[科普中國]-電冶金

概述

電冶金是以電能為能源進行提取和處理金屬的工藝過程。根據(jù)電能轉(zhuǎn)化形式的不同分為電化冶金和電熱冶金兩類。

電化冶金又稱電解，是使直流電能通過電解池轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將金屬離子還原成金屬的過程。根據(jù)電解液不同，電化冶金分為水溶液電解和熔鹽電解；根據(jù)陽極不同又分為不溶陽極電解和可溶陽極電解，前者又稱電解提取，后者又稱電解精煉。

電熱冶金是利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茉陔姞t內(nèi)進行提取或處理金屬的過程，按電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿姆椒醇訜岬姆椒ú煌?，分為電弧熔煉、電阻熔煉、感?yīng)熔煉、電子束熔煉和等離子冶金等。1

分類電化冶金電化冶金是利用電極反應(yīng)而進行的冶煉方法，對電解質(zhì)水溶液或熔鹽等離子導(dǎo)體通以直流電，電解質(zhì)便發(fā)生化學(xué)變化，在陽極(電流從電極向電解液流動)上發(fā)生氧化反應(yīng)(稱為陽極反應(yīng))，而在陰極(電流從電解液流向電極)上則發(fā)生還原反應(yīng)(即陰極反應(yīng))。以粗金屬作陽極，而陽極反應(yīng)又是目的金屬本身的溶解反應(yīng)。這一過程稱為電解精煉(或可溶性陽極電解)；使用不溶性電極作陽極，對溶解于電解液中的金屬離子進行還原、分解的過程，稱為電解提取。

根據(jù)電解液性質(zhì)不同，對水溶液進行電解，稱為水溶液電解；對熔鹽電解液進行電解，稱為熔鹽電解。

水溶液電解精煉，主要用于電極電位較正的金屬，如銅、鎳、鈷、金、銀等，電解液多為酸液；熔鹽電解精煉主要用于電極電位較負的金屬，如鋁、鎂、鈦、鈹、鋰、鈮等。電解質(zhì)一般用氯化物、氟化物或氯氟化物體系。

水溶液電解是以金屬的浸出液作為電解液進行電解還原，使目的金屬在陰極表面上析出的冶金過程，簡稱電解提取或電解沉淀。水溶液電解是一種氧化一還原過程。體系接通直流電后，在陰極附近的離子或分子由于接受電子而被還原，在陽極處離子或分子產(chǎn)生電子而氧化。

熔鹽電解是以熔融鹽類為電解質(zhì)進行金屬提取或金屬提純的電化學(xué)冶金過程。對于那些電位比氫負得多、比氫的超電壓也小、而不能從水溶液中電解析出的金屬．以及用氫或碳難以還原的金屬，常用熔鹽電解法制取。當(dāng)今已有30多種金屬使用該法生產(chǎn)，其中包括全部堿金屬和鋁。大部分鎂及各種稀有金屬。1

電熱冶金和一般火法冶金相比，電熱冶金具有加熱速度快、調(diào)溫準確、溫度高(可到2 000℃)，可以在各種氣氛、各種壓力或真空中作業(yè)，金屬燒損少等優(yōu)點，成為冶煉普通鋼，鐵合金．鎳、銅、鋅、錫等重有色金屬，鎢、鉬、鈮、鈦、鋯等稀有高熔點金屬，某些其他稀有金屬、半導(dǎo)體材料等的一種主要方法。電熱冶金消耗電能較多，只有在電源充足的條件下才能發(fā)揮優(yōu)勢。

電弧熔煉是利用電能在電極與電極或電極與被熔煉物之間產(chǎn)生電弧來熔煉金屬的冶金過程。直接加熱式電弧熔煉的電弧產(chǎn)生在電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料受電弧直接加熱，主要用于煉合金鋼。直接加熱式真空電弧熔煉爐主要用于熔煉鈦、鋯、鎢、鉬、鈮等活潑和高熔點金屬以及它們的合金。

電阻熔煉是在電阻爐內(nèi)利用電流通過導(dǎo)體電阻所產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬的冶金過程。按電熱產(chǎn)生的方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。

電阻—電弧熔煉是利用電極與爐料之間產(chǎn)生的電弧和電流通過爐料產(chǎn)生的電阻熱來熔煉金屬的冶金過程，是有色金屬冶煉中應(yīng)用廣泛的一種電熱冶金方法，主要用于生產(chǎn)鐵合金、電石、銅锍、鎳锍、黃磷等冶金及化工產(chǎn)品。

感應(yīng)熔煉是利用電磁感應(yīng)和電熱轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬的冶金過程。感應(yīng)熔煉在感應(yīng)爐內(nèi)進行。

電子束熔煉是利用電能產(chǎn)生的高速電子動能作為熱源來熔煉金屬的冶金過程，又稱電子轟擊熔煉。該法具有熔煉溫度高、爐子功率和加熱速度高、提純效果好的優(yōu)點，但也存在金屬回收率低、比電耗大等缺點。

等離子熔煉是利用電能產(chǎn)生的等離子弧作為熱源來熔煉金屬的冶金過程。該法具有熔煉溫度高、物料反應(yīng)速度快的特點．常用于熔煉、精煉、重熔高熔點金屬和合金。等離子體用作鎳和鎳鈷合金進行蒸發(fā)精煉，可脫出鉛、鋅、錫。高熔點金屬鈦、鈮、鉻等的重熔和提純，則采用真空等離子爐。1

電冶金技術(shù)技術(shù)概述電冶金技術(shù)也叫濕法冶金，以區(qū)別于采用火或電的火法熔煉技術(shù)。所謂濕法冶金，就是從電解液中電沉積出金屬的過程，它是冶金工業(yè)部門提取金屬的重要方法之一，同時也是提純有色金屬和制取貴重金屬的主要方法。

電冶金與火法冶金比較，具有制品純度高，并且能處理低品位礦石或復(fù)雜多金屬礦的優(yōu)點。電冶金技術(shù)的要點是將礦石經(jīng)焙燒、粉碎等處理后，用酸(如鹽酸、硫酸)或堿(如硫化堿，即硫化鈉加氫氧化鈉)、鹽(如硫酸亞鐵)等，將礦石中的金屬鹽進行溶解，再對這種含金屬離子的電解液進行電沉積加工。這時采用的陽極是不溶性陽極，而從陰極上獲取金屬材料。當(dāng)然在電解制取前還要對這種電解液進行提純，將電位較正的異種金屬離子先行取出，然后才進行所需金屬的制取。

電冶金還用于對不純有色金屬的精煉。這時的陽極則是需要提純的金屬，如銅、鎳等。通過電解加工后，從陰極上獲得的是純度很高的金屬材料，其純度通?？梢赃_到99.99%以上。

金屬的電解冶煉和精煉提純，大部分都是在電解質(zhì)的水溶液中進行的。用水溶液電解體系制取的金屬現(xiàn)在已經(jīng)達到30多種。主要有銅、鋅、鈷、鎳、鐵、鉻、錳、鎘、鉛、銻、錫、銦、金、銀等。其中電解精煉提取的有銅、鎳、鉆、錫、鉛、汞、金、銀、銻、銦等。

除了水溶性電解質(zhì)，在金屬的熔融鹽中也可以電解冶金，并且是制取鋁等重要現(xiàn)代工業(yè)材料的重要技術(shù)。

通過熔鹽電解大規(guī)模生產(chǎn)的金屬有鋁、鎂、鈉、鋰、鉀、鈣、鍶、鋇、鈹、鈾、鈦等。這些材料在國民經(jīng)濟中的重要性早巳超過鋼鐵與銅、鎳、鋅等一樣，成為重要的戰(zhàn)略性金屬材料。2

技術(shù)應(yīng)用(1)銅的電解精煉

電解煉銅是工業(yè)上采用得最早的電化學(xué)方法之一，其應(yīng)用也最廣。因為火法制取的銅的雜質(zhì)含量太高，不適合現(xiàn)代工業(yè)特別是電子工業(yè)對高純度銅的需要。因此大部分(85%～90%)的銅的制取要通過電解法進行精煉。各種銅的組分如右圖所示。

電解精煉銅的陰極沉積層盡管不需要像裝飾性電鍍那樣平滑光亮，但也不能有樹枝狀或疏松的鍍層。因此要適當(dāng)添加表面活性劑等改善陰極電流分布，使鍍層較為平整光滑。

電解精煉銅與其他電沉積銅的區(qū)別還在于它的規(guī)模是非常大的。為了提高生產(chǎn)效率和降低成本，電解精煉銅采用的是大規(guī)模生產(chǎn)方式。通常是上百個電解槽并聯(lián)或者串聯(lián)工作。所用的槽電壓也比電鍍高得多，約在16～18V。電流密度為200～260，這里要注意與其他電沉積不同，不是采用作單位，這也是規(guī)模不同的原因。電解精煉銅的陰極板平均每塊都在左右，上百塊的總電流量非常大，這時如果仍用作單位，就會顯得很不適當(dāng)。當(dāng)電流效率為75%時，每噸銅的電能消耗為170～200kW·h。

銅的電冶金則是從銅礦石浸取的電解液中進行的。銅礦石的科類很多，如孔雀石、藍銅礦、黑銅礦、硅孔雀石礦、赤銅礦、輝銅礦、斑銅礦、銅藍礦和黃銅礦等。

氧化銅礦用硫酸溶解浸出；硫化礦石是用硫酸鐵溶解；含有金屬銅和氧化物的礦石可以用氨水溶液浸出；孔雀石、藍銅礦和黑銅礦可以稀硫酸溶解；赤銅礦、輝銅礦和斑銅礦則用酸化的硫酸亞鐵溶解；黃銅礦必須先在高溫煅燒使之變成氧化銅，再用酸浸出，用濕法電冶煉；銅的電冶金所用的陽極為鉛板。

(2)銀的電解精煉

用電解精煉銀幾乎是提純金屬銀的唯一方法。因為用這種方法制得的金屬銀，其純度可達99.96%～99.99%。電解精煉銀的電解液如右圖所示。

由于銀的電位很正，因此電解液中的其他金屬雜質(zhì)的影響不眵顯。在槽電壓為1.5V，電流效率為95%時，每噸銀的電能消耗芫400kW·h。

電解銀的陽極泥中含有金、鉑等希貴金屬，還可以再用來提煉這些貴金屬。

(3)金的電解精煉

在電解銅時分離銀、銅之后的陽極泥，精煉銀以后的陽極泥中的金，由礦石冶煉中所提取的金以及廢金飾等都可以用于金的精煉提純。這些材料中除金外，尚夾雜著銅、鉛、銀、鉑族金屬雜質(zhì)等。如果雜質(zhì)金屬含量超過15%，則要用化學(xué)法先提純。作為陽極的金的含量不得低于90%。

金的化合物除了氯化物以外，溶解度都很低，而且還不穩(wěn)定，因此都不適合作電解金的電解液。

電解金用的電解液是三氯化金加鹽酸。加入鹽酸的目的是為了增加電解液的電導(dǎo)，同時防止三氯化金的水解。

生成的一氧三氯絡(luò)金酸按下式電離。

因此，在中性的氯化金溶液中，主要以一氧三氯絡(luò)金酸的形式存在。這時如果以金屬金為陽極進行電解，將不是陽極的金的電化學(xué)溶解，而是氧氣的析出，結(jié)果使陽極容易鈍化。

電解精煉金的電解槽比較小，一般只有20L，用陶瓷制作。電解液的配方如右圖所示。

電解精煉出來的金的純度可達99.98%一99.99%。

(4)鋅的濕法冶金

鋅是重要的最常用有色金屬之一。在全世界的鍍槽中，有一半左右是鍍鋅液。也就是說鍍鋅的量是所有電鍍液總量的一半。而現(xiàn)在世界上大約50%鋅則是通過濕法冶金制取的。

將鋅礦石用硫酸浸取，然后制成鍍鋅電解液，最后用不溶性陽極進行電沉積，從陰極上獲得金屬鋅。

工業(yè)上用電解法制鋅最早是美國和加拿大，他們于1914年開始工業(yè)電解冶煉鋅?，F(xiàn)在濕法冶煉鋅方法與當(dāng)初基本上是一樣的。只是技術(shù)和設(shè)備更加完善。

與前面幾種有色金屬和貴金屬不同的是，鋅的還原電位比較負，因此很多比鋅電位正的金屬都容易成為在陰極優(yōu)先析出的雜質(zhì)。這使得鋅的電冶金的流程和管理比較復(fù)雜。為了排除雜質(zhì)金屬的干擾，在將鋅精礦經(jīng)煅燒成氧化鋅后，經(jīng)酸化浸制成硫酸鋅的溶液。這時要加入鋅粉，將電位比鋅正的金屬(銅、銀、金等)置換并沉淀出來。進行這種分離后的電解液，才能用于濕法冶金。

鋅的濕法冶金分為正規(guī)法和強化法兩種。正規(guī)法是將浮選得到的鋅精礦在550～650℃緩慢煅燒，然后用較低濃度的硫酸溶解(也可以用電解鋅后的電解液)，制成如右圖(a)組成的電解液。

強化法是加大電解液主鹽濃度和電流密度，同時提高鍍液溫度和電流密度。這樣可以獲得較快的電沉積速度，如右圖(b)所示。2

電冶金特征簡單說來，電冶金就是電化學(xué)技術(shù)在提取冶金中的應(yīng)用。十分清楚，假若一個反應(yīng)消耗電子，為使該反應(yīng)連續(xù)進行，就必須由另外一個反應(yīng)供給電子。這一對互補反應(yīng)組成一電化學(xué)電池，這兩個反應(yīng)分別叫做陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)。

任何一個電化學(xué)系統(tǒng)都表現(xiàn)出兩個重要特點。

第一，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物必須以帶電狀態(tài)或離子狀態(tài)存在。雖然氣體可以是帶電的原子或分子，但大多數(shù)情況下，氣態(tài)物質(zhì)對組成電化學(xué)電池不甚方便。反應(yīng)物只有溶解在離子固體或離子液體中，或者溶解在水這樣的極性液體中才客易電離。也就是說，這些溶劑的基本功能是為帶電物質(zhì)提供一種它們能在其中存在的介質(zhì)。

第二，為使電化學(xué)反應(yīng)在體系中連續(xù)發(fā)生，也就是使電流在回；路中流動，必須在陰、陽極之間存在電位差。產(chǎn)生電位差的原因，一種情況是兩個電極上的電化學(xué)反應(yīng)速度不同，造成電子供應(yīng)和消耗不平衡，即兩個電極表面電位有差異。另一種情況是在兩電極之間加上一外電壓。本章討論的重點是后一種情況，也兼及前一種。

在電冶金反應(yīng)中，對體系施以外電壓，相當(dāng)于用電能做“燃料”，推動化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進行。這種燃料的優(yōu)點首推在過程中不向體系引入雜質(zhì)。舉例來說，火法冶金中使用焦炭，不可避免地向反應(yīng)池中引入、和硫。濕法冶金中使用的溶劑和藥劑都不可能是純物質(zhì)。因此，電化學(xué)反應(yīng)對于要求生產(chǎn)高純度和高活性材料工藝過程表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。3

冶煉工藝①電爐冶煉是利用電能獲得冶金所要求的高溫而進行的冶金生產(chǎn)。如電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼，可獲得比用燃料供熱更高的溫度，且爐內(nèi)氣氛較易控制，對熔煉含有易氧元素較多的鋼種極為有利。

②熔鹽電解是利用電能加熱并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質(zhì)進行電解，自熔鹽中還原金屬，以提取和提純金屬的冶金過程，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。

③水溶液電解是利用電能轉(zhuǎn)化的化學(xué)能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。