冶炼

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一处冶金车间,摄于1942年一家属于田纳西河谷管理局(TVA)的化工厂

冶炼是指从矿石中提取出金属单质的过程。自然界中的金属矿石一般是相应金属元素与等元素形成的化合物,因此需要通过化学还原的方法使金属元素还原成单质。现代的冶炼工艺可以分为三大步骤:矿石准备、还原,以及精制[1][2]

历史[编辑]

中国元代的冶铁工艺图解

人类能冶炼的第一种金属是铜,铜的冶炼工艺大约在公元前5000年出现。铜的冶炼方法出现后,人类又陆续获得了冶炼,以及的能力[2]。最早能大规模冶铁的国家是赫梯王国,该国自公元前14世纪开始具有大量冶铁的能力。冶铁技术的出现推动了文明的发展,使世界进入铁器时代[3]。18世纪,英国首创用焦炭取代木炭炼铁的近代高炉技术[2][4]

工艺流程[编辑]

现代冶炼一般分为三大步骤:矿石准备、还原,以及精炼。矿石准备步骤中,需要对矿石进行分选,除去杂质,再进行烧结成型。一部分的硫化物矿物在此之后需要进行焙烧英语Roasting (metallurgy)处理,脱去等元素,形成品位更高的氧化物。在还原中,使用一氧化碳等还原剂与矿石反应,使金属元素还原为金属单质。在精炼过程中,会对还原得到的金属单质进行处理,以减少其中的杂质含量[1][5]

焙烧[编辑]

矿石准备中,一部分矿石需要在还原前进行焙烧英语Roasting (metallurgy)。焙烧的目的是使矿石中的碳酸盐分解,或使氧气与硫化物发生反应,形成品位更高、便于还原的金属氧化物或其他化合物。例如,孔雀石的焙烧可以使其中的主要成分碱式碳酸铜(Cu2(CO3)(OH)2)发生以下反应[6][7]

Cu2(CO3)(OH)2   →   2 CuO + CO2 + H2O

对以金属硫化物为主要成分的矿石而言,焙烧则主要发生以下反应(以闪锌矿为例)[6]

2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2

亦有加入氯化剂使金属矿物生成氯化物的氯化焙烧,或使硫化物成为硫酸盐,以便湿法冶金的焙烧工艺[1][6]

还原[编辑]

还原旨在通过金属矿物与还原剂(如焦炭一氧化碳)的反应,使金属元素还原,形成所需的金属单质。炼铁的高炉即为对铁矿石进行还原的反应装置。在还原过程中,亦会加入石灰石石英石等,以便造渣。还原过程会产生二氧化碳等气体,以及废弃的炉渣[1][2][8]

精炼[编辑]

还原得到的金属一般需要精炼才能得到精品。在精炼中,不需要的杂质会被进一步排除,得到金属单质含量更高的精品。对高炉炼出的生铁来说,可使用平炉等方法精炼为成品钢。在粗铜的精炼中,会先进行再氧化,制成阳极进行电解,制得精铜。粗锌则可利用蒸馏法进行精炼[5]

环境问题[编辑]

日本八幡製鐵所的第一座高炉,现已登录为世界文化遗产

冶炼属于污染较重的工业,冶炼产生的废水以及废渣会对环境造成影响,一些有毒金属也会在过程中排放到环境中。在冶炼中可能会以气态排放到大气中。此外,冶炼过程中产生的二氧化硫若过量排放,可能造成酸雨等环境问题[9][10]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 魏寿昆. 火法冶金. 中国大百科全书 第一版. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Smelting. Encyclopaedia Britannica. [2018-08-15]. 
  3. ^ Souckova-Siegolová, J. Treatment and usage of iron in the Hittite empire in the 2nd millennium BC. Mediterranean Archaeology. 2001, 14: 189–93. 
  4. ^ Simcoe, Charles R. "The Age Of Steel: Part II." Advanced Materials & Processes 172.4 (2014): 32-33. Academic Search Premier.
  5. ^ 5.0 5.1 中国期货业协会编. . 中国财政经济出版社. 2011-11-01: 48–55. ISBN 978-7-5095-3190-7. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Ray, H.S.; 等. Extraction of Nonferrous Metals. Affiliated East-West Press Private Limited. 1985: 131–132. ISBN 81-85095-63-9. 
  7. ^ Copper Metal from Malachite | Earth Resources (PDF). asminternational.org. [2015-08-26]. (原始内容存档 (PDF)于2015-09-23). 
  8. ^ George C. Wang. The Utilization of Slag in Civil Infrastructure Construction. Elsevier Science. 2016-06-24: 36–. ISBN 978-0-08-100397-8. 
  9. ^ Hutchinson, T. C.; Whitby, L. M. Heavy-metal pollution in the Sudbury mining and smelting region of Canada, I. Soil and vegetation contamination by nickel, copper, and other metals. Environmental Conservation. 1974, 1 (2): 123–132 [2018-02-07]. ISSN 1469-4387. doi:10.1017/S0376892900004240. (原始内容存档于2018-02-08) –通过Cambridge University Press (英语). 
  10. ^ Likens, Gene E.; Wright, Richard F.; Galloway, James N.; Butler, Thomas J. Acid Rain. Scientific American. 1979, 241 (4): 43–51. JSTOR 24965312.