重有色金属是指指密度大于4.5g/cm3的有色金属材料,包括铜、镍、铅、锌、锡、锑、钴、汞、镉、铋等纯金属及其合金。
其中,最常用的是铜及其合金,它包括纯铜(紫铜)、铜锌合金(黄铜)、铜锡台金(锡青铜)、无锡青铜(如铝青铜、锰青铜、铅青铜等)、铜镍合金(白铜)等产品,是机械制造和电气设备的基本材料;其它如铅、锡、镍、锌、钻等及其合金,在工业上也是用量较大的有色金属材料。
铜
铜是人类最早发现的古老金属之一,早在三千多年前人类就开始使用铜。铜原子量63.54,密度8.92,熔点℃,沸点℃。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色,表面形成氧化铜膜后,外观呈紫铜色。铜具有许多可贵的物理化学特性,例如其热导率和电导率都很高,化学稳定性强,抗张强度大,易熔接,具有抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。铜能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。
铜是一种典型的亲硫元素,在自然界中主要形成硫化物,只有在强氧化条件下形成氧化物,在还原条件下可形成自然铜。目前,在地壳中已发现的铜矿物和含铜矿物约有多种,主要是硫化物及其类似的化合物和铜的氧化物、自然铜以及铜的硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐类等矿物。其中,能够适合目前选冶条件可作为工业矿物原料的有16种。即自然元素:自然铜;铜的硫化物:黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、铜蓝、方黄铜矿、黝铜矿、砷黝铜矿、硫砷铜矿;铜的氧化物:赤铜矿、黑铜矿;铜的硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐矿物:孔雀石、蓝铜矿、硅孔雀石、水胆矾、氯铜矿。
当前,我国用于选冶的铜矿物原料主要是黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、孔雀石等。按选冶技术条件,将铜矿石以氧化铜和硫化铜的比例划出三个自然类型。即硫化矿石,含氧化铜小于10%;氧化矿石,含氧化铜大于30%;混合矿石,含氧化铜10%-30%。
我国铜矿分布广泛,已查明的矿产地除天津以外的所有省、自治区、直辖市均有不同程度的分布。其中,江西、西藏和云南的储量最多,这3个省区的储量占全国铜矿储量的47.1%,铜储量较多的还有甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等6省区,这6省区的储量合计占全国铜矿储量的32.3%。以上9省区的储量合计占全国铜矿总储量的80%。
我国铜矿物具有以下特点:(1)适合选冶生产的铜矿物赋存于多种矿床类型。其中,具有重要开采价值的矿床类型有岩浆型铜镍硫化物矿床、斑岩型铜矿床、夕卡岩型铜和多金属矿床、热液脉型铜矿床、火山-沉积块状硫化物型铜矿床、沉积型层状矿床等。(2)矿石结构构造复杂,嵌布粒度不均,多为不均匀浸染粒度矿石,甚至有不少矿物嵌布粒度细微,成分复杂,难选矿石较多。(3)矿石化学成分多样,伴生、共生多种有益有害组分,选冶工艺条件复杂。目前开发的矿区多数是综合性的铜矿床。
铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%。铜的火法冶炼一般是先将含铜原矿石通过选矿得到铜精矿,在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉进行造锍熔炼,产出的熔锍(冰铜)送入转炉进行吹炼成粗铜,再在反射炉内经过氧化精炼脱杂,或铸成阳极板进行电解,获得品位高达99.9%的电解铜。该流程简短、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。近年来出现如白银法、诺兰达法等熔池熔炼以及日本的三菱法等,火法冶炼逐渐向连续化、自动化发展。
铜的湿法冶炼有硫酸化焙烧-浸出-电积、浸出-萃取-电积、细菌浸出等方法,适于低品位复杂铜矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸或就地浸出。
铜是与人类关系非常密切的有色金属,被广泛应用于电气、电子、机械制造、建筑、国防等工业领域。铜及其合金的消费量仅次于钢铁和铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大,发电机的线圈、电线、电缆等都是用铜制造的。铜用于制造各种子弹、枪炮和飞机、舰艇的热交换器等部件,还用于制造轴承、活塞、开关、阀门及高压蒸汽设备等,其他热工技术、冷却装置、民用设备等也广泛使用铜和铜合金。
铅是灰白色金属,密度11.34,熔点.5℃,沸点℃,质地柔软,抗张强度小。铅在空气中受到氧、水和二氧化碳作用,其表面会很快氧化生成保护薄膜;在加热下,铅能很快与氧、硫、卤素化合;铅与冷盐酸、冷硫酸几乎不起作用,能与热或浓盐酸、硫酸反应;铅与稀硝酸反应,但与浓硝酸不反应;铅能缓慢溶于强碱性溶液。铅及其化合物对人体有较大毒性,并可在人体内积累。
铅
铅是人类最早使用的金属之一,公元前年,人类就从矿石中熔炼铅。铅锌在自然界里特别在原生矿床中共生极为密切。它们具有共同的成矿物质来源和十分相似的地球化学行为,有类似的外层电子结构,都具有强烈的亲硫性,并形成相同的易溶络合物。它们被铁锰质、粘土或有机质吸附的情况也很相近。铅在地壳中平均含量约为15×10-6,锌在地壳中平均含量约为80×10-6。
目前,在地壳中已发现的铅锌矿物约有多种,大约1/3是硫化物和硫酸盐类,但可供目前工业利用的仅有17种。其中,铅工业矿物有方铅矿、硫锑铅矿、脆硫锑铅矿、车轮矿、白铅矿、铅矾、铬铅矿、磷氯铅矿、砷铅矿、钒铅矿、钼铅矿;锌工业矿物有闪锌矿、纤维锌矿、菱锌矿、异极矿、硅锌矿、水锌矿。方铅矿、闪锌矿等是冶炼铅锌的主要工业矿物原料。
硫化铅精矿炼铅主要包括烧结焙烧、鼓风炉熔炼和精炼等过程。烧结焙烧使精矿中的PbS氧化为PbO,并烧结成块。烧结块含铅40~50%,含硫低于2%。一部分二氧化硫浓度高的焙烧烟气可用于生产硫酸。
还原熔炼是将破碎成毫米左右的烧结块配以10%左右的焦炭装入鼓风炉,从炉的下部鼓入空气或预热空气(~℃)或富氧空气,使焦炭燃烧,保持风口区的温度在℃左右,含有CO的高温烟气在炉内向上运动,在此过程中,使炉料中的氧化铅还原成铅,氧化铁等形成炉渣。液体铅和炉渣流入炉缸,进行分离。铅液在向下流动的过程中捕集金、银、铜、铋等金属。所得含铅约98%的粗铅,送往精炼。当炉渣含锌高时,经烟化炉处理回收锌、铅。
粗铅精炼分火法精炼和电解精炼。火法精炼包括:①熔析精炼和加硫除铜。熔析是利用铜在铅中的溶解度随温度的降低而减小的特性,降温除去部分铜,加硫是使铜生成Cu2S进一步除去。经过这两段作业,铅中含铜可降至0.~0.%。②碱性精炼除砷、锡、锑。除铜后的铅液不断流经熔融的氢氧化钠和氯化钠,同时加入硝石(NaNO3)作氧化剂,使砷、锡、锑分别氧化生成砷酸钠(Na3AsO4)、锡酸钠(Na2SnO3)和锑酸钠(Na3SbO4),溶于氢氧化钠和氯化钠的混合熔体中而与铅分离。③加锌除银。加锌于含银的铅液,生成浮于铅液表面的“银锌壳”。银锌壳一般比粗铅含银高20倍,是提取银的原料。铅液中残存的锌(0.6~0.7%),可用碱性精炼法或氯化精炼法除去。④加钙、镁除铋。在一定温度下铋与钙可生成Bi2Ca3和Bi3Ca,铋与镁可生成Bi2Mg3,此法可使铅中的铋降至0.01~0.02%。
电解精炼时,因粗铅中的铜、锡等杂质对电解有害,电解前先用火法初步精炼,以除去铜、锡。电解时阳极中须含有千分之几的锑,以便使阳极泥致密而不脱落,故在铸造阳极前须调整铅液中的含锑量。电解以火法初步精炼的粗铅为阳极,以电解精铅薄片为阴极,在硅氟酸铅和硅氟酸溶液中进行。
铅主要用于制造铅蓄电池,在制酸工业和冶金工业上用铅板、铅管作衬里保护设备,电气工业中铅用作电缆包皮和熔断保险丝。含锡、锑的铅合金用作印刷活字,铅锡合金用于制造易熔铅焊条,铅板和镀铅钢板用于建筑工业。铅对X射线和γ射线有良好的吸收性,广泛用作X光机和原子能装置的保护材料。由于铅毒和经济等原因,某些领域中铅已经或即将被其他材料所代替。
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