第1章 绪论
有色金属作为我国国民经济和国防工业发展的重要基础原材料，已广泛应用于机械、电子、化工、建材、航天、航空、国防军工等各个行业，是支撑国家安全和国家重大战略工程的关键材料，在国民经济发展中占有十分重要的地位。有色金属工业是以开发利用有色金属矿产资源为主的资源性行业，是国民经济和国防建设的基础产业，也是国家参与新世纪国际竞争的支柱产业［1］，有色金属工业的发展水平被认为是一国国力的体现，也已成为衡量一个国家社会进步的重要标志。
1.1 我国有色金属工业的发展
我国是全球*大的有色金属生产和消费国，1995年以来，有色金属的总产量持续增长。1995年铜、铝、铅、锌、镍、锡、锑、镁、钛、汞10种常用有色金属产量为496万t；2002年总产量达到1020万t，首次超跃美国，跃居世界第一位；2005年总产量达到1639万t；2008年面对全球金融危机，全国10种有色金属总产量2551万t，总消费量2567万t；2009年达到2605万t，总消费量2665万t，其中铜、铝、铅、锌总产量分别占全球产量的22.43%、35.45%、42.02%、38.65%，总消费量分别占全球消费量的31.66%、37.07%、41.67%、40.17%，2019年达到5842万t，总消费量约为6085万t，其中铜、铝、铅、锌总产量分别占全球产量的40.53%、55.02%、48.83%、45.43%，总消费量分别占全球消费量的54.66%、56.27%、50.43%、47.99%，铜、铝、铅、锌等主要有色金属生产和消费量均居世界第一位。
我国有色金属工业通过自主创新、集成创新和引进技术消化吸收再创新，技术装备水平取得了明显提高。铜、铝、铅、锌等主要有色金属的冶炼工艺和生产装备已达到或领先国际先进水平［2，3］。在铜冶炼生产方面，先后引进了奥托昆普闪速熔炼技术、诺兰达熔池熔炼技术、奥斯迈特冶炼技术、艾萨冶炼技术，通过改造创新国外闪速熔炼、闪速吹炼铜冶炼技术，自主研发了旋浮铜冶炼、氧气底吹、双底吹和两步炼铜技术大大提升了我国铜冶炼技术装备水平；在铝冶炼生产方面，针对我国一水硬铝石型铝土矿的特点，自主创新了完整的一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的工艺技术与装备，自主研究了选矿拜耳法氧化铝生产工艺，自主开发的大型预焙槽电解铝生产技术达到世界先进水平，在国内得到广泛应用，2008年，我国成功自主研发了当时世界上槽容量*大的400kA以上铝电解槽，2014年建成目前全球*大的投入产业化应用的600KA超大容量铝电解槽生产系列，2018年，原铝综合交流电耗达到13577KWh/t，标志着我国铝电解技术已走在世界前列，并在越南、委内瑞拉、土耳其、厄瓜多尔、印度等国家建设了多个氧化铝、电解铝项目，2019年5月，我国企业与意大利电解铝厂签订升级改造项目合同，成为中国企业在欧盟国家执行的首个电解铝项目［3］；在铅冶炼生产方面，我国拥有自主知识产权的氧气底吹鼓风炉炼铅技术（又称水口山炼铅法）获得成功，标志着在富氧熔池炼铅工艺方面取得了突破性的进展，引进的艾萨炉鼓风炉炼铅技术得到很好的运用，液态高铅渣直接还原新工艺的试产成功标志着我国铅冶炼技术又上了一个新高度，漩涡闪速一步炼铅关键技术的突破，为炼铅业降耗起到了重要的支撑作用；在锌冶炼生产方面，我国骨干锌冶炼企业通过技术升级，先进的锌冶炼技术得到更多的采用，绝大部分采用先进的电解炼锌法生产，世界先进的常压富氧直接浸出炼锌工艺也于2008年顺利投产，2019年，我国自主设计了目前世界上*大的152m2流态化焙烧炉，成功应用于我国新建的30万t/年锌冶炼生产线。
随着技术装备水平的提升，有色金属产品质量明显提高。目前，我国有色金属冶炼产品的质量已居世界先进水平。铜、铝、铅、锌、锡、镍、银、钴、特种铝、铝合金10种产品的64个品牌已先后在伦敦金属交易所和伦敦金银市场注册；在国家开展的历次质量抽查中，合格率始终保持在较高水平；早期出现较多的产品质量一致性差、表面质量差、包装质量差的老问题，已得到很大程度改善。基本满足了高速铁路、大型电力装备、光伏产业、新能源汽车等战略性新兴产业及国防科技工业等重点领域对有色金属材料和高端产品的需求，应用规模位居世界前列［3］。
总之，自改革开放以来，特别是20世纪80年代以来，我国有色金属工业在自主研究、消化吸收和不断改造创新的基础上，获得了一大批重要科技成果，并成功应用于生产实际，在技术进步、改善品种质量方面取得明显成效，已经从单方面引进吸收国外先进工艺和技术装备，逐步转变为向国外输出技术［3］，实现了有色金属产业结构的优化升级，增强了我国有色金属行业的国际竞争力，为我国由有色金属大国向有色金属强国转变提供重要支撑。
1.2 有色金属冶炼生产的特点
1.2.1 有色金属冶炼生产工艺简介
有色金属包括除铁、锰、铬以外的70多种金属。按照金属的密度、化学特性、自然界中的分布情况等，有色金属分为四类：轻金属、重金属、稀有金属和贵金属。其中，轻金属包括铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钦等，相对密度均小于5.0，且具有很强的化学活性；重金属包括铜、镍、钴、铅、镉、铋、锌、锡、锑、汞等，它们的相对密度大于5.0，化学性质一般不如轻金属活泼［4］；稀有金属包括钨、钼、锆、铌、铪、钽、稀土金属等，因制取和使用很少而得名；贵金属包括金、银、铂族金属等，因其价格比一般常用金属高昂而得名，其化学性质*稳定，一般不与氧直接起反应，又称为惰性金属。
我国各类有色金属自然资源分布状况不一，根据矿物原料和各金属本身的特性不同，冶金提取方法也多种多样，但总体上可归结为以下四种方法［5］。
（1） 火法冶金。它是指在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的金属与脉石和杂质分开，获得较纯金属的过程。整个过程一般包括原料准备、熔炼和精炼三个工序。该过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠该过程中的化学反应热来提供的。
（2） 湿法冶金。它是在常温（低于100℃）常压或高温（100～300℃）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来的过程。由于绝大部分溶剂为水溶液，故也称为水法冶金。该方法主要包括浸出、分离、富集和提取等工序。
（3） 电冶金。它是利用电能提取和精炼金属的方法。按电能利用形式可分为两类：电热冶金，即利用电能转变成热能，在高温下提炼金属，本质上与火法冶金相同；电化学冶金，即用电化学反应使金属从含金属的盐类水溶液或熔体中析出。前者称为水溶液电解，如铜的电解精炼和锌的电解沉积，可归入湿法冶金；后者称为熔盐电解，如电解铝，可列入火法冶金。
（4） 生物冶金。它是利用微生物溶液对矿物进行氧化溶解，进而进行冶炼提取的过程，尤其是对于常规冶炼工艺难以处理的多金属矿、低品位矿等矿物，可提高矿物的综合回收率。目前，生物冶金的大规模应用仍面临着生产周期长、碱性矿床和碳酸盐型矿床难处理等挑战性问题。但由于其具有成本低、环境友好、可重复利用等优点，以及我国难冶矿物储量多的现状，该技术具有广阔的应用前景。
有色冶金工艺过程，包括许多单元操作和单元过程。典型单元冶金过程包括以下内容。
（1） 焙烧：指将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其他化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求。
（2） 煅烧：指将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解，除去二氧化碳或水分，变成氧化物的过程。煅烧也称为焙解，如氢氧化铝煅烧成氧化铝，作为电解铝原料。
（3） 烧结和球团：指将粉矿或精矿经加热焙烧，固结成多孔状或球状的物料，以适应下一工序熔炼的要求。例如，烧结、焙烧是处理铅锌硫化精矿使其脱硫并结块的鼓风炉熔炼前的原料准备过程。
（4） 熔炼：指将处理好的矿石、精矿或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿物原料中金属组分与脉石和杂质分离为两个液相层即金属（或金属锍）液和熔渣的过程。熔炼也称为冶炼。熔炼按作业条件可分为还原熔炼、造锍熔炼和氧化吹炼等。
（5） 火法精炼：指在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得含有少量杂质的粗金属，以提高其纯度。例如，火法炼锌得到粗锌，再经蒸馏精炼成纯锌。火法精炼的种类很多，如氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等。
（6） 浸出：指用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其他不溶组分初步分离的过程。目前，世界上大约15%的铜、80%以上的锌、几乎全部的铝、钨、钼都是通过浸出，与矿物原料中的其他组分初步分离。
（7） 液、固分离：该过程是将矿物原料经过酸、碱等溶液处理后的残渣与浸出液组成的悬浮液分离成液相与固相的湿法冶金单元。在该过程的固、液之间一般很少再有化学反应发生，主要是用物理方法和机械方法进行分离，如重力沉降、离心分离、过滤等。
（8） 溶液净化：指将矿物原料中与欲提取的金属一道溶解进入浸出液的杂质金属除去的湿法冶金单元过程。净化的目的是使杂质不至于危害下一工序对主金属的提取。其方法多种多样，主要有结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。
（9） 水溶液电解：指利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属而析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极。前者从浸出净化液中提取金属，故又称为电解提取或电解沉积（简称电积），也称为不溶阳极电解，如铜电积、锌电积；后者以粗金属为原料进行精炼，常称为电解精炼或可溶阳极电解，如粗铜、粗铅的电解精炼。
（10） 熔盐电解：即利用电热维持熔盐所要求的高温，又利用直流电转换的化学能自熔盐中还原金属，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。
1.2.2 有色金属冶炼生产的特点
有色金属品种多、冶炼工艺多样，其冶炼生产过程与一般工业过程相比，具有其特殊性。
（1） 生产流程长。有色金属矿石的冶炼，由于其矿石或精矿的矿物成分极其复杂，含有多种金属矿物，不仅要提取或提纯某种金属，还要考虑综合回收各种有价金属，以充分利用矿物资源和降低生产费用，造成生产工艺流程长。例如，锌湿法冶金生产过程需通过原料制备、氧化焙烧、浸出、净化、电解沉积、熔铸等多道生产工序。由于重金属的矿床大多是多金属共生矿，并多以硫化矿的形态存在，除了主流程冶金生产过程外，还有其他伴生金属的回收、制酸、烟尘与废渣处理等多个生产工序。对于铜冶金生产过程，主流程首先是原料精矿的制备与处理过程；其次是闪速熔炼生产铜锍工序；再次是吹炼生产粗铜工序；然后通过火法精炼进一步提纯，生产阳极板；*后通过电解工序获得电铜，并通过熔铸工艺后获得铜锭产品。轻金属中，氧化铝的生产*具代表性，氧化铝的主要生产方法是拜耳法，它经铝土矿的破碎、磨矿、配料、溶出、分解、蒸发以及火煅烧等多道工序后获得氧化铝产品。针对我国一水硬铝石型的铝土矿，许多氧化铝企业采用了与烧结法相结合的混联法生产氧化铝，还创造出了我国独特的选矿拜耳法生产氧化铝。
（2） 工艺机理复杂。有色冶金生产是利用电能、热能、化学能等多种不同形式能量相互传递与转换，完成物理与化学反应和相变反应以提取有价金属的过程［5］。有色冶金体系则属于多元多相的复杂体系，体系中往往是气、液、固三相共存，在流场、温度场、浓度场，以及应力场/电场、磁场等多物理场交互作用下，同时存在着复杂的物理和化学反应过程。这个过程不仅有复杂的宏观热平衡和物料平衡问题，还存在着微观的冶金热力学、冶金反应动力学、冶金物理化学以及物质结构等复杂的关系。整个生产常常处于一个非平衡（冶金生产过程组分的化学反应处于一种非平衡状态）、非均一（各种参数场在体系中的空间分布不均匀）
展开
