《稀有金属冶金学》课件

稀有金属冶金学概论稀有金属冶金学是研究稀有金属提取和纯化的科学课程目标和大纲掌握基础知识了解稀有金属的特性与分类学习冶金原理掌握提取与纯化工艺工业应用理解稀有金属在现代工业中的重要性前沿发展稀有金属的定义和分类轻稀有金属钛、锆、铪等难熔金属钨、钼、铌、钽等分散元素镓、铟、锗、铼等稀土金属稀有金属的重要性和应用电子工业航空航天能源领域医疗应用半导体、超导材料、电子元件高温合金、结构材料核能、太阳能、储能设备稀有金属资源分布概况中国俄罗斯澳大利亚巴西美国稀有金属冶金的基本原理化学转化物理富集焙烧、氯化、硫化等21分选、重选、浮选等湿法处理浸出、萃取、离子交换35金属精炼金属还原真空冶金、区域熔炼等4热还原、电解还原等稀有金属冶金的主要方法火法冶金湿法冶金电冶金高温熔炼、焙烧、挥发浸出、沉淀、萃取电解、电热还原适用于难熔金属提取适用于低品位矿和复杂矿用于高纯金属生产钨的物理化学性质熔点高13422°C，金属中最高密度大

219.25g/cm³硬度高3莫氏硬度

7.5导热性好4热膨胀系数低钨矿物及其分布黑钨矿白钨矿铁钨矿Fe,MnWO₄CaWO₄FeWO₄主要分布于中国、俄罗斯主要分布于加拿大、美国主要分布于葡萄牙、玻利维亚钨的提取冶金原理矿石破碎1将原矿破碎至适当粒度物理选矿2重选、浮选分离钨矿物化学处理3碱熔或酸浸提取钨钨酸盐转化4制备仲钨酸铵氧化物还原5制备金属钨粉钨精矿的焙烧焙烧目的去除硫、砷等杂质增加矿石孔隙度焙烧条件温度600-800°C氧化性气氛反应机理硫化物氧化为氧化物或硫酸盐设备选择回转窑、沸腾炉钨的湿法冶金工艺碱熔法1Na₂CO₃熔融分解钨矿物酸浸法2HCl处理白钨矿自蚀法3高温高压碱液处理高压碱浸4高温高压NaOH溶液浸出仲钨酸铵的制备钨酸钠溶液pH控制在7-8杂质去除沉淀、过滤调节pH加入盐酸至pH3-4氨水加入控制浓度和温度结晶分离控制温度和时间三氧化钨的制备550℃煅烧温度

99.95%产品纯度2-4小时煅烧时间5-10µm颗粒尺寸金属钨粉的制备金属钨粉1粒度

0.5-10μm氢气还原2600-900°C原料WO₃3高纯三氧化钨钼的物理化学性质熔点高12623°C密度中等

210.28g/cm³硬度高3莫氏硬度

5.5耐腐蚀4耐酸碱性好钼矿物及其分布主要矿物辉钼矿MoS₂、钼华MoO₃、钨钼矿PbMoO₄钼的提取冶金原理选矿富集1浮选法获得钼精矿氧化焙烧2将MoS₂转化为MoO₃湿法处理3制备钼酸铵或钼酸钠氢还原4将MoO₃还原为金属钼钼精矿的焙烧焙烧温度反应机理12500-600°C MoS₂+O₂→MoO₃+SO₂工艺控制焙烧设备氧化气氛、温度均匀性多层炉、流化床43钼的湿法冶金工艺碱浸法氨浸法碱性溶液浸出MoO₃NH₄OH溶液浸出酸浸法萃取提纯硫酸、硝酸浸出有机萃取剂分离杂质钼酸铵的制备焙砂溶解氨水溶解MoO₃溶液净化去除Cu、Fe等杂质结晶浓缩控制温度和pH分离干燥离心分离、低温干燥三氧化钼的制备原料准备钼酸铵或钼酸钠溶液热分解400-500°C热分解焙烧控制氧化气氛，防止还原粉碎筛分控制粒度分布金属钼粉的制备原料准备一次还原1高纯MoO₃450-650°C，H₂气氛2粉末处理二次还原43磨粉、分级、包装900-1100°C，H₂气氛钛的物理化学性质物理特性机械性能化学特性密度

4.5g/cm³强度高耐腐蚀熔点1668°C韧性好化学活性高沸点3287°C比强度最高钝化倾向强钛矿物及其分布钛铁矿金红石白钛矿FeTiO₃TiO₂风化钛铁矿全球主要钛资源高品位钛矿物次要钛资源钛的提取冶金原理氯化法1Kroll法生产金属钛电解法2熔盐电解TiO₂热还原法3钙热还原TiO₂直接还原法4新型FFC剑桥法钛精矿的氯化氯化反应反应条件12TiO₂+C+2Cl₂→TiCl₄+CO₂温度800-1000°C反应装置产物特性34流化床氯化炉TiCl₄沸点136°C的无色液体四氯化钛的精制高纯TiCl₄1纯度

99.9%精馏2分离VOCl₃等杂质化学处理3去除FeCl₃、AlCl₃等粗TiCl₄4含多种氯化物杂质金属钛的镁热还原反应条件还原反应1温度800-850°CTiCl₄+2Mg→Ti+2MgCl₂2惰性气氛副产物回收4产物形态3MgCl₂电解回收Mg多孔海绵状金属钛钛海绵的提纯真空分离1去除残留MgCl₂酸浸处理2去除表面杂质真空焙烧3脱除气体杂质破碎分级4获得不同粒度产品锆的物理化学性质银白色金属熔点高12密度

6.5g/cm³1855°C中子吸收截面小耐腐蚀性优34核工业关键材料表面形成致密氧化膜锆矿物及其分布锆石斜锆石开采方式ZrSiO₄ZrO₂主要为砂矿开采澳大利亚、南非巴西、俄罗斯锆的提取冶金原理矿石分解碱熔或氯化分解锆石化合物转化制备氯化锆或氧化锆金属还原镁热还原或Kroll法金属提纯真空蒸馏或碘化提纯锆的氯化工艺原料准备锆石与碳混合氯化反应ZrO₂+2C+2Cl₂→ZrCl₄+2CO反应温度800-1200°C产物收集冷凝回收ZrCl₄四氯化锆的精制升华精制化学处理12利用升华点差异分离去除HfCl₄等杂质精馏提纯萃取分离43多级精馏塔分离MIBK萃取分离Hf金属锆的镁热还原还原反应ZrCl₄+2Mg→Zr+2MgCl₂反应条件温度800-850°C惰性气氛产物形态海绵状金属锆杂质控制严格控制O、N等气体杂质铌的物理化学性质铌矿物及其分布主要矿物铌铁矿[Fe,MnNb,Ta₂O₆]、铌钽矿[Na,Ca₂Nb₂O₆F]主要产地巴西、加拿大、尼日利亚铌的提取冶金原理碱熔分解1NaOH或KOH熔融分解水浸2铌酸盐溶液沉淀3Nb₂O₅·nH₂O氟化4K₂NbF₇还原5铝热或电解还原铌的湿法冶金工艺酸浸法碱浸法萃取分离HF或HF-H₂SO₄混酸浸出NaOH溶液浸出MIBK、TBP等有机萃取剂形成络合物H₂[NbOF₅]形成铌酸钠Na₃NbO₄分离Ta、Ti等杂质五氧化二铌的制备沉淀洗涤1铌酸盐溶液中和沉淀除去可溶性杂质2煅烧干燥43800-1000°C煅烧105-120°C干燥金属铌的制备铝热还原1Nb₂O₅+Al→Nb+Al₂O₃电解还原2K₂NbF₇熔盐电解钠热还原3K₂NbF₇+Na→Nb+NaF+KF稀土金属的物理化学性质种类多1镧系15种+钪、钇，共17种活泼性强2容易与氧、氮、硫等非金属形成化合物磁性独特3如钕、钐、镝具有优异磁性光学特性优4如铕、铽具有特殊发光性能稀土矿物及其分布独居石氟碳铈矿磷钇矿Ce,LaPO₄Ce,LaCO₃F YPO₄中国、澳大利亚中国、美国马来西亚、巴西稀土元素的分离原理分步沉淀法萃取分离法基于稀土元素碱性差异基于分配系数差异离子交换法色谱分离法基于稀土离子与树脂亲和力差异基于稀土元素洗脱速度差异稀土精矿的分解酸法分解碱法分解1硫酸、盐酸、硝酸浸出高温NaOH熔融分解2还原熔融氯化焙烧43高温还原性条件下熔融与CaCl₂混合焙烧稀土元素的萃取分离稀土金属的还原制备熔盐电解法稀土氯化物或氟化物电解金属热还原法Ca或La还原氟化物真空蒸馏法提纯稀土金属区域熔炼法进一步提高纯度镓的物理化学性质低熔点高沸点体积变化

29.76°C，室温下可熔2403°C，液态范围广凝固时膨胀

3.1%化半导体特性GaAs、GaN等为重要半导体材料镓的来源和提取原理高纯镓1纯度

99.99999%提纯工艺2电解、区域熔炼粗镓提取3铝土矿、锌矿副产物原料来源4铝土矿50-70ppm、锌矿50ppm镓的提取工艺碱液浸出拜耳法铝土矿处理后的碱液富集电解、沉淀等方法富集电解沉积汞阴极电解沉积镓精炼区域熔炼、化学方法提纯铟的物理化学性质银白色软金属1莫氏硬度

1.2低熔点

2156.6°C延展性好3可轧制成薄箔化学活泼4在HCl中缓慢溶解铟的来源和提取原理锌冶炼铅冶炼锡冶炼锌精矿中In含量约100ppm部分铅精矿含铟锡矿中也含有铟铟的提取工艺铟富集1锌冶炼渣中富集浸出2硫酸浸出溶解铟净化3去除Fe、Cu、As等杂质萃取4D2EHPA萃取分离电解5电解沉积获得金属铟锗的物理化学性质物理特性电学特性光学特性灰白色半金属半导体材料高折射率密度

5.32g/cm³能隙

0.67eV红外透过率高熔点938°C高电阻率光电探测材料锗的来源和提取原理煤中提取锌精矿铜精矿锗矿石其他来源锗的提取工艺浸出HCl浸出含锗物料蒸馏GeCl₄蒸馏分离水解GeCl₄水解为GeO₂还原H₂还原GeO₂为Ge区熔提纯区域熔炼获得高纯锗稀有金属冶金的环境问题酸性废水含重金属、氟化物等污染物废气排放SO₂、氯气、粉尘等有害气体固体废弃物尾矿、渣滓等占用土地放射性污染部分矿石含Th、U等放射性元素稀有金属冶金的未来发展趋势循环利用绿色冶金新型工艺智能化废料回收再利用技术环保节能冶金工艺生物冶金、超临界流体技术自动化控制、数字化管理课程总结与展望前沿研究1参与最新稀有金属研究工业应用2解决实际生产中的难题冶金原理3掌握各类稀有金属冶炼方法基础知识4理解稀有金属物理化学性质。