第一篇 1矿物提取金属

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1.1炼铁原理
在高炉冶炼中，Fe、 P、Zn几乎能全部 被还原， 而Si、Mn、Ti、V、 Cr、Cu、Pb只能 部分被还原， Mg、Ca、Al则完 全不能被还原。
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炼铁原理
（1）焦炭的燃烧 （2）铁的还原和增碳 （3）造渣与脱硫
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炼铁原理
（3）造渣与脱硫
熔剂高温分解： CaCO3→CaO+CO2 反应产物与酸性脉石、灰分作用，形成熔点低、密 度小炉渣（硅酸钙） CaO+SiO2→CaSiO3 渣铁界面上发生脱硫反应： CaO+FeS→CaS+FeO 生成的CaS进入炉渣。炉温越高，脱硫反应越充分。
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炼铁原理
（1）焦炭的燃烧 从炉顶转入炉内的焦炭，在下降过程中被上升的高 温炉气预热，下降到风口的红热焦炭与鼓入的热空 气相遇，产生激烈的燃烧反应： C+O2→CO2+Q 反应产物CO2又与红热焦炭相遇， CO2+C=2CO 含大量CO的高温炉气，逆下降炉料而上升，即供 给热量，也是还原剂。
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2.2炼钢原理
炼钢主要以生铁为原料，从化学成分比较，生铁 C=3.0-4.5%，S≤0.03-0.07%， P≤0.07-1.6%；而钢中C≤1.35%， S≤0.05%,P≤0.045%。炼钢原理就是在高 温条件下，用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的 过量的碳和其它杂质转为气体或炉渣而除去，调 整钢里合金元素含量到规定范围之内。 炼钢的主要反应也是氧化还原反应，在高温下， 用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成为 气体或炉渣除去。炼铁主要是用还原剂把铁从铁 矿石里还原出来，而炼钢主要是用氧化剂把生铁 里过多的碳和其它杂质氧化而除去。
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炼铁原理
（3）造渣与脱硫 硫是影响生铁质量的主要有害元素。钢中含有超过规定限量的硫，会使 钢产生热脆，在轧钢或锻造过程中，钢材易出现裂纹。铸造生铁中含有 过量的硫，则易使铸件产生热脆，同时还降低了铁水铸造时的填充性能。 因此国家规定制钢生铁含硫不大于0.07% ，铸造生铁含硫不大于 0.06%。 A 炉渣脱硫 在一定的原燃料条件下，生铁去硫主要依靠提高炉渣脱硫能力，即提高 硫在渣铁间的分配系数来实现。生铁去硫主要是使FeS变成CaS，由于 炉渣和铁水互不相溶，所以去硫作用只能在渣铁界面上进行。 B 炉外脱硫 炉外脱硫就是进入炼钢前，通过加入脱硫剂，以实现降低生铁含硫的目 的。
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主要内容
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炼铁、炼钢
铝的电解
稀有金属的提纯
有色金属的冶炼
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炼铁、炼钢生产过程
铁矿石 炼铁 炼钢生铁 炼钢 钢水
钢坯
钢材
2011 年中国钢铁产量6.83亿吨（全球9亿吨） 2012年中国粗钢7.16亿吨，占46.3%(全球 15.478亿吨)
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铁矿大都以氧化铁形式存在，则采用还原反应，使铁从氧化物中还原 出来，并与脉石分离；
黄铜矿以硫化铜形式存在，则采用氧化反应，将大部分硫焙烧而除去
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常用的冶金方法 (1)火法冶金(又称高温冶金)
高温下冶金作业的总称。这种方法是利用燃料燃烧、电能或化学反应 产生的热量，在高温下进行一系列的冶金反应，生成熔融金属和熔渣， 然后将熔渣分离而获得金属。
（1）冶炼方法：平炉钢、转炉钢和电炉钢 （2）化学成分：碳素钢和合金钢
碳素钢（低碳钢C<0.24%、中碳钢、高碳钢C>0.6%） 合金元素总量：低合金钢的钢i<3%、中合金钢、高合金钢i>10%
（3）品质（S、P）：普通钢、优质钢和高级优质钢 （4）用途：结构钢、工具钢和特殊性能用钢
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2.炼钢
生铁、熟铁与钢的比较 铁的合金 生铁 钢
C% 其它杂质
机械性能 机械加工
2%－4.5% Si、Mn、S、P （较多）
质硬而脆、 无韧性 可铸不可锻
0.05%－2% Si、Mn、S、P （较少）
坚硬、韧性大、 可塑性好。 可铸、可锻、 可压延
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钢的分类、用途
直接还原法限于以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，是在铁矿石（或含 铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。由于还原温度 低，产品未经熔化仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微 镜下观察形似海绵，这种含碳低、未排除脉石杂质的金属铁产品，叫直接还 原铁，或称海绵铁 熔融还原法是以非焦煤为能源，在高温熔态下进行铁氧化物还原，渣铁能完 全分离，得到类似高炉的含碳铁水。其目的在于不用焦炭，取代高炉炼铁法。
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1炼铁
1.1炼铁原理
用还原剂将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁： 高炉冶炼生铁的本质就是从铁矿石中将铁还原出来 并熔化成铁水流出炉外。还原铁矿石需要的还原剂和热 量由燃料燃烧产生。炼铁的主要燃料是焦炭，为了节省 焦炭而使用了喷吹煤粉、天然气等辅助燃料。
铁氧化物（Fe2O3、Fe3O4、FeO）+还原剂（C、CO、H2）→ 铁（Fe）
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焦炭
（1）作发热剂。焦炭在风口前燃烧放出热量而产生高温， 它使高炉内各种化学反应得以进行，并使渣、铁熔化。高 炉冶炼所消耗的热量70%-80%是由焦炭燃烧来提供的。 （2）作还原剂。焦炭中的固定碳（C）和它燃烧后产生的 CO、H2与铁矿石中的各级氧化物反应后，将铁还原出来。 铁矿石还原所需要的还原剂几乎全部由燃料所供给。 （3）作料柱骨架。高炉内的铁矿石和熔剂下降到高温区时， 全部软化并熔化成液体，而焦炭则既不软化也不熔化，所 以它可以作为高炉内料柱的骨架来支承上部的炉料。焦炭 在高炉料柱中约占整个体积的1/3-1/2，焦炭又是多孔 的固体，同时它又起着改善料柱透气性的作用。
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1.4炼铁产品
（1）生铁 炼钢生铁：炼钢原料，含Si量低Si<1.0%，属于白口生铁。 铸造生铁：冲天炉重熔后成为灰口铸铁，特点是含硅量高（Si=1.253.75%）,加工性能较好，可作为受力不大的结构零件。 （2）炉渣 炉渣是高炉炼铁的副产品。常用做水泥及隔热、建材、铺路等材料。 （3）煤气 高炉每冶炼1t生铁大约能产生1700-2500m3的煤气，其化学成分包 括CO、CO2、H2、N2和少量的CH4。 （4）炉尘（瓦斯灰） 炉尘是随高速上升的煤气带出高炉外的细颗粒炉料，在除尘系统与煤气 分离。炉尘中含铁量为30-45%，含碳量为8-20%，回收后可作 为烧结原料加以利用。
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炼铁原理 （2）铁的还原和增碳
在高炉上部400-950℃区域，由CO作为还原剂，生成的 气体产物是CO2或H2O的(间接还原): 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 在高炉下部>950℃高温区域，由固体碳作还原剂，生成的 产物是CO（直接还原）： FeO+C=Fe+CO
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2.2炼钢原理
(2)水法冶金(又称湿法冶金)
在溶液中冶金作业的总称。这种方法主要由两个过程组成；一是在溶 剂作用下，使矿石中的金属溶解；二是用置换、还原、电沉积等方法 将溶液中的金属分离出来。 水法冶金适用于处理金属含量较低而成分比较复杂的原料。其回收率 高、劳动条件较好，广泛适用于有色金属冶炼，如生产铜、锌、铀、 稀土金属等。
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（3）造渣与脱硫 造渣是矿石中的脉石、焦炭中的灰分与熔剂形成炉 渣的过程。 高炉冶炼不仅要求还原出金属铁，而且还要求未被 还原的Si、Ca、Mg、Al等元素的氧化物以及金属 硫化物形成炉渣，使铁与炉渣熔化。 由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点， 所以高炉冶炼过程中渣、铁得以分离并从而获得纯 净的生铁，这就是高炉造渣过程的基本作用。
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熔剂
酸性熔剂：石英（SiO2） 碱性熔剂：石灰石（CaCO3）、白云石（MgCO3） 中性熔剂： Al2O3
熔剂的作用：
（1）使渣铁分离。高炉冶炼加入熔剂能与铁矿石中高熔点 的脉石和焦炭中高熔点的灰分结合，生成熔化温度较低的 炉渣，使其能顺利地从炉缸中流出来，并同铁水分离，保 证高炉生产的顺利进行。 （2）改善生铁质量获得合格生铁。加入适量的熔剂，获得 具有一定化学成分和物理性能的炉渣，以增加其脱硫能力， 并控制硅锰等元素的还原，有利于改善生铁质量。
炼铁原料 熔剂 焦炭
• 发热剂 • 还原剂 • 料柱骨架
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铁矿石
铁矿石可分为天然铁矿石和人造富矿两种。
目前世界上常见的天然铁矿石主要是以下4大类： （1）磁铁矿。磁铁矿的化学式为Fe3O4，具有强磁性，结构致密，晶粒 细小，颜色及条痕均为黑色，脉石主要是石英及硅酸盐。自然界中纯磁铁 矿很少，由于地表氧化作用部分磁铁矿氧化为赤铁矿，但仍残留着磁铁矿 的晶格及外形，故又称之为假象磁铁矿。 （2）赤铁矿。赤铁矿的化学式为Fe2O3颜色为暗红色，具有弱磁性，含 硫、磷较少，易破碎，易还原，脉石多为硅酸盐。 （3）褐铁矿。褐铁矿是含结晶水的铁氧化物，化学式为 nFe2O3· 2O(n=1-3，m=1-4) 褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以 mH 2Fe2O3· 2O的形式存在的。 3H （4）菱铁矿。菱铁矿的化学式为FeCO3，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿 经过焙烧，分解CO2气体，含铁量即可得到提高，而且也变得疏松多孔， 易破碎，还原性好。
非高炉炼铁与高炉炼铁最大的区别在于主体燃料，高炉炼铁使用冶金 焦，非高炉炼铁则使用非焦煤。
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高炉炼铁工艺流程
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高炉炼铁生产特点
（1）长期连续生产。
高炉从开炉投产到停炉，一代炉龄一般有10年左右（中间可能进行一 次中修）。
（2）机械化、自动化程度高。
高炉生产的大规模化及连续性，必须有较高的机械化和自动化来保证。 每日上万吨乃至几万吨原料及几千吨乃至上万吨产品的装入和排出，
（3）生产规模大型化。
目前世界上已有数座5000m3以上容积的高炉在生产。我国也已经有 4063 m3的高炉投入生产，日产生铁1万t以上，日消耗矿石等近2万 t 、焦炭等燃料5kt。
（4）高炉生产是钢铁联合企业中的重要环节。
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1.3炼铁原料
铁矿石
• 天然铁矿石 • 人造富矿
• 碱性 • 酸性 • 中性
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1.2炼铁的方法
（1）高炉炼铁 世界上绝大多数炼铁厂沿用高炉冶炼工艺，为了使高炉生产获得较好 的生产效果，现代高炉几乎全部采用了人造富矿（烧结矿、球团矿） 作为含铁原料。炼铁的主要燃料是焦炭，因炉料的特性不同，有的高 炉在冶炼时还需加入适量的熔剂（石灰石、白云石等）。 （2）非高炉炼铁： 可概括为两大类，即铁矿石直接还原和熔融还原。
第一讲 由矿物提取金属的技术
陈伟东
内蒙古工业大学材料学院
在地球上，绝大部分金属以化合态存在，如形成 金属的氧化物、硫化物、硅酸盐等，并与不含矿 物的脉石、杂质组成金属矿床。故生产金属材料 必须从矿石中提取金属，并进一步加工成所需的 材料。 冶金学是生产金属材料的科学，对于不同的矿石， 应采用不同的冶金原理进行生产。
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炼铁原理
（2）铁的还原和增碳
逐级转化原则：
大于570℃时：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe 小于570℃时：Fe2O3→Fe3O4→Fe 低级氧化物的自由能或分解压较小，而高级 氧化物的自由能和分解压较大，所以氧化物的分 解顺序是由高级氧化物向低级氧化物转化。还原 顺序与分解顺序是相同的，从高级氧化物逐级还 原成低级氧化物。
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常用的冶金方法
(3)电冶金
指用电能进行冶金作业的总称。可分为电热法和电化法两类。
(4)粉末冶金
指由金属或金属化合物制取金属粉末、压制成型和烧结而成制品的冶 金方法。它适用于生产高熔点金属(如钨、钼等)、难以切削加工的高 硬度合金制品(如硬质合金等)、不互溶金属制成的合金产品(如银和 钨制成的开关触头)、金属和非金属组成的制品(如铜和石墨制成的电 刷)、多孔性的金属制品(如青铜和石墨制成的含油轴承)等。