2007年某大学期末考试《有色金属冶金学》思考题选编解答

 一, 计算题

•       1, 铝土矿中氧化铝的理论溶出率.

（1）按照脱硅产物Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O的分子式，则铝土矿中每1kg的SiO2要结合0.85kg的Al2O3和0.516kg的Na2O损失到赤泥中去。

•       根据上述脱硅产物的组成，可以确定铝土矿中氧化铝的理论溶出率和碱的化学损失。

   氧化铝的理论溶出率可表示为：

 式中Al2O3和SiO2各为铝土矿中Al2O3和SiO2的含量％，0.85为硅渣中Al2O3/SiO2的重量比（分子比Al2O3/SiO2 为1:2）。

(2)多数情况下铝土矿高压溶出的脱硅产物的组成为Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O ，即其中的Al2O3/SiO2的重量比1.0， Na2O/SiO2 重量比为0.608。

   有的则采用这种组成的关系

   来计算氧化铝的理论溶出率：

    (式中A/S为铝土矿的铝硅比。)

    

2, 炭耗指数.

炭阳极消耗指数

•        碳的原子量为12.011。理论上每法拉第电量（96487C）消耗1克当量炭。当阳极一次反应生成100％CO2时，炭的电化学常数是：

 

 

•        这就是说，通过每A·h电量，炭的理论消耗量为0.1120g。按每A·h计算，阳极的实际炭耗量对理论炭耗量的比率，称为炭耗指数。

•        例如，中型旁插棒自焙阳极电解槽，一般电流效率为87.5％，阳极糊单消为530kg／t铝，阳极糊焙烧之后剩下的炭量为480kg左右。

 

 

 

 

 

   此时，生产每吨铝实际所需的电量为：

 

 

 

 

二, 简答及论述题

1, 拜耳法生产氧化铝的原理.

拜耳法是直接利用含有大量游离苛性碱的循环母地处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。

 

2, 碱石灰烧结法生产氧化铝的原理.

烧结法是在铝土矿中配入石灰石（或石灰）、纯碱（含大量Na2CO3的碳分母液），在高温下烧结而得到含有固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶液溶出熟料，得铝酸钠溶液。经脱硅净化的铝酸钠溶液用碳酸化分解法（向溶液中通入二氧化碳气）使溶液中的氧化铝成氢氧化铝结晶析出。碳分母液经蒸发后返回用于配制生料浆。

 

3, 二次反应

   熟料溶出过程中发生的主要反应是固体铝酸钠的溶解和铁酸钠的水解，溶出开始后，溶出液的摩尔比和Al2O3浓度很快即可达到预定数值。

   在铝酸钠溶解的过程中，硅酸二钙被NaOH分解的速度很快，与铝酸钠溶解速度相同。

   由于硅酸二钙的分解又引起其他反应，使已溶出的Al2O3和Na2O又转为固相而造成损失，这种造成Al2O3和Na2O损失的反应叫做溶出的二次反应。

 

4, 铝电解的两极反应.

   (1)由于阴极上离子放电不存在很大的过电位，所以在这样大的析出电位差之下，阴极上的反应主要是析出铝。

•        在该反应中，铝氧氟络合离子中的Al3＋获得三个电子而放电：

        Al3＋（络合的）＋3e→Al

(2)在适当的电流密度下,炭阳极上的阳极产物几乎是纯CO2。

•        氧离子在炭阳极上放电，生成二氧化碳的反应是：

    2O 2－（络合的）－4e＋C→CO2

•        因此，铝电解的总反应式是：

    Al2O3＋1.5C→2Al＋1.5CO2 ↑

 

5, 铝的电解精炼的原理.

•        铝的电解精炼所依据的原理是：在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上析出。

•           1．阳极反应  阳极合金中，如铜、铁、硅等比铝不活泼的金属元素，并不从阳极上溶解，仍然残留在合金内：如钙、镁、钠之类比铝更活泼的金属元素，虽然同铝一起溶解出来，生成相应的离子进入电解液内，但它们并不在阴极上析出。因此，阳极上的溶解反应是：

              Al→Al3+ +3e

              Ca→Ca2+ +2e

              Mg→Mg2+ +2e

              Na→Na+ +e

•        2．阴极反应  迁往阴极的各种阳离子当中，铝的电极电位比较正，故Al3+优先在阴极上获得电子，析出金属铝：

       Al 3+ +3e→Al

 

6, 密闭鼓风炉炉内的冶金反应的特点.

（1）根据炉内温度和物理化学变化的不同，从鼓风炉上部至下部大致可分为预备区、焦点区和本床区三个区域

（2）炉顶温度较高（500～650℃），使分解出来的单体硫氧化成SO2；

（3）炉气穿过料层和炉料不断下移，使传热传质都比反射炉好，热利用率和脱硫率高。

（4）铁的硫化物氧化是鼓风炉熔炼的主要氧化反应。

（5）鼓风炉的焦炭燃料完全作为加热剂，其燃烧热约占全部热收入的60％。

 

7, 冰铜吹炼的原理.

（1）冰铜为金属硫化物的熔体，主要成分是Cu2S和FeS，此外还有PbS、Ni3S2、ZnS等以及少量的金属氧化物Fe3O4。硫化物氧化反应为：

      MS+2O2=MSO4

      MS+3/2O2=MO+SO2

      MS+O2=M+SO2

（2）在冰铜吹炼的温度（1150～1300℃）下，所有硫酸盐都是不稳定的，即只可能吹炼成MO或M。

(3)从热力学得知，凡金属对氧亲和力小于硫对氧亲和力时，硫化物氧化得金属，反之得金属氧化物。

4在冰铜吹炼温度下,SO2不能将金属铜氧化

5)在吹炼时，首先被氧化的是铁，其次是镍，再其次是铅。而且，只要有硫和铜共存，吹炼鼓入的空气首先是满足硫氧化成SO2的需要，直至硫全部氧化除去后，才开始铜氧化成Cu2O的反应。

6）在铜硫共存的体系中，如果一旦有Cu2O形成，它也会作为硫的氧化剂，而本身被还原成金属铜，或与硫结合成硫化亚铜。

7）由于金属铜能在SO2气氛下稳定存在，所以使冰铜吹炼可以直接得到粗铜

8, 粗铜的火法精炼的原理.

•        粗铜火法精炼主要由鼓风氧化和重油还原组成。铜中有害杂质除去的程度主要取决于氧化过程，而铜中氧的排除程度则决定于还原过程。

•        1）氧化精炼的基本原理在于铜中多数杂质对氧的亲和力都大于铜对氧的亲和力，且杂质氧化物在铜中的溶解度很小。

•         当空气通入铜熔体时，杂质便优先氧化被除去。但铜是粗铜的主体，杂质浓度较低。根据质量作用定律，首先氧化的是铜：

•             4Cu+O2=2Cu2O

•        生成的Cu2O立即溶于铜液中，在与杂质接触的情况下氧化杂质：

•             [Cu2O]+[M’]=2[Cu]+(M’O)

   2）铜火法精炼的还原在我国都采用重油。也有采用天然气、氨、液化石油气、丙烷以及用插木法进行还原的。

重油的主要成分为各种碳氢化合物，高温下分解为氢和碳，而碳燃烧为CO。所以重油还原实际上是氢和一氧化碳对氧化亚铜还原：

    Cu2O+H2=2Cu+H2O

    Cu2O+CO=2Cu+CO2

 

9, 铜的电解精炼的原理.

•        铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极，以电解产出的薄铜（始极片）作阴极，以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。

•        在直流电的作用下，阳极铜进行电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现了铜与杂质的分离。

 

10, 钛铁矿精矿的还原熔炼的原理.

由于钛和铁对氧的亲和力不同，它们的氧化物生成自由焓有较大的差异。因此经过选择性的还原熔炼，可以分别获得生铁和钛渣

主要有以下反应：

   在＞1200℃时:FeTiO3+C=Fe+TiO2+CO

               3TiO2+C=Ti3O5+CO

 

   在1270～1400℃时:2Ti3O5+C=3Ti2O3+CO

   在1400～1600℃时:Ti2O3+C＝2TiO+CO

 

11, 工业生产上三种除去粗四氯化钛中的VOCl3杂质的方法

  利用四价矾化合物（ VOCl2）难溶于TiCl4中的性质而将五价的VOCl3还原成四价钒的VOCl2，有以下三种方法

1）铜法和铝法除钒：铜与VOCl3作用有如下反应：

      Cu+TiCl4=CuTiCl4

      CuTiCl4+VOCl3＝VOCl2↓+CuCl↓+TiCl4

2）硫化氢法：此法是在90℃下往TiCl4中缓慢地通入H2S气，有如下反应：

      2VOCl3+H2S=2VOCl2↓+2HCl+S

3）碳氢化物法：用少量的碳氢化物加入到TiCl4中，加热至130℃左右并搅拌，使碳氢化物碳化；新碳化的细散碳粒具有很大的化学活性，使VOCl3还原成VOCl2

12, 钛的电解精炼的原理和方法.

原理：电解精炼是基于杂质元素与钛的析出电位的不同，钛及其它更负电性元素优先从阳极上溶解，以离子态进入熔盐中；而比钛更正电性的杂质元素留在阳极泥中。因此钛在阴极上将优先析出而得到纯钛

方法：电解精炼钛是将含杂质的粗钛压制成棒状阳极或者是放在阳极筐中。用碱金属氯化物作电解质，并在其中溶有低价氯化钛。

用钢制阴极，在电解中阳极发生溶解，钛以Ti2+和部分的Ti3+等型态转入熔盐中，在阴极上发生低价钛离子还原成金属钛的电化学反应。

 

•        13, 钛的碘化法精炼的原理和方法. 钛的碘化法精炼过程可用下面的原则流程表示：

 

 

•        钛在较低温度下即能与碘作用，生成碘化钛蒸气，然后在高温的金属丝上发生分解，释放出来的碘在较低温区重新与粗钛反应。如此循环作用，由碘将纯钛输送到金属丝上。

•        碘化法精炼可以除去氧、氮等杂质。因为钛的氧化物和氮化物此时不能和碘作用

 

 

三, 填空题.

1, 有色金属的分类.

轻金属  重金属  贵金属   稀有金属

2, 生产氧化铝的方法.

生产氧化铝的方法可大致分为 碱法、酸法和电热法。在工业上得到应用的只有碱法。

3, 拜耳-烧结联合法的流程.

并联   串联   混联

4, 我国铝土矿的一般特点.

高铝   高硅   低铁

5, 铝工业的生产环节.

现代铝工业有三个主要生产环节：

（1）铝氧化铝生产：从铝土矿提取氧化

（2）铝电解：用冰晶石—氧化铝融盐电解法生产金属铝

（3）铝加工。

6, 铝电解用的熔剂.

铝电解用的熔剂包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化钾等

7, 增加电解槽的铝产量的方法.

提高电流强度，提高电流效率和增加运行的槽昼夜总数，都能够增加铝产量

8, 铝电解槽的种类.

两类三种型式：（1）自焙阳极电解槽

        1）旁插棒式

        2）上插棒式

（2）预焙阳极电解槽

         不连续式

9, 铝电解中两极副反应.：阳极效应，铝的溶解

10, 铜矿的种类.：铜矿分自然铜、硫化铜和氧化铜矿

11, 铜的提取方法.：火法炼铜和湿法炼铜

12, 冰铜的组成：Cu2S与FeS

13, 铜在渣中的损失的形态.

（1）化学损失（2）物理损失（3）机械损失

14, 粗铜火法熔炼的四个阶段:熔化、氧化、还原和浇铸

15, 湿法提铜的主要方法.：焙烧－浸出－电积法  高压氨浸法常压浸出法       细菌浸出法

16, 冰铜吹炼周期包括的两个阶段:造渣期和造粗铜期

17, 钛的矿物原料:目前最主要生产钛的矿物原料是金红石和钛铁矿。

18, 致密钛的生产方法:真空电弧熔炼    粉末冶金法