东北大学有色金属新理论新技术试题及答案

有色冶金新理论与新技术

有色冶金新理论新技术试题

1、叙述有色金属发展的趋势 2、为什么说稀散金属是战略金属？

3、简述冰铜(铜锍)PS转炉熔炼法的工艺过程，并举出两种现今工业上采用的其他吹炼工艺，进行简单介绍。（附参考文献）

4、目前工业上尚采用的火法炼锌方法有几种？选择其中的一种论述其工艺过程。（附参考文献）

5、阐述我国铝土矿资源特点以及适合处理低品位铝土矿的工艺技术。 6、目前铝电解有哪些节能措施？

1、叙述有色金属发展的趋势

答：（1）国外有色金属发展趋势： a) 注意综合利用

有色金属矿物的最大优点是共生矿多，复杂矿多，甚至有些金属根本没有单独的矿床，如钴是在铜、镍的生产过程中，以副产品回收的。金属钒是在铀矿的副产品和钒钛磁铁矿的富钒渣中回收。因此各国都注意综合利用回收有色金属。苏联铅锌厂综合利用系数（从矿石到金属的总回收率计算）为83%，回收了17中元素。加拿大国际镍公司原来只回收两种元素，现在已经扩大到回收15种元素。苏联、匈牙利、法国等，在氧化铝的生产过程中回收镓和钒，每生产一吨氧化铝可分别回收镓120克左右和五氧化二钒300~320克。美国用电弧熔炼法处理生产氧化铝时排除的阳极泥，可回收阳极泥中的氧化铝85%~90%，铁80%。日本采用高压分解法处理辉钼矿，其金属实收率比氧化焙烧法提高10%左右，可达到98%。

b) 向机械化和自动化方向发展

目前国外有色金属生产厂都在为实现生产过程机械化和自动化做大量工作，

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从而提高劳动生产率和降低成本。

芬兰奥托昆普公司波里铜电解车间，采用阳极极距机残阳极洗涤堆垛机，始极片剥离机，阴极洗涤堆垛机和悬吊棒运输机代替手工操作以后，年产3.2万吨铜的车间，只需要50人平均劳动生产劳动生产率为640吨/年人。比利时1969年新建的老山厂的电解锌车间，当主要工序的操作改用电子计算机控制以后，每人每班可平均剥离锌24吨，比一般电解锌车间提高三倍。美国联合铝公司的一家铝箔厂的轧机，采用电子计算机控制以后，不仅轧材的质量提高了，而且轧机的生产能力提高9.1%。

（2）中国有色金属发展趋势： a) 企业上市规模将进一步扩大

随着中国经济体制改革的进一步深化，有色金属工业的国企改革将迈进新的步伐。通过股份制改造，建立现代企业制度，进行体制创新，必然促使更多的国有企业改制上市。

b) 加大对国外资源的开发

中国有色金属资源有限，在今后的发展中，必将对国外资源进行开发。譬如中国实行的“走出去”发展战略，就是对国外资源开发规模扩大的重要内容。开发国外有色金属资源仅靠国家支持和国内资金是不够的，必须通过国际资本市场进入融资，才能实现持续发展。

c) 资本市场出现多样性

目前，我国已经成为世界主要有色金属生产国，国际化生产水平不断提升。作为世界有色金属生产基地，将运用更多的现代资本运营手段，譬如更多的运用期货、长期贸易协议等方式，在国内外资本市场融资，以保证原料供应的稳定，避免有色金属市场价格波动带来的风险，从而使企业进入资本市场的途径呈现多样性。

d) 发展将遇到极大挑战

随着我国有色金属的生产和消费在世界上的地位日益重要，有色金属的进出口贸易也受到越来越多人的关注。目前，中国有色金属市场对外开放程度虽然很高，但外商直接从事有色金属进出口贸易以及一些产品的进出口还受到一定程度的限制，有色金属的市场环境会发生很大的变化，还将面临实力强劲的国外大型

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有色金属跨国公司的挑战。

e) 生产企业联合重组步伐加快

为了适应市场竞争，国外大型企业今年来普遍加快了收购、兼并的步伐，组建更大规模的跨国公司，实现规模化经营，扩大市场份额。譬如，美国铝业公司靠兼并和重组成功的增强了自身实力，扩大了市场份额。

f) 生产成本不断降低

随着科学技术的不断发展，有色金属的科技含量不断增加，生产成本不断降低。预计未来10年内，有色金属生产成本要降低25%左右。譬如，在铝的技术进步方面，随着拜耳法和大型预配槽电解技术的不断改进和广泛应用，氧化铝和电解铝生产成本也不断降低。

g) 新材料发展迅速

全球有色金属工业企业、科研单位在各国政府的支持下，加强了对新材料的研制，使新材料开发成为推动有色金属工业发展的动力。譬如信息产业用材料有半导体用硅材料、化合物材料、框架材料触点材料等基础材料；新能源材料有锂离子电池、镍氢电池、燃料电池等各种新型电池用材料。

h) 市场前景广阔

随着我国经济的繁荣，尤其是农村经济的发展，拥有16亿人口的中国将进一步显现出其作为世界市场的巨大潜力。全面建设小康社会将为有色金属产品提供更为广阔的市场空间。据科学统计及分析，在今后10年左右的时间里，国内市场对铜铝等主要有色金属的需求还将增加。随着中国经济的快速发展，城市化和工业化进程中大量基础设施建设，住宅、交通等大规模投资，为中国有色金属的进一步发展提供了有利的市场空间。此外，周边国家，特别是东亚和东南亚国家有色金属产品生产能力普遍不足，是世界上重要的有色金属进口地区，这就为我国有色金属工业利用区位优势，扩大产品规模提供了机遇，也为我国有色金属产品出口构建了良好的市场。

2、为什么说稀散金属是战略金属？

答：稀散金属（SM）通常指镓（Ga）、铟（In）、铊（Ti）、锗（Ge）、硒（Se）、碲（Te）、铼（Re）等7种元素组成的一组化学元素。有人将钪（Sc）、

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铷（Rb）、铪（Hf）、钒（V）或镉（Cd）等也包含在SM内。20世纪90年代以来全世界对SM的需求量逐年增长。当前，除我国耗硒量大，约占全球的50%外，美国与日本也是应用SM的大户，近年两国年消耗SM中，铟占全球的90%以上、镓及铼各占80%以上、锗及碲各占70%左右。这种态势与两国高新技术产业规 模位居世界前列及其SM在军用和民用领域应用持续扩大紧密相关。

稀散金属具有极为重要的用途，是当代高科技新材料的重要组成部分。由稀散金属与有色金属组成的一系列化合物半导体、电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物等，均需使用独特性能的稀散金属。用量虽说不大，但至关重要，缺它不可。因而广泛用于当代通讯技术、电子计算机、宇航开发、医药卫生、感光材料、光电材料、能源材料和催化剂材料等。

镓可应用于电子工业、低熔点合金及合金添加剂、冷焊剂、催化剂、仪器工业、医学及发动机与执行机构的部件，特别合适与太空；铟可用于电子及能源工业、涂层及防腐合金、低熔点合金、焊接剂、化工及核反应堆中吸收种子的控制棒等领域；铊可用于超导材料、医学、电子工业、玻璃与仪表工业、化工等领域；锗可用于官学仪器、超导体、电子工业、光纤通讯、化工、医学等领域；硒可用于静电复印、电子工业、玻璃工业、医学与环境、化工及冶金领域；铼广泛用于现在工业重要部门，且日显重要作用，它的应用因产量少、价格昂贵而受到限制。它可用于催化剂、特殊合金、涂层及电子工业等领域。

3、简述冰铜(铜锍)PS转炉吹炼法的工艺过程，并举出两种现今工业上采用的其他吹炼工艺，进行简单介绍。（附参考文献）

答：转炉吹炼法

(1) 烘炉

新砌或大、小修后的炉子，均须把炉衬烘干，并使其加温到1073~1173K以上，才能投料，步骤如下：

1) 用木材做燃料，从常温以15K/h的速度升温到653K，然后保温6~10h。

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2) 用重油做燃料，以20K/h的速度升温到1073K，保温,35h，最后升温至

1273K左右。 （2）挂炉

所谓挂炉，即在转炉炉衬表面，黏附一层Fe3O4熔体。挂炉即往炉内装入冰铜，不加石英，直接空吹，使FeS氧化成Fe3O4。风口上方炉衬受侵腐蚀严重，宜挂厚一些，挂一次炉，可连续吹炼8~10炉。 （3）吹炼操作

第一阶段 吹炼开始时，把炉子转到停风位置，装入第一批冰铜，其装入量视炉子的大小而定，一般使风口浸入液面下200mm左右。然后旋转炉体至吹风位置，旋转的同时开始鼓风，吹炼数分钟后，加石英溶剂。当温度上升到1473~1523K后，炉体转到停风位置，加入冷料，随后又转向吹风位置，，转向同时开始鼓风。经过一段吹风时间，造渣好后，停风倒出炉渣。然后再加冰铜，吹炼数分钟，加适量石英溶剂，根据炉温加入冷料，间断放渣，直到炉内聚满了与转炉容量相适应的白冰铜，然后准备筛炉。应根据火焰颜色、炉气浓度、炉口状况等判断筛炉终点。

第二阶段 筛炉后继续鼓风吹炼，，炉内不加冰铜和溶剂。对直径较大的转炉，产生的热量除补偿操作中的热损失外，尚有剩余，可加入残极。对小转炉，第二阶段不加入任何炉料。如筛炉彻底，一般不产生炉渣，即使有少量铁质炉渣，可在出炉前加入少量石英溶剂，使其造成硅酸盐渣，与铜一道倾入铜包中，稍等片刻，可把铜水面上的渣倒出；或不加石英溶剂，转炉出铜后，少量的铁渣仍留在炉内与下批冰铜共同处理。出铜时，转动炉子，导入一些石英，将炉子稍往后转，约停0.5min，把铜均匀缓慢的倒入铜包。出铜后迅速打眼通风，清除结块，然后装入冰铜，开始下一炉吹炼。

其他吹炼工艺：

（1）澳斯麦特炉吹炼 澳斯麦特熔炼炉产生的铜锍通过溜槽放入吹炼炉，进行连续地吹炼，直至吹炼炉内有1.2m左右高度的白锍时停止放锍，结束第一阶段；然后开始将这一批白锍吹炼成粗铜，吹炼渣被水成颗粒，返回到熔炼炉。

（2）三菱法吹炼 三菱法连续熔炼中的吹炼炉也是顶吹形式的一种。在一个圆形的炉中用直立式喷枪进行吹炼。喷枪内层喷石灰石粉，外环层喷含氧

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26%~32%的富氧空气。从熔炼炉流入吹炼炉的锍品位为68%~69%，粗铜品味为98.5%，硫含量为0.05%。炉渣为铜冶炼中首创的铁酸钙渣。在喷吹方式上，三菱法不同与澳斯麦特法。三菱法将空气、氧气和溶剂喷到熔池表面上，通过熔体面上的薄渣层与锍进行氧化与造渣反应，炉渣、锍和粗铜各层熔体处于相对静止状态。

参考文献：[1] 翟秀静.重金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社, 2011.08.

[2] 许并社, 李明照.铜冶炼工艺[M]. 北京：化学工业出版社,

2007.01.

4、目前工业上尚采用的火法炼锌方法有几种？选择其中的一种论述其工艺过程。（附参考文献）

答：火法炼锌的方法有平罐、竖罐、电炉法和鼓风炉法等。

鼓风炉发主要由烧结焙烧或热压团、密闭鼓风炉还原挥发熔炼、铅雨飞溅冷凝器冷凝三部分组成。铬锌精矿、复杂锌铅精矿、氯化铅锌矿、再生锌原料和溶剂配料后在鼓风烧结机上烧结焙烧，进行脱硫和造块。不需要脱硫的原料则可用热压团法造块。热烧结块和经过预热的焦炭一道加入密闭鼓风炉，烧结块中的锌、铅等金属氧化物在炉内高温下被还原。还原所得的锌成蒸汽状态与焦炭燃烧产生的CO2和CO气体一道从炉顶排出进入铅雨飞溅冷凝器，锌蒸汽被铅雨吸收后。流出冷凝器进一步冷却析出液体锌。还原得到的粗铅、炉渣、铜琉从炉缸放入电热前床进行分离。

鼓风炉炼锌时的主要反应：

氧化物还原反应 ZnO(g)?CO(g)?Zn(g)?CO2(g) PbO?CO(g)?Pb(l)?CO2(g) Cu2O?CO(g)?2Cu(Pb)?CO2(g) Fe3O4?CO(g)?3FeO?CO2(g) PbSO4?4CO(g)?PbS?4CO2(g)

1炭的燃烧反应 C(s)?O2?CO （g）2 第 6 页

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C(s)?O2?CO2 （g） C(s)?CO2(g)?2CO （g）

参考文献：[1] 翟秀静.重金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社.2011.08. [2] 王海明.冶金生产概论[M].北京：冶金工业出版社.2008.

5、阐述我国铝土矿资源特点以及适合处理低品位铝土矿的工艺技术。

答：（1）我国铝土矿资源丰富。根据已经发现的具有工业价值的铝土矿床，主要分布在河南、山西、广西、贵州及山东等省。我国铝土矿绝大多数为一水硬铝石型。一般特点是高铝、高硅、地铁，虽然氧化铝含量高，但氧化硅含量也高，故铝硅比比较低，多数在4~7之间。铝硅比10以上的优质铝土矿较少。三水铝石型铝土矿在我国现不多，仅广东、福建、海南岛有少量资源。但铝硅比都比较低。

（2）一般处理低品位铝土矿的工艺技术有：选矿拜耳法、石灰拜耳法、富矿烧结法、串联法。

a) 选矿拜耳法

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选矿拜耳法工艺流程是：铝土矿（A/S=5~6）经过选矿得到铝硅比为10-11的精矿，与石灰一起加入到铝酸钠溶液母液中在245-260℃进行溶出，得到赤泥浆料，然后分理出铝酸钠溶液进行种分，获得Al(OH)3浆液，进而干燥焙烧得到Al2O3。由于铝矿中各种含硅矿物与氢氧化钠反应生成的水合铝硅酸盐，可在设备和管道上析出结疤，硅在分解时析出，还降低了产品的质量，所以必须进行脱硅。

铝土矿选矿脱硅方法有化学选矿脱硅、生物选矿脱硅、物理选矿脱硅。化学选矿脱硅是指在一定温度下使含硅矿物发生分解，然后用苛性钠溶液溶出而达到脱硅目的的方法。生物选矿脱硅是指用微生物分解硅酸盐和铝硅酸盐矿物，将铝硅酸盐矿物分解成为氧化铝和二氧化硅，并使二氧化硅成为可溶物，而氧化铝不溶，从而使得铝、硅得以分离。物理选矿脱硅是指以天然矿物形态除去含硅矿物。

b) 石灰拜耳法

石灰拜耳法技术可利用原有拜耳法系统,将石灰添加量提高，直接用拜耳法处理中低品位铝土矿的技术该技术可以大大降低碱耗和成本。石灰拜耳法是指在拜耳法工艺基础上加大石灰添加量，使硅主要以水合铝硅酸钙形式脱除，以经济地处理较低品位的一水硬铝石矿生产氧化铝的方法。

石灰拜耳法和拜耳法流程设备基本不变，只需将石灰添加量提高，通过在溶出过程中添加过量的石灰使反应生成的水合铝硅酸钠变成水合铝硅酸钙，从而降低赤泥中Na2O含量及生产碱耗。在最佳石灰添加量的条件下，用石灰拜耳法处理铝土矿（A/S=5.5-7）生产氧化铝，生产碱耗低于80Kg/t-Al2O3。

石灰拜耳法主要技术特点：

（1）通过在溶出过程中添加过量石灰，大幅度降低溶出赤泥的钠硅比，使中低品位铝土矿SiO2含量与生产碱耗无直接关系而适宜拜耳法生产。

（2）工艺流程简单，除适当加大石灰烧制和赤泥分离洗涤过程的生产能力外，工艺流程与拜耳法完全相同

（3）与混联法流程比较，取消了能耗高的烧结法生产系统。 （4）与混联法流程比较，铝矿单耗相对较大。

（5）赤泥不需要采用单独的火法处理工艺进行碱的回收，从而大大的降低了氧化铝的生产成本。

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c) 富矿烧结法

通过最大限度地提高烧结过程熟料中氧化铝含量，降低熟料折合比（指烧结法生产1t氧化铝所需烧结的熟料量），从而大幅度提产，并降低单位烧成能耗。

富矿烧结法有以下特点：

（1）熟料采用低钙比的不饱和配方，烧成熟料氧化铝含量38%-46%；传统的烧结法仅为33%-36%.

（2）熟料采用高MR溶出，熟料溶出液苛性比1.35-1.45；传统的烧结法为1.14-1.20。

（3）粗液氧化铝浓度高，为130-180g·L-1；传统的烧结法为100-125g·L-1。 同传统的碱石灰烧结法比较:富矿烧结生产氧化铝的原料消耗降低10-15%；动力、燃料消耗、工艺能耗将降低20-25%；产量增加30%；单位氧化铝产品成本降低130元人民币。

d) 串联法

串联法的主要优点： （1）可处理低品位铝土矿。

（2）总的产品成本可大幅度降低。（矿石中的大部分A12O3，由加工费用和投资费都较低的拜耳法提取）

（3）矿石的氧化铝总回收率高、碱耗降低。 （4）可以适当放宽拜耳法的溶出条件和要求。 串联法的主要缺点：

熟料折合比高、烧成过程单位能耗高；

烧结温度范围窄、熟料窑操作困难、技术难度大； 湿法系统浓度低、赤泥量大，液固分离困难。

6、目前铝电解有哪些节能措施？

节省电能是减少单位铝产量的电耗量，亦即减少其电耗率。铝电解的电耗率是由电解槽的平均电压和电流效率决定的，因此降低平均电压或提高电流效率都能节省电能。

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1. 降低平均电压的措施 （1）减小电解质电压降。

电解质的电压降与其电阻率、阳极浸入电解质的表面积、铝液镜面面积、极

间距离等因素有关。其中最主要的是电阻率和极间距离。

a) 电解质的电阻率

在工业电解槽内经常有碳渣浮在电解质表面或内部，炭渣越细夹杂在电解质里的数目越多，电解质导电率所受的影响越大。采用弱酸性电解质并添加能够减小电解质对于炭粒湿润性的物质如CaF2和MgF2，使炭渣漂浮起来。

在预焙槽上阳极易于氧化，可以用氧化铝或电解质颗粒覆盖在阳极上保护阳极。在电解质里还有悬浮的固体氧化铝也会增大电解质的电阻率，所以应严格控制其数量。另外，添加锂盐或NaCl也能够提高电解质的导电率。

b) 适当缩短极距

据工业电解槽测定，每1cm极距所对应的电解质电压降，侧插棒槽为400~450mV，预焙槽为300~330mV。可以通过改进槽体结构材料，降低极距进而节省电能。

（2）加大导电母线的截面积

导线电阻率、电流密度和长度决定了导线的电压降。加大导线的截面积，可减小电流密度，使其电压降减小。但是加大母线尺寸会增加投资，还会增加其散热增加能量损失，故要选择经济的电流密度。

（3）减小极化电压

极化电压包括理论可逆分解电压、阳极过电压和阴极过电压等部分。可以增大阳极截面积以减小其电流密度，或者添加锂盐，增大阳极活性，在电解质内添加碱土金属卤化物，或添加AlF3、增大Al2O3浓度都有助于减小阳极过电压。

（4）减小阳极电压降

可以扩大现有阳极的截面积，即充分利用槽壳增大阳极在槽膛内的填充率。这样在不增加铝损失的情况下降低槽电压。

（5）减小阴极电压降

阴极电压降是指从铝液至阴极棒头这段导体中的电压降。改善阴极棒的电流分配状况可以减小阴极电压降。

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（6）改善导体接触点

在电解槽中，金属导体之间的接触点很多，所以消耗电能很大，需要改善。压接点应定期清刷，焊接点亦应保持平整，可使电压降减小。

（7）减小阳极效应

发生阳极效应所升高的平均电压为：

?V效应=k(V效应?V工作)?效应1440效应

-效应时间；V

效应

式中：k-效应系数；τ-效应电压；V

工作

-正常电解时的槽

电压；1440-每天的分钟数。

减少阳极效应次数并缩短效应时间，可以节能省电。在生产上采取勤加工少下料的操作方法 以减少阳极效应的发生。 2.

提高电流效率的措施

（1）在适当低的过热温度下进行电解；

电解质温度正常与否，对电解槽电流效率等工作指标有着决定性的影响，根据我厂实践中的多次测量表明，电解质温度每升高10℃，电流效率大约降低1—2%。电解质温度过低会使电解质发粘，致使铝珠与电解质分离困难，反而易于铝的损失，使电流效率降低。

（2）电解质成分；

当CR（NaF/AlF3之重量比）小于1.5，有过剩AlF3时，电流效率开始提高，这是由于此时铝液与电解质之间界面张力增大，有利于分散于电解质中的铝珠汇集，且铝的溶解度减小的缘故。同时在酚性电解质中，Na+的放电及铝自电解质中取代钠的反应减弱；但电解质过酸，又使生成低价氟化铝反应增强，增加铝的损失。因此，铝电解生产一般采用弱酸性电解质，其分子比（CR）在1.25~1.35之间。

（3）建立和保持理想的槽膛内型；

极距增大，电解质搅拌强度将减弱，因为相同的阳极气体量所搅拌的两极间的液体量增加，搅拌减弱，则使扩散层厚度增加，使用使铝损失减少，电流效率提高。但极距超过某一限度，电流效率变化不大，因此，力求使极距保持在实际所能允许的最小值，否则随着极距增加，不但不能提高电流效率，反而使槽电压

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徒然升高，加大电耗、最终还是不利于降低产品成本。

（4）电流密度；

为了取得较高电流效率，阴极电流密度不能过高，也不能过低，因为阴极电流密度过低时，由于单位阴极面积上的电子密度过小，Al3+产生不完全放电；阴极电流密度过高时，则发生Na+大量放电，两者都会造成电流无谓的消耗，从而降低了电流密度。因而阴极电流密度有一个对应最高电流密度的临界值—临界阴极电流密度。

阳极电流密度增大，阳极气体的析出量增加，对电解质液搅拌加强，使溶解金属的扩散系数增大，二次反应加快，电流效率将降低；阳极电流密度减小时，阳极气体的析出排出的速度减弱，搅拌减小时，电流效率提高，但阳极电流密度保持过小，则系列电流强度也将变小，不利于强化生产，最终电流效率也无法保证。

（5）铝液水平；

在铝电解生产过程中，阳极下部总是会有一些多余的热量产生，这就使阳极下部较侧部温度为高，二次反应加快，从而影响电流效率的提高，这时，如果槽内铝液水平较高时，则可较快地使这部分多余的热量疏导出去，从而减少这个温度差，提高电流效率。

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