高级，成本较高，但可以得到高纯度的稀有金属。
二、稀有金属的应用（一）电子产业稀有金属在电子产业中有广泛的应用。
在电容器中使用的铝箔是一种铝质的现象级密封电容器，它采用薄铝箔作为极板的材料。
这种电容器具有高阻抗、长倍程性、低漏电流等特性。
此外，金属氧化物半导体（MOSFET）电流控制器，LED（发光二极管）等均使用稀有金属作为关键性材料。
（二）医药工业稀有金属在医药工业中有着重要作用，由于其特殊的物理和化学特性，在放射性测量、纯净水制造、X光和核磁共振成像等方面都发挥着重要的作用。
例如，放射性核素铊，常被用于扫描引导的治疗，用于诊断和治疗以及在放射性靶子研究中使用。
此外，在心脏起搏器和移植物材料的生产中，钛、铌、铌钛合金等都有广泛的应用。
（三）军事工业在军事工业中，稀有金属有着广泛的应用。
钨冶金学
第九章 钨冶金
2.化学性质 钨是元素周期表中第6周期VIB族元素，元素符号W，原子序
数74，相对原子质量183. 85。钨原子的外电子构型为 [Xe]4f145d46s2，价电子为5d46s2。钨的氧化态有0, +1,+2, +3, +4, +5,+6等。高氧化态钨呈酸性，低氧化态钨呈碱性。 块状钨在常温空气中是稳定的;在673K时开始失去金属光泽， 表面形成蓝黑致密的WO3保护膜;1013K时WO3由斜方晶系转 变为四方晶系，保护膜遭到破坏。
第九章 钨冶金
反应产生CO2气体从反应区内排出，同时二价铁、二价锰氧化 成高价，因此上述反应实际上是不可逆的。
反应产物的状态决定于过程的温度。在1073～1153K温度下， 产物为半熔融的(糊状)物质，1173～1273K则呈液态熔体。
当处理白钨精矿时，在配料时加入适量的SiO2，既可降低 Na2CO3的消耗和防止游离CaO的生成(白钨精矿在添加二氧化 硅条件下与碳酸钠反应)，又有利于提高后续过程钨的浸出率。 反应为: CaWO4+Na2CO3+1/2SiO2=Na2WO4+1/2Ca2SiO4+CO2↑ CaWO4+Na2CO3+SiO2= Na2WO4+Ca该方法为黑钨精矿中的钨与氢氧化钠溶液发生复分解反应转变
为可溶性钨酸钠，而与大量不溶性杂质分离的钨精矿分解方法， 其反应是: FeWO4+2NaOH=Na2WO4+Fe(OH)2↓ MnWO4+2NaOH=Na2WO4+Mn(OH)2↓ 黑钨精矿的碱分解主要有常压搅拌碱分解和加压碱分解工艺。 常压搅拌碱分解采用-0. 043mm粒级达98%的黑钨精矿粉， 氢氧化钠用量为理论量的200%，在383～393K温度下分解 8～12h; 加压分解采用-0. 043mm粒级达98%的黑钨精矿粉，苛性钠 用量为理论量的110%-150%，矿浆含NaOH 200～300g/l， 在453K温度下分解1h。 常压和加压碱分解工艺的黑钨精矿的分解率为98.5%～ 99.0%。
稀有金属粉末冶金技术考核试卷
C.真空熔炼
D.混合
5.下列哪种粉末冶金技术适用于稀有金属精密部件的制造？（）
A.挤压成型
B.粉末锻造
C.粉末注射成型
D.烧结成型
6.稀有金属粉末的粒度对其冶金性能有何影响？（）
A.粒度越小，冶金性能越差
B.粒度越大，冶金性能越差
C.粒度与冶金性能无关
D.粒度越小，冶金性能越好
7.下列哪个因素会影响稀有金属粉末的烧结过程？（）
11.稀有金属粉末冶金中常用的烧结方式有哪些？（）
A.真空烧结
B.氩气保护烧结
C.氢气还原烧结
D.热压烧结
12.以下哪些方法可以用来改善稀有金属粉末的压制性能？（）
A.添加润滑剂
B.调整压制工艺参数
C.改变粉末粒度分布
D.提高粉末的松装密度
13.以下哪些稀有金属粉末适合用于注射成型工艺？（）
A.钨
B.铂
D.所有上述应用
20.以下哪些因素会影响稀有金属粉末冶金件的尺寸精度？（）
A.粉末的粒度
B.压制模具的精度
C.烧结工艺参数
D.后续加工工艺
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.稀有金属粉末冶金技术中，________是一种常用的粉末成型方法。
2.稀有金属粉末的粒度一般分为________、________和________三个等级。
1.下列哪种稀有金属常用作催化剂？（）
A.铂
B.钨
C.铼
D.铝
2.粉末冶金技术中，哪种方法常用于制备稀有金属粉末？（）
A.机械合金化
B.电解法
C.熔融喷吹法
D.化学气相沉积
3.下列哪个元素属于稀土金属？（）
冶金学科的分类
冶金学科的分类
冶金学科按照不同的分类标准可以分为多个子学科，以下是一些常见的冶金学科分类：
黑色金属冶金：包括钢铁冶金，铸铁冶金等，主要涉及铁、锰等金属的提取和加工。
有色金属冶金：包括铝、铜、镍、锌等有色金属的冶炼和提炼。
稀有金属冶金：涉及提取和加工稀有金属，如金、银、铑等。
金属材料工程：研究金属的性能、组织、加工等方面，包括金属材料的设计和改良。
冶金热力学：研究金属在高温下的行为，包括相变、热力学性质等。
冶金动力学：研究金属在不同条件下的动力学行为，如金属的晶体生长、相变动力学等。
冶金分析：包括对金属和合金进行成分分析、结构分析等。
冶金工艺学：研究金属的冶炼和加工工艺，包括熔炼、铸造、轧制等。
冶金环境工程：关注冶金过程对环境的影响，包括环境污染控制、资源循环利用等。
这只是冶金学科的一些常见分类，实际上，冶金学科十分广泛，还包括了许多细分领域和交叉学科。
稀有金属冶金学
• D.以沈阳为中心的东北市场：主要是冶金、 军工、电池行业，年消费镍约6000吨。随 着宝钢、太钢不锈钢计划的实施，东北地 区的不锈钢生产会逐步萎缩，优势将集中 在高温合金和军工钢方面，消费量呈递减 趋势。
• a.作金属材料，包括制作不锈钢，耐热合金钢和各种合 金等3000多种%。主要用在钢 材及其他金属材料的基体上覆盖一层耐用、耐腐蚀的表 面层，其防腐性能要比镀锌层高20~15%。
• c. 在石油化工的氢化过程中作催化剂。在煤的气化过程 中，当用CO和H2合成甲烷时发生下列反应：CO + 3H2 →CH4 + H2O（温度800℃、催化剂）常用的催化剂为高 度分散在氧化铝基体上的镍复合材料(Ni25~27%)。这种 催化剂不易被H2S、SO2所毒化。
A.在大气中不易生锈以及能抵抗苛性碱的 腐蚀。大气实验结果，99%纯度的镍在 20年内不生锈痕，无论在水溶液或熔盐 内镍抵抗苛性碱的能力都很强，在50% 沸腾苛性钠溶液中每年的腐蚀性速度不 超过25微米，对盐类溶液只容易受到氧 化性盐类（如氯化高铁或次氯酸铁盐） 的侵蚀。镍能抵抗所有的有机化合物。
• E.镍具有磁性，是许多磁性物料（由高 导磁率的软磁合金至高矫顽力的永磁合 金）的主要组成部分，其含量常为 10~20% 。
1.2.1.2 化学性质
金属镍是元素周期表第8副族铁磁金属 之一，原子序数28，原子量58.71,熔点 1453±1℃，沸点2800℃。天然生成的金属 镍有五种稳定的同位素：Ni5867.7%、 Ni6026.2%、 Ni611.25%、Ni623.66%、 Ni641.66% 。其主要化学性质有：
稀有金属冶炼技术
稀有金属的种类
镧系元素
包括镧、铈、镨、钕等元素，具有特殊的物理和化学性质，广泛 应用于高科技领域。
锕系元素
包括锕、钍、铀等元素，具有放射性和化学活性，在核能和医疗领 域有重要应用。
过渡金属
如钴、镍、钒、钛等元素，具有优良的导电性和耐腐蚀性，在航空 、能源和化工等领域有广泛应用。
稀有金属的特性
减少固体废弃物
优化冶炼工艺，减少固体废弃物的产生，同时对固体废弃物进行 合理利用和处理。
资源循环利用技术
冶炼渣回收
利用先进的回收技术，对冶炼渣进行回收处理，提取其中的有价金 属元素，实现资源的循环利用。
余热回收
通过余热回收技术，将冶炼过程中的余热转化为电能或热能，减少 能源的浪费。
废水处理与再利用
02
高效分离技术
03
自动化与智能化
研究开发高效、低成本的分离技 术，减少杂质含量，提高产品品 质。
引入自动化和智能化技术，实现 冶炼过程的远程监控和自动控制 ，提高生产效率。
降低能耗和污染
01
02
03
节能技术应用
采用先进的节能技术和设 备，降低冶炼过程中的能 源消耗。
环保处理措施
加强冶炼废气、废水和固 废的治理，减少对环境的 污染。
电解冶炼技术
电解冶炼是一种电化学提取技术，通过电解的方法将矿石 中的稀有金属提取出来。该技术适用于处理高品位、低杂 质的矿石，具有较高的纯度和较低的能耗。
电解冶炼过程中需要使用大量的电能，同时会产生大量的 阳极泥和阴极金属，对环境造成一定的影响。因此，需要 采取相应的环保措施和资源回收利用措施。
其他冶炼技术
对冶炼废水进行处理，使其达到排放标准，同时对处理后的废水进行 再利用，减少水资源的消耗。
第一章 稀有金属锗铟钛冶金
稀有金属锗、铟、钛冶金昆明理工大学冶金与能源工程学院二0一二年九月稀有金属锗、铟、钛冶金（24学时）第一单元稀有金属概论（3学时）第二单元锗冶金（3学时）第一节锗的性质、应用以及锗工业的发展和展望第二节制取锗的各种途径第三单元铟冶金（3学时）第一节铟的性质、应用及铟工业的发展和展望第二节制取铟的各种途径第四单元第一章钛冶金（3学时）第一节钛的性质、应用及钛工业的发展和展望（1学时）第二节制取钛的各种途径（1学时）第三节海绵钛的工业生产方法（1学时）第二章钛渣和人造金红石生产（3学时）第一节电炉熔炼钛渣的基本理论第二节熔炼钛渣的工艺和设备第三节选择性浸出制取人造金红石第三章粗四氯化钛的生产（3学时）第一节氯化冶金概况第二节沸腾氯化工艺流程和设备第四章粗四氯化钛的精制（2学时）第一节精制四氯化钛的原理第二节精制四氯化钛的工艺实践第五章镁还原法生产海绵钛（1学时）第一节镁还原反应过程的特点第二节镁还原四氯化钛的工艺实践第六章钛白（二氧化钛）生产（3学时）第一节钛白的主要性质、用途和品种第一节硫酸法生产钛白第二节氯化法生产钛白教学参考书1.王吉昆何蔼平《现代锗冶金》冶金工业出版社2005.2.(俄)П.И.ФЕДОРОВ.Р.Х.АКЧУРИН．铟的化学手册[M]．北京大学出版社,20053、王树楷.《铟冶金》. 北京: 冶金工业出版社. 20064、莫畏罗方承等《钛冶金第二版》冶金工业出版社19985、孙康《钛提取冶金物理化学》冶金工业出版社20016、李洪桂《稀有金属冶金学》冶金工业出版社1990.7、吴炳乾《稀土冶金学》中南工业大学出版社1997.第一单元稀有金属概论（3学时）1.1 稀有金属的概念中文名称：稀有金属英文名称：rare metal，less-common metal定义：地壳中丰度很低或分布稀散或不容易经济地提取的金属。
对“稀有金属”包括的范围，目前在学术上尚没有统一的划分标准。
根据我国惯例，一般认为它包括周期表中约59个金属(包括人造元素)。
稀有金属的研究与开发
稀有金属的研究与开发稀有金属是指存在于地壳中含量较低的金属，一般指稀土元素、铂族元素等。
随着科技的发展和应用领域的不断拓展，稀有金属的应用价值越来越受到重视。
本文将从稀有金属的研究现状、应用领域和发展前景三个方面进行探讨。
一、稀有金属的研究现状稀有金属的研究涉及到地球化学、材料科学、化工、环保等多个领域。
在国际上，日本、韩国、美国等国家一直在稀有金属的获取和利用方面做出了突出贡献。
日本是世界上最著名的稀土元素消费国之一，而韩国则是铂族金属需求最大的国家之一。
美国则在还原稀土金属、铱等金属方面取得了较大成就。
在国内，随着国家对能源环保的高度重视和人民消费水平的提高，稀有金属的研究也逐渐得到了国内学者的关注。
国内的稀有金属研究主要集中在稀土元素、铂族金属等方面。
其中，中国稀土资源占全球总量的90%，但是在稀土元素的提纯、分离等技术方面仍有较大的发展空间。
铂族金属则主要来源于南非等地，与其稀缺性相比，国内开采利用的规模仍有较大上涨空间。
二、稀有金属的应用领域稀有金属广泛应用于电子、航空、冶金、新能源等多个领域。
电子产品：稀土元素主要应用于电子领域。
NdFeB磁体是现代信息时代的核心材料，而稀土元素正是制造NdFeB磁体的关键原材料。
稀土元素还可以用于电子显示器的荧光粉、高精度色带等，可谓是电子产品生产的“万金油”。
航空领域：稀有金属在航空领域的应用主要是指钨、铼、铂等金属在制造合金方面的使用。
如Tungsten-Nickel-Iron合金在制作高温动力设备时表现出色，铂金合金则常用于卫星发射器的反射器制作中。
冶金领域：稀有金属在冶金领域主要应用于高温熔炼设备中，如钼、铼在钢铁冶炼、铜冶炼中的使用。
新能源领域：稀有金属在新能源领域也有广泛的应用。
稀土元素是太阳能电池板和照相机闪光灯等设备的重要材料之一。
氢氧化镨和氢氧化镝等稀土元素化合物可以提高镍氢电池的电化学性能，提高电池性能。
三、发展前景稀有金属的高应用价值，受到了越来越多的关注。
稀有金属稀土小简介
1、稀有金属根据各种元素的物理和化学性质，赋存状态，生产工艺以及其它一些特征，一般从技术上分为以下五类：1、稀有轻金属：包括锂、铷、铯、铍。
比重较小，化学活性强。
2、稀有难熔金属：包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨。
熔点较高，与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。
3、稀有分散金属：简称稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、铼以及硒、碲。
大部分赋存于其它元素的矿物中。
4、稀有稀土金属：简称稀土金属，包括钪、钇及镧系元素。
它们的化学性质非常相似，在矿物中相互伴生。
5、稀有放射性金属：包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其它元素和104 放射性金属至107号元素。
2、TFe：是指总铁或全铁的意思，即Total Fe铁矿基本分析项目主要做全铁(TFe)分析，在铁矿地质勘探中，全铁量(TFe)是评价铁矿石质量的主要技术指标，而磁性铁(MFe) 占全铁(TFe)百分率是评价铁矿床工业价值。
3、Zr：锆的元素符号。
4、钽铌材料及其性能钽1. 钽金属(tantalum)：钽是稀有高熔点金属。
熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。
导热系数（25℃）54W/M·K。
线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。
钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta—10W、Ta—40Nb 等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。
钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。
钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物兼容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2. 钽的化合物(tantalum compound)---应该不是重点3. 钽酸锂晶体(lithium tantalate crystal)：钽酸锂（LiTaO3，简称LT）是一种典型的人工提拉法生长的晶体，属三方晶系，3m 点群，它具有良好的压电、铁电、光电、热释电效应，应用领域广泛，涉及工业、民用、军事等各方面。
稀有金属及贵金属冶金工程
目次1总则 (1)2基本规定 (2)2.1一般规定 (2)2.2项目规划与选址 (3)2.3可研论证、勘察设计与施工建设 (3)2.4运维、改造、拆除与应急响应 (4)2.5冶金设备、备品备件与维修设施 (4)2.6能源资源节约与新工艺新技术新设备 (4)2.7生态环境保护设施 (5)2.8安全卫生 (5)2.9辐射防护 (7)2.10个人防护 (9)3备料设施与产品储运设施 (10)3.1一般规定 (10)3.2原料要求 (10)3.3原辅材料及能源燃料储运设施 (10)3.4原辅材料预处理及煤粉制备设施 (10)3.5化学品与金属产品储存 (10)4冶金工艺过程设施与产品包装设施 (12)4.1一般规定 (12)4.2锂铷铯(碱金属)冶金 (12)4.3铍(碱土金属)冶金 (13)4.4稀土冶金 (13)4.5钒冶金 (14)4.6钛冶金 (15)4.7锆铪冶金 (16)4.8钽铌冶金 (17)4.9钨冶金 (17)4.10钼和铼冶金 (18)4.11稀散金属冶金 (18)4.12金银及稀贵金属冶金 (19)4.13资源再生与二次资源预处理 (19)5分析检测中心 (20)6公用工程与配套设施 (21)6.1一般规定 (21)6.2总图布置 (21)6.3建筑结构 (21)6.4暖通 (22)6.5给排水 (22)6.6供配电与控制室 (22)6.7洁净室、电磁屏蔽与减振降噪 (23)6.8动力设施及特殊设施 (23)附录A：稀冶项目规模划分 (24)附录B：稀冶项目工艺生产装置抗震设防与火灾危险类别 (25)附录C：稀冶项目安防等级 (38)附录D：稀冶项目作业区洁净度等级 (39)附录E：主要危毒化学品 (40)附录F：现行环保标准 (76)附：起草说明 (93)1总则1.0.1为贯彻执行国家技术经济政策，促进技术进步，确保稀有金属及贵金属冶金工程项目(本规范简称“稀冶项目”) 在规划、立项、设计、建设、运维、改造、拆除等全生命周期的技术管理过程中有效地保障人民生命财产安全、人身健康、工程质量安全、生态环境安全、公众权益和公共利益，促进能源资源节约利用，满足国家经济建设和社会发展，实现项目的基本功能和性能，制定本规范。
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– 混合稀土870℃ Pr 920 ℃
(3)电流密度
• 阴极电流密度↑
– 金属溶解、二次反应相 对↓→电效↑
– 碱金属阳离子放电↑→ 电效↓
• 阳极电流密度↑
– 阳极气体搅拌激烈→金 属损失、阳极材料损失 ↑→电效↓
• 适宜值
– 阳极 3～6A/cm2, – 阴极 0.6～1.0A/cm2
1. 电解质的分解电压与电极电位
RECl3=RE+3/2Cl2
理论论分解电压 E=-△G0/(nF)
2.电解质的熔点
表7-3
表7-4
粘度↑ →
3.电解质的粘度
不利于熔融稀土金属与电解质的分离 不利于泥渣沉降，阳极气体排出 不利于电解时的传热，传质
4. 电解质的电导
提高比电导 → 可提高电流密度, 或 加大极距,减少RE的二次反应
5.电解质的密度
密度↓ → 有利于金属-电解质分离, 有利于电解渣-电解质分离
6.电解质的蒸汽压
1）蒸汽压↑→挥发损失↑，电解质组成稳定性↓，收尘负荷↑ 2) PRECl3 > P RECl2 3) 添加KCl等,可降低稀土蒸汽压
7.电解质对稀土金属的溶解性能
1) RE在RECl3中有很大的溶解度 (100mol RECl3可溶解10-30mol RE)
2.电解槽结构
（1）石墨电解槽
特点
– 金属析出在瓷皿接收器 中，金属损失小，电效、 金属回收率高
– 阳极结构有利于阳极气 体逸出
缺点
– 生产能力低（单槽电流 1000A以下），能耗大
(2)陶瓷电解槽
优点：产能大，生产效率高（2300～5000A）、能耗低 缺点：电流分布不均匀，金属损失大，电流效率低
• 电流效率降低的原因
(1) 部分输入电流的空耗
• 碱金属或碱土金属的放电 • 稀土离子的不完全放电
(2) 部分电解金属的损失
• 物理损失(机械夹杂) • 化学损失
– 金属在电解质中的溶解 – 金属的再氧化 – 金属与阳极材料、电解质中杂质、空气的反应
(1)电解质中稀土 氯化物的含量
• RECl3浓度过低 →浓差极化 →阴极电位降低 →K+等的放电
第七章 熔盐电解法制取稀土金属
概述 ●制取稀土金属的方法 ●熔盐体系 第一节 稀土氯化物的熔盐电解 第二节 稀土氧化物－氟化物的熔盐电解
第一节 稀土氯化物的熔盐电解
概述 -稀土的电极电位比氢负，不能在水溶液中电解生产
-电解反应：RECl3 = RE + 3/2Cl2
一、稀土氯化物熔盐电解质的性质与组成
• RECl3浓度过高 →粘度↑ →机械损失↑ →阳极气体排出困难 →二次反应
• 适宜RECl3浓度: 35%～48%
(2) 电解温度
• 温度过高
– 电解质循环、对流加剧 →RE,RE2+ 阳极在氧化↑
– RE在RECl3中的溶解度↑ – 二次反应↑
• 温度过低
– 粘度↑→金属不易凝聚→阳 极氧化↑
一般要求 1. 分解电压与电极电位 2. 熔点
3. 粘度
4. 电导
5. 密度
6. 蒸汽压 7. 对稀土金属的溶解性能
二、稀土氯化物熔盐电解的电极过程 三、稀土氯化物熔盐电解的工艺实践
1.工艺过程
2.电解槽结构
3.工艺要求、条件和指标
四、稀土氯化物熔盐电解的电流效率及其影响因素
• 造成电流效率降低的原因
Fe2+ +2e = Fe
• Sm3+ + e = Sm2+
Eu3+ + e = Eu2+
• 应尽量避免电位较正的阳离子与变价稀土进入电解质
(2) EC =-3V, i=10-2～10A/cm2 • 稀土析出： RE3+ + e =RE
• 副反应： RE +2RECl3 =3RECl2,
RE +3KCl3 =RECl3 +3K ,
3.工艺要求、条件和指标
• 电解原料的杂质含量要求(质量%)
– Th<0.03
S<0.5
F<0.05
– Pb<0.01 – H2O<0.5
SO42-<0.01
PO43-<0.01
水不溶物<1.5
表7-11 稀土氯化物电解工艺条件及技术指标
表7-11
造成电流效率降低的原因
• 电流效率=实际金属产量/理论金属产量
(4)极距与槽型
• 极距过小
– RE,RE2+容易移向阳极而被氧化 – Cl2容易循环至阴极使RE氧化
• 极距过大
– 电阻↑→局部过热↑→能耗↑
(5)电解物料的纯度
– Fe, Al, Si, Mg, Pb等比稀土易析出的金属含量↑→产品纯度↓,电效↓ – S, P, C (SO42-, PO43-)含量↑→稀土金属氧化↑,
(3) EC =-3.0～3.5, I>10A, • 浓差极化严重，达到极限电流密度
• 碱金属析出 Me+ + e = Me
2.阳极过程
– 主反应: Cl- =[Cl] + e, – 副反应: SO42-,OH-放电反应
2[Cl] = Cl2↑
1.工艺过程
• 氯化物稀土熔盐电解主要用于轻稀土金属、混合稀土生产 • 重稀土金属熔点高（>1300℃），不宜在氯化物体系中电解
难溶稀土化合物的生成↑→电效↓ – 水不溶物(REOCl等)→生成泥渣悬浮于电解质→提高粘度
(6)稀土金属种类及变价元素的含量
• 单一稀土的电解
– 原子序数↑→RE在RECl3中的溶解度↑→电效↓ 表7-12 溶解度与电流效率
• Sm等变价稀土的存在,可使电效显著↓
– 阴极 Sm3+ + 3e → Sm – 金属-电解质界面 Sm + Sm3+ = Sm2+ – 阳极Sm2+ - e → Sm3+
(1)电解质中稀土氯化物的含量
(2)电解温度 (3)电流密度 (4)极距与槽型 (5)电解物料的纯度
(6)稀土金属的种类和变价元素的含量
熔盐电解对电解质的一般要求
• 熔点较低 → 有利于在降低电解温度 • 粘度小 → 有利于金属与电解质的分离 • 导电性好 → 有利于提高电流密度 • 密度小 → 有利于金属的分离 • 对金属的溶解度小→有利于降低金属损失 • 蒸汽压低 → 有利于减少挥发损失
2) 添加KCl,NaCl等可显著降低熔盐对 RE的溶解度
3) 效果：KCl, LiCl>NaCl, CaCl2
二、稀土氯化物熔盐电解的电极过程
• 电极：石墨阳极；钼阴极
1.阴极过程: 随电流的增大,电压的升高,依次发生如下反应:
(1)EC=-1～-2.6V, i=10-4～10-2A/cm2
• 2H++2e = H2