[科普中国]-电冶金

概述

电冶金是以电能为能源进行提取和处理金属的工艺过程。根据电能转化形式的不同分为电化冶金和电热冶金两类。

电化冶金又称电解，是使直流电能通过电解池转化为化学能，将金属离子还原成金属的过程。根据电解液不同，电化冶金分为水溶液电解和熔盐电解；根据阳极不同又分为不溶阳极电解和可溶阳极电解，前者又称电解提取，后者又称电解精炼。

电热冶金是利用电能转变为热能在电炉内进行提取或处理金属的过程，按电能转变为热能的方法即加热的方法不同，分为电弧熔炼、电阻熔炼、感应熔炼、电子束熔炼和等离子冶金等。1

分类电化冶金电化冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法，对电解质水溶液或熔盐等离子导体通以直流电，电解质便发生化学变化，在阳极(电流从电极向电解液流动)上发生氧化反应(称为阳极反应)，而在阴极(电流从电解液流向电极)上则发生还原反应(即阴极反应)。以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应。这一过程称为电解精炼(或可溶性阳极电解)；使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行还原、分解的过程，称为电解提取。

根据电解液性质不同，对水溶液进行电解，称为水溶液电解；对熔盐电解液进行电解，称为熔盐电解。

水溶液电解精炼，主要用于电极电位较正的金属，如铜、镍、钴、金、银等，电解液多为酸液；熔盐电解精炼主要用于电极电位较负的金属，如铝、镁、钛、铍、锂、铌等。电解质一般用氯化物、氟化物或氯氟化物体系。

水溶液电解是以金属的浸出液作为电解液进行电解还原，使目的金属在阴极表面上析出的冶金过程，简称电解提取或电解沉淀。水溶液电解是一种氧化一还原过程。体系接通直流电后，在阴极附近的离子或分子由于接受电子而被还原，在阳极处离子或分子产生电子而氧化。

熔盐电解是以熔融盐类为电解质进行金属提取或金属提纯的电化学冶金过程。对于那些电位比氢负得多、比氢的超电压也小、而不能从水溶液中电解析出的金属．以及用氢或碳难以还原的金属，常用熔盐电解法制取。当今已有30多种金属使用该法生产，其中包括全部碱金属和铝。大部分镁及各种稀有金属。1

电热冶金和一般火法冶金相比，电热冶金具有加热速度快、调温准确、温度高(可到2 000℃)，可以在各种气氛、各种压力或真空中作业，金属烧损少等优点，成为冶炼普通钢，铁合金．镍、铜、锌、锡等重有色金属，钨、钼、铌、钛、锆等稀有高熔点金属，某些其他稀有金属、半导体材料等的一种主要方法。电热冶金消耗电能较多，只有在电源充足的条件下才能发挥优势。

电弧熔炼是利用电能在电极与电极或电极与被熔炼物之间产生电弧来熔炼金属的冶金过程。直接加热式电弧熔炼的电弧产生在电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料受电弧直接加热，主要用于炼合金钢。直接加热式真空电弧熔炼炉主要用于熔炼钛、锆、钨、钼、铌等活泼和高熔点金属以及它们的合金。

电阻熔炼是在电阻炉内利用电流通过导体电阻所产生的热量来熔炼金属的冶金过程。按电热产生的方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。

电阻—电弧熔炼是利用电极与炉料之间产生的电弧和电流通过炉料产生的电阻热来熔炼金属的冶金过程，是有色金属冶炼中应用广泛的一种电热冶金方法，主要用于生产铁合金、电石、铜锍、镍锍、黄磷等冶金及化工产品。

感应熔炼是利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼金属的冶金过程。感应熔炼在感应炉内进行。

电子束熔炼是利用电能产生的高速电子动能作为热源来熔炼金属的冶金过程，又称电子轰击熔炼。该法具有熔炼温度高、炉子功率和加热速度高、提纯效果好的优点，但也存在金属回收率低、比电耗大等缺点。

等离子熔炼是利用电能产生的等离子弧作为热源来熔炼金属的冶金过程。该法具有熔炼温度高、物料反应速度快的特点．常用于熔炼、精炼、重熔高熔点金属和合金。等离子体用作镍和镍钴合金进行蒸发精炼，可脱出铅、锌、锡。高熔点金属钛、铌、铬等的重熔和提纯，则采用真空等离子炉。1

电冶金技术技术概述电冶金技术也叫湿法冶金，以区别于采用火或电的火法熔炼技术。所谓湿法冶金，就是从电解液中电沉积出金属的过程，它是冶金工业部门提取金属的重要方法之一，同时也是提纯有色金属和制取贵重金属的主要方法。

电冶金与火法冶金比较，具有制品纯度高，并且能处理低品位矿石或复杂多金属矿的优点。电冶金技术的要点是将矿石经焙烧、粉碎等处理后，用酸(如盐酸、硫酸)或碱(如硫化碱，即硫化钠加氢氧化钠)、盐(如硫酸亚铁)等，将矿石中的金属盐进行溶解，再对这种含金属离子的电解液进行电沉积加工。这时采用的阳极是不溶性阳极，而从阴极上获取金属材料。当然在电解制取前还要对这种电解液进行提纯，将电位较正的异种金属离子先行取出，然后才进行所需金属的制取。

电冶金还用于对不纯有色金属的精炼。这时的阳极则是需要提纯的金属，如铜、镍等。通过电解加工后，从阴极上获得的是纯度很高的金属材料，其纯度通常可以达到99.99%以上。

金属的电解冶炼和精炼提纯，大部分都是在电解质的水溶液中进行的。用水溶液电解体系制取的金属现在已经达到30多种。主要有铜、锌、钴、镍、铁、铬、锰、镉、铅、锑、锡、铟、金、银等。其中电解精炼提取的有铜、镍、钻、锡、铅、汞、金、银、锑、铟等。

除了水溶性电解质，在金属的熔融盐中也可以电解冶金，并且是制取铝等重要现代工业材料的重要技术。

通过熔盐电解大规模生产的金属有铝、镁、钠、锂、钾、钙、锶、钡、铍、铀、钛等。这些材料在国民经济中的重要性早巳超过钢铁与铜、镍、锌等一样，成为重要的战略性金属材料。2

技术应用(1)铜的电解精炼

电解炼铜是工业上采用得最早的电化学方法之一，其应用也最广。因为火法制取的铜的杂质含量太高，不适合现代工业特别是电子工业对高纯度铜的需要。因此大部分(85%～90%)的铜的制取要通过电解法进行精炼。各种铜的组分如右图所示。

电解精炼铜的阴极沉积层尽管不需要像装饰性电镀那样平滑光亮，但也不能有树枝状或疏松的镀层。因此要适当添加表面活性剂等改善阴极电流分布，使镀层较为平整光滑。

电解精炼铜与其他电沉积铜的区别还在于它的规模是非常大的。为了提高生产效率和降低成本，电解精炼铜采用的是大规模生产方式。通常是上百个电解槽并联或者串联工作。所用的槽电压也比电镀高得多，约在16～18V。电流密度为200～260，这里要注意与其他电沉积不同，不是采用作单位，这也是规模不同的原因。电解精炼铜的阴极板平均每块都在左右，上百块的总电流量非常大，这时如果仍用作单位，就会显得很不适当。当电流效率为75%时，每吨铜的电能消耗为170～200kW·h。

铜的电冶金则是从铜矿石浸取的电解液中进行的。铜矿石的科类很多，如孔雀石、蓝铜矿、黑铜矿、硅孔雀石矿、赤铜矿、辉铜矿、斑铜矿、铜蓝矿和黄铜矿等。

氧化铜矿用硫酸溶解浸出；硫化矿石是用硫酸铁溶解；含有金属铜和氧化物的矿石可以用氨水溶液浸出；孔雀石、蓝铜矿和黑铜矿可以稀硫酸溶解；赤铜矿、辉铜矿和斑铜矿则用酸化的硫酸亚铁溶解；黄铜矿必须先在高温煅烧使之变成氧化铜，再用酸浸出，用湿法电冶炼；铜的电冶金所用的阳极为铅板。

(2)银的电解精炼

用电解精炼银几乎是提纯金属银的唯一方法。因为用这种方法制得的金属银，其纯度可达99.96%～99.99%。电解精炼银的电解液如右图所示。

由于银的电位很正，因此电解液中的其他金属杂质的影响不眵显。在槽电压为1.5V，电流效率为95%时，每吨银的电能消耗芫400kW·h。

电解银的阳极泥中含有金、铂等希贵金属，还可以再用来提炼这些贵金属。

(3)金的电解精炼

在电解铜时分离银、铜之后的阳极泥，精炼银以后的阳极泥中的金，由矿石冶炼中所提取的金以及废金饰等都可以用于金的精炼提纯。这些材料中除金外，尚夹杂着铜、铅、银、铂族金属杂质等。如果杂质金属含量超过15%，则要用化学法先提纯。作为阳极的金的含量不得低于90%。

金的化合物除了氯化物以外，溶解度都很低，而且还不稳定，因此都不适合作电解金的电解液。

电解金用的电解液是三氯化金加盐酸。加入盐酸的目的是为了增加电解液的电导，同时防止三氯化金的水解。

生成的一氧三氯络金酸按下式电离。

因此，在中性的氯化金溶液中，主要以一氧三氯络金酸的形式存在。这时如果以金属金为阳极进行电解，将不是阳极的金的电化学溶解，而是氧气的析出，结果使阳极容易钝化。

电解精炼金的电解槽比较小，一般只有20L，用陶瓷制作。电解液的配方如右图所示。

电解精炼出来的金的纯度可达99.98%一99.99%。

(4)锌的湿法冶金

锌是重要的最常用有色金属之一。在全世界的镀槽中，有一半左右是镀锌液。也就是说镀锌的量是所有电镀液总量的一半。而现在世界上大约50%锌则是通过湿法冶金制取的。

将锌矿石用硫酸浸取，然后制成镀锌电解液，最后用不溶性阳极进行电沉积，从阴极上获得金属锌。

工业上用电解法制锌最早是美国和加拿大，他们于1914年开始工业电解冶炼锌。现在湿法冶炼锌方法与当初基本上是一样的。只是技术和设备更加完善。

与前面几种有色金属和贵金属不同的是，锌的还原电位比较负，因此很多比锌电位正的金属都容易成为在阴极优先析出的杂质。这使得锌的电冶金的流程和管理比较复杂。为了排除杂质金属的干扰，在将锌精矿经煅烧成氧化锌后，经酸化浸制成硫酸锌的溶液。这时要加入锌粉，将电位比锌正的金属(铜、银、金等)置换并沉淀出来。进行这种分离后的电解液，才能用于湿法冶金。

锌的湿法冶金分为正规法和强化法两种。正规法是将浮选得到的锌精矿在550～650℃缓慢煅烧，然后用较低浓度的硫酸溶解(也可以用电解锌后的电解液)，制成如右图(a)组成的电解液。

强化法是加大电解液主盐浓度和电流密度，同时提高镀液温度和电流密度。这样可以获得较快的电沉积速度，如右图(b)所示。2

电冶金特征简单说来，电冶金就是电化学技术在提取冶金中的应用。十分清楚，假若一个反应消耗电子，为使该反应连续进行，就必须由另外一个反应供给电子。这一对互补反应组成一电化学电池，这两个反应分别叫做阴极反应和阳极反应。

任何一个电化学系统都表现出两个重要特点。

第一，发生电化学反应的反应物必须以带电状态或离子状态存在。虽然气体可以是带电的原子或分子，但大多数情况下，气态物质对组成电化学电池不甚方便。反应物只有溶解在离子固体或离子液体中，或者溶解在水这样的极性液体中才客易电离。也就是说，这些溶剂的基本功能是为带电物质提供一种它们能在其中存在的介质。

第二，为使电化学反应在体系中连续发生，也就是使电流在回；路中流动，必须在阴、阳极之间存在电位差。产生电位差的原因，一种情况是两个电极上的电化学反应速度不同，造成电子供应和消耗不平衡，即两个电极表面电位有差异。另一种情况是在两电极之间加上一外电压。本章讨论的重点是后一种情况，也兼及前一种。

在电冶金反应中，对体系施以外电压，相当于用电能做“燃料”，推动化学反应继续进行。这种燃料的优点首推在过程中不向体系引入杂质。举例来说，火法冶金中使用焦炭，不可避免地向反应池中引入、和硫。湿法冶金中使用的溶剂和药剂都不可能是纯物质。因此，电化学反应对于要求生产高纯度和高活性材料工艺过程表现出明显的优越性。3

冶炼工艺①电炉冶炼是利用电能获得冶金所要求的高温而进行的冶金生产。如电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢，可获得比用燃料供热更高的温度，且炉内气氛较易控制，对熔炼含有易氧元素较多的钢种极为有利。

②熔盐电解是利用电能加热并转化为化学能，将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，自熔盐中还原金属，以提取和提纯金属的冶金过程，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。

③水溶液电解是利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极，如铜、锌的电积和铜、铅的电解精炼。