跳至內容

冶煉

維基百科,自由的百科全書
一處冶金車間,攝於1942年一家屬於田納西河谷管理局(TVA)的化工廠

冶煉是指從礦石中提取出金屬單質的過程。自然界中的金屬礦石一般是相應金屬元素與等元素形成的化合物,因此需要通過化學還原的方法使金屬元素還原成單質。現代的冶煉工藝可以分為三大步驟:礦石準備、還原,以及精製[1][2]

歷史

[編輯]
中國元代的冶鐵工藝圖解

人類能冶煉的第一種金屬是,銅的冶煉工藝大約在公元前5000年出現。銅的冶煉方法出現後,人類又陸續獲得了冶煉,以及的能力[2]。但煉鐵的溫度很高,故直到4000年前人類都還沒掌握鐵製品,最早能大規模冶鐵的國家是赫梯王國,該國自公元前14世紀開始具有大量冶鐵的能力。冶鐵技術的出現推動了文明的發展,使世界進入鐵器時代[3]。18世紀,英國首創用焦炭取代木炭煉鐵的近代高爐技術[2][4]

工藝流程

[編輯]

現代冶煉一般分為三大步驟:礦石準備、還原,以及精煉。礦石準備步驟中,需要對礦石進行分選,除去雜質,再進行燒結成型。一部分的硫化物礦物在此之後需要進行焙燒英語Roasting (metallurgy)處理,脫去等元素,形成品位更高的氧化物。在還原中,使用一氧化碳還原劑與礦石反應,使金屬元素還原為金屬單質。在精煉過程中,會對還原得到的金屬單質進行處理,以減少其中的雜質含量[1][5]

焙燒

[編輯]

礦石準備中,一部分礦石需要在還原前進行焙燒英語Roasting (metallurgy)。焙燒的目的是使礦石中的碳酸鹽分解,或使氧氣與硫化物發生反應,形成品位更高、便於還原的金屬氧化物或其他化合物。例如,孔雀石的焙燒可以使其中的主要成分鹼式碳酸銅(Cu2(CO3)(OH)2)發生以下反應[6][7]

對以金屬硫化物為主要成分的礦石而言,焙燒則主要發生以下反應(以閃鋅礦為例)[6]

亦有加入氯化劑使金屬礦物生成氯化物的氯化焙燒,或使硫化物成為硫酸鹽,以便濕法冶金的焙燒工藝[1][6]

還原

[編輯]

還原旨在通過金屬礦物與還原劑(如焦炭一氧化碳)的反應,使金屬元素還原,形成所需的金屬單質。煉鐵的高爐即為對鐵礦石進行還原的反應裝置。在還原過程中,亦會加入石灰石石英石等,以便造渣。還原過程會產生二氧化碳等氣體,以及廢棄的爐渣[1][2][8]

精煉

[編輯]

還原得到的金屬一般需要精煉才能得到精品。在精煉中,不需要的雜質會被進一步排除,得到金屬單質含量更高的精品。對高爐煉出的生鐵來說,可使用平爐等方法精煉為成品鋼。在粗銅的精煉中,會先進行再氧化,製成陽極進行電解,製得精銅。粗鋅則可利用蒸餾法進行精煉[5]

環境問題

[編輯]
日本八幡製鐵所的第一座高爐,現已登錄為世界文化遺產

冶煉屬於污染較重的工業,冶煉產生的廢水以及廢渣會對環境造成影響,一些有毒金屬也會在過程中排放到環境中。在冶煉中可能會以氣態排放到大氣中。此外,冶煉過程中產生的二氧化硫若過量排放,可能造成酸雨等環境問題[9][10]

參見

[編輯]

參考文獻

[編輯]
  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 魏壽昆. 火法冶金. 中国大百科全书 第一版. [2018-08-15]. (原始內容存檔於2020-02-25). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Smelting. Encyclopaedia Britannica. [2018-08-15]. (原始內容存檔於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 中國期貨業協會編. . 中國財政經濟出版社. 2011-11-01: 48–55 [2018-08-15]. ISBN 978-7-5095-3190-7. (原始內容存檔於2021-05-15). 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Ray, H.S.; et al. 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]. (原始內容存檔 (PDF)於2015-09-23). 
  8. ^ George C. Wang. The Utilization of Slag in Civil Infrastructure Construction. Elsevier Science. 2016-06-24: 36– [2018-08-15]. ISBN 978-0-08-100397-8. (原始內容存檔於2021-05-15). 
  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. (原始內容存檔於2018-02-08) –透過Cambridge University Press (英語). 
  10. ^ Likens, Gene E.; Wright, Richard F.; Galloway, James N.; Butler, Thomas J. Acid Rain. Scientific American. 1979, 241 (4): 43–51. JSTOR 24965312.