有色冶金技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展探討

劉占華

（北京中礦基業(yè)安全防范技術(shù)有限公司，北京 100020）

有色金屬制造包括勘探，開(kāi)采，加工，冶煉和加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理和化學(xué)的先進(jìn)技術(shù)不斷被用于有色冶金技術(shù)的創(chuàng)新，從而使有色冶金技術(shù)取得了新的進(jìn)步。目前，火法冶金由于其自身的許多缺點(diǎn)而逐漸被淘汰，有色冶金技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新面臨許多挑戰(zhàn)，當(dāng)前，有色冶金正在向環(huán)境保護(hù)，海洋資源利用和金屬替代品的方向發(fā)展，但是工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾使海洋資源的利用變得復(fù)雜。與上述研究領(lǐng)域相比，探索二次資源的開(kāi)采和再利用的前景更大，如果以前實(shí)驗(yàn)室的研究和開(kāi)發(fā)結(jié)果在以后轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線(xiàn)，那么有色冶金技術(shù)將會(huì)得到一次大突破。

1 有色冶金概述

冶金是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)家實(shí)力和工業(yè)發(fā)展水平的象征。它提供各種行業(yè)所需的材料，例如機(jī)械工程，能源，化學(xué)工業(yè)，運(yùn)輸，建筑，航空，國(guó)防和軍事。現(xiàn)代工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國(guó)防和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷對(duì)冶金工業(yè)提出新的要求，并為冶金學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。冶金技術(shù)的發(fā)展又為人類(lèi)文明的發(fā)展提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)。

有色冶金學(xué)是從復(fù)雜成分的礦物骨料中提取金屬，以得到金屬原料并完成有色金屬的粗加工，然后清洗原金屬以獲得更精煉的金屬產(chǎn)品。

在冶金過(guò)程中，特別是使用化學(xué)冶金和物理冶金，必須使用某種技術(shù)工藝來(lái)分離賤金屬和其他金屬以獲得更高純度的金屬。具體的冶金過(guò)程主要包括三個(gè)過(guò)程：預(yù)熔，粗加工和精煉，主要通過(guò)利用物理原理和化學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)冶金中的物理化學(xué)反應(yīng)并達(dá)到冶金目標(biāo)[1]。

2 有色金屬提取冶金技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 濕法冶金

在有色金屬的提取冶金技術(shù)中，濕法冶金是最廣泛的冶金技術(shù)之一。通常，有色金屬通過(guò)分解礦物來(lái)熔化，通過(guò)濕法去除和回收，然后還原為金屬。首先將有用的成分轉(zhuǎn)移到溶液中，然后從殘?jiān)蟹蛛x出浸提液，洗滌并回收攜帶殘?jiān)慕饘匐x子和冶金溶劑，最后對(duì)浸提液進(jìn)行富集和純化，從清潔液中獲得所需的有色金屬和相應(yīng)的化合物。在冶金工業(yè)中，將濕法冶金方法用于鈾、銅、鋁、鋅等的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)廣泛。目前，世界上約12%的銅，74%的鋅以及所有的氧化鈾和氧化鋁都是通過(guò)濕法冶金技術(shù)生產(chǎn)的。例如，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和連續(xù)性，這對(duì)于保護(hù)環(huán)境很有用。在中國(guó)，使用濕法鋅熔煉技術(shù)生產(chǎn)的鋅占鋅金屬總產(chǎn)量的70%。

2.2 火法冶金

在有色冶金的許多現(xiàn)代技術(shù)中，火法冶金是最早使用的方法，主要包括富集，冶煉和精煉三個(gè)階段。詳細(xì)過(guò)程如下：濃縮過(guò)程完成后，將特定的冶金溶劑添加到細(xì)顆粒濃縮物中。要注意溶劑的比例，應(yīng)按規(guī)格添加，混合后在高溫熔爐中熔融，熔渣，含雜質(zhì)金屬液體等應(yīng)按規(guī)定添加需要時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步提煉。加工后，除去含有雜質(zhì)的金屬液，最終，可以更高的精度得到有色金屬。與有色冶金中的其他工藝相比，火法冶金技術(shù)效率更高，但能耗較高，不能滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約的要求。因此，還需要對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，從而確保其繼續(xù)推廣和應(yīng)用。

2.3 電冶金

電冶金是使用電能作為能源提取和加工金屬的過(guò)程。根據(jù)電能轉(zhuǎn)換的不同形式，它也可以分為電冶金和電熱冶金。生產(chǎn)鋁的唯一工業(yè)方法是由冰晶石-氧化鋁熔鹽制成的電解質(zhì)。它包括從鋁土礦中提取氧化鋁和氧化鋁電解的兩個(gè)階段。氧化鋁的電解在電解槽中進(jìn)行，直流電通過(guò)電解槽以使氧化鋁通過(guò)電解質(zhì)分解。依靠電能產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)維持950℃～970℃的電解溫度。陰極上的電解產(chǎn)生液態(tài)鋁，在陽(yáng)極上會(huì)形成氧氣，并且在碳的陽(yáng)極氧化過(guò)程中會(huì)沉淀出CO2和CO氣體。鋁液是通過(guò)真空罐工藝獲得的，經(jīng)過(guò)清洗和澄清后倒入市售的鋁棒中，產(chǎn)品質(zhì)量通?？梢赃_(dá)到99.5%至99.7%Al[2]。（如下圖1所示）。

圖1 電解法制鋁流程

2.4 國(guó)外有色冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

具有基本設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)能力的外國(guó)冶金公司可以進(jìn)行功能性產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)如下：它可以滿(mǎn)足設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的要求，按照控制系統(tǒng)等設(shè)備上的某些技術(shù)和流程進(jìn)行工作，具有高質(zhì)量的設(shè)計(jì)資源，并且其開(kāi)發(fā)人員將具有較高的整體質(zhì)量和經(jīng)驗(yàn)—工作人員的具體組成具有國(guó)際特色，強(qiáng)大的職業(yè)道德，完整的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，產(chǎn)品測(cè)試條件，軟件開(kāi)發(fā)資源，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作平臺(tái)等，且相關(guān)軟件和信息檢索軟件非常豐富[3]。

3 有色金屬提取冶金工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 先進(jìn)金屬材料的生產(chǎn)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新型金屬材料應(yīng)運(yùn)而生。在高科技領(lǐng)域，現(xiàn)代新型材料起著重要的作用，不能被其他材料替代。方便且經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)性能穩(wěn)定的現(xiàn)代材料，是當(dāng)前冶金工業(yè)亟待解決的問(wèn)題，也是冶金工業(yè)面臨的新問(wèn)題。根據(jù)目前的情況，萃取冶金領(lǐng)域的許多研究人員逐漸改變了他們的研究領(lǐng)域，并致力于現(xiàn)代材料和新工藝的發(fā)展，將這種研究結(jié)果引入工業(yè)實(shí)踐是有色冶金行業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向之一。

3.2 新工藝流程的改進(jìn)和應(yīng)用

未來(lái)有色冶金技術(shù)的發(fā)展應(yīng)整合到多個(gè)學(xué)科和相關(guān)過(guò)程中，以實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)整合。熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的控制和研究功能，提高了冶金系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。同時(shí)，除了有色冶金技術(shù)研發(fā)中的能耗問(wèn)題外，還必須考慮環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，通過(guò)減少冶金能耗以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的最終目標(biāo)。一方面，通過(guò)在真空環(huán)境中進(jìn)行制造有色金屬的操作，將真空技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的有色冶金技術(shù)，可以有效地減少對(duì)環(huán)境的有害影響。另一方面，也可以實(shí)現(xiàn)在大氣環(huán)境中不能進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)。但是，應(yīng)該注意的是，在對(duì)冶金技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和現(xiàn)代化的同時(shí)，為了滿(mǎn)足有色冶金技術(shù)的實(shí)際要求，必須同時(shí)優(yōu)化和改進(jìn)有色金屬冶金設(shè)備[4]。

3.3 電解鋁技術(shù)的發(fā)展方向

鋁冶金技術(shù)的發(fā)展應(yīng)主要集中在電解鋁的生產(chǎn)方向上：

3.3.1 改善熔體的性能

由于純冰晶石的熔點(diǎn)高，電導(dǎo)率差，腐蝕小，溶解的氧化鋁少等原因，鋁的電解生產(chǎn)會(huì)消耗大量的電力和較高的生產(chǎn)成本。近年來(lái)，研究人員主要對(duì)新的鋁原料進(jìn)行了研究，但到目前為止，尚未報(bào)道新的進(jìn)展。當(dāng)前的研究結(jié)果表明，添加一些理想的添加劑以降低熔點(diǎn)的制造工藝是未來(lái)可能的研究領(lǐng)域之一。

3.3.2 提高電流效率

研究表明，高熔點(diǎn)是降低電流效率的重要因素。因此，應(yīng)該進(jìn)一步研究以保持生產(chǎn)中的低溫工作并增加電產(chǎn)量。

3.3.3 改善電解槽的壽命

眾所周知，用于制造電解鋁的電解槽容易腐蝕。電解池的壽命小于10個(gè)月，這增加了工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)成本。因此，電解電池材料的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益至關(guān)重要。

3.3.4 提高高純度鋁的純度

數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)電解鋁生產(chǎn)的鋁純度與世界發(fā)達(dá)鋁生產(chǎn)國(guó)生產(chǎn)的鋁純度之間仍然存在差距，對(duì)鋁材料有高純度要求的產(chǎn)品制造商仍依賴(lài)進(jìn)口鋁產(chǎn)品。目前，電解槽中鋁液的穩(wěn)定性很差，這對(duì)鋁的純度和鋁的生產(chǎn)效率有很大的影響。如果電磁冶金技術(shù)能夠成功地應(yīng)用于鋁電解過(guò)程，那么鋁冶金技術(shù)的研究將是一個(gè)重大突破。

3.4 環(huán)境保護(hù)與資源綜合利用

提取有色金屬的冶金過(guò)程會(huì)產(chǎn)生許多有害甚至有毒氣體，例如NOX，SOX，COX等。這些廢氣會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，這也是產(chǎn)生酸雨和溫室效應(yīng)的主要原因。如果不加以控制處理，將導(dǎo)致我國(guó)環(huán)境條件進(jìn)一步惡化，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。為了改善人們的生活環(huán)境，同時(shí)有效實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，必須加強(qiáng)實(shí)施有色金屬生產(chǎn)中冶金過(guò)程中的“三廢”戰(zhàn)略，這也是有色金屬生產(chǎn)中冶金發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。因此，在未來(lái)有色金屬冶煉的發(fā)展中，應(yīng)不斷優(yōu)化和改進(jìn)冶金技術(shù)，并使金屬冶煉工業(yè)朝著綠色化的方向發(fā)展[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)說(shuō)，有色冶金行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)支持密不可分。因此我們必須促進(jìn)人才發(fā)展，推廣和使用先進(jìn)技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)新的冶金技術(shù)，以提高有色冶金的效率和質(zhì)量，同時(shí)盡可能避免對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境的影響。