电冶金是什么(电冶是什么) 电冶金(一)
电冶金是以电能为能源提取和处理金属的工艺过程。根据电能转换形式的不同，可分为电化学冶金和电热冶金。冶金又称电解，是通过电解池将直流电能转化为化学能，并将金属离子还原为金属的过程。根据电解质的不同，电化学冶金可分为水溶液电解和熔盐电解。根据阳极的不同，可分为不溶性阳极电解和可溶性阳极电解。前者也叫电解提取，后者也叫电解精炼；电热冶金是通过将电能转化为热能，在电炉中提取或处理金属的过程。根据电能转化为热能即加热方式的不同，可分为电弧熔炼、电阻熔炼、感应熔炼、电子束熔炼和等离子冶金。1.电化学冶金电化学冶金是一种利用电极反应的冶炼方法。如图1所示，当向电解质水溶液或熔盐等离子体导体施加直流电时，电解过程中会发生化学变化，在阳极(电流从电极流向电解质的电极)上会发生氧化反应(称为阳极反应)。M→M2++2e(金属溶解)并在阴极(电流从电解液中流出的电极)发生还原反应(即阴极反应):M2++2e→M(金属离子被还原析出金属)。
以粗金属做阳极，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[如图1(a)]；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。
电解时，金属析出量根据法拉第定律严格确定，即在电极上每通过1F的电量（1F=96485C=26.8 A?h)，则发生1克当量的物质变化。因此，电解析出的金属理论量为：[next]
电解过程中，金属析出量严格按照法拉第定律确定，即电流每通过电极1F(1F = 96485 c = 26.8 A？h)，则发生1克当量物质变化。因此，通过电解沉淀的金属的理论量为[next]
其中m是金属的摩尔质量；z是金属电荷数；f是法拉第功率(见上图)；I是电流，a；t是时间，h. (M/zF)表示物质的电化学当量，是物质的固有常数，如Al 0.0932mg/C，Cu 0.328mg/C，Zn 0.339 mg/c，分电解精炼、水溶液电解、熔盐电解三部分描述。(1)电解精炼电解精炼的方法有两种，一种是水溶液电解精炼，一种是熔盐电解精炼。两种方法原则上都适用于所有金属，但实际上前者主要用于电极电位为正的金属，如铜、镍、钴、金、银等。，电解质多为酸性；后者主要用于具有负电位的金属，如铝、镁、钛、铍、锂、钽、铌等。通常，电解质是氯化物、氟化物或氯氟化物体系。水溶液电解精炼过程中沉淀在阴极上的纯金属通常是固体。熔盐电解精炼过程中从阴极析出的纯金属可以是液体(如铝)或固体(如钛、钽、铌等)。)根据电解温度和铍提纯金属的熔点。电解主要是利用阳极氧化和阴极还原中阳极组分的难易程度或沉淀速度的差异，使杂质在电解液中形成不溶性盐，从而净化金属。阳极组分氧化沉淀的难易程度与金属的标准电极电位(电化学级数)、电解极化和电极反应速度有关。1.标准电极电位Eo金属的标准电极电位是一个相对值，基于标准氢电极电位EOH = 0.000(H+活度为1mol/L，氢分压为101325.0Pa，任意温度)，如下表所示。
标准电极电位(电位序列)
金属离子标准电极电位/伏金属离子标准电极电位/伏
钠钠离子-2.17铅Pb2+-0.13
镁镁离子-2.36HH+0.000
铝Al3+-1.66傻瓜SbO++0.21①
锰Mn2+离子-1.18如同HAsO2+0.25①
锌锌离子-0.76铋生物++0.32①
铬Cr3+-0.74铜铜离子0.34
铁Fe2+离子-0.44汞Hg22+0.79
镉镉离子-0.4银Ag+0.8
钴二氧化碳+-0.28铂Pt2+1.2
镍镍离子-0.25埃Au3+1.5
锡Sn2+-0.14
ph = 0时的值。
可以看出，一个元素的标准电极电位值Eo向正方向偏离越大，就越稳定(正电位越多的元素)，而向负方向偏离越大，就越不稳定(负电位越少的元素)。阳极溶解时，正电元素析出，通过两级分离可以提高阴极金属的纯度，这是电解精炼的基础。【下一篇】2。电解极化和电极反应速度在电解精炼过程中，只有被提纯的金属从阳极溶解，从阴极析出，所以电化学过程本身并不消耗电能。但是有一个超电势需要消耗电能。超电势是电极极化程度的量度。根据原因，超电势主要分为浓差电势(浓差极化)和活化超电势(活化极化)。还有电阻过电位(电阻极化)和钝化过电位(阴极钝化)。浓差极化是参与电极反应的物质的浓度变化而引起的极化。通常，搅拌溶液以减少扩散层的厚度来消除极化。活化极化是电极反应本身的反应电阻引起的极化。影响活化极化的最重要因素是电流密度和电极材料，它们对电解各有利弊，需要具体分析。电阻极化是由于在电极表面形成具有高电阻的薄膜或液体层而引起的极化现象。阳极钝化是电极表面附近离子浓度饱和，固体盐沉淀而导致的机械钝化。可以通过调整阳极成分、叠加反向电流和降低电流密度来克服。3.杂质的分离阳极粗金属中所含的杂质是利用每种元素独特的化学性质分离出来的。第一，电位高于待提纯金属的杂质在电解过程中不溶出，留在阳极表面，或者不相互结合，变成细粉沉入电解槽底部，成为阳极泥；尽管电位低于纯化金属的杂质被电化学溶解并以离子形式进入电解液，但由于选择了不在阴极上沉淀的电解条件，所有这些杂质都聚集在电解液中。这是通过两级分离来提高目标金属的纯度。(二)电解精炼工艺1。阳极精炼中使用的阳极是火法冶金生产的粗金属，金属和非金属杂质越少越好。2.阴极电解精炼的阴极是一种产物，其纯度受以下因素影响:①随着阳极极化的增加，正电位成分的杂质也会增加并沉淀在阴极上；(2)当阴极极化增加到负电位的杂质组分沉淀电位时，杂质也会在阴极上沉淀；③当具有负电位成分的杂质与目标金属形成金属间化合物时，同时在阴极析出；④阴极板不平整或阳极泥悬浮。3.电解液要求:①目标金属离子的溶解度高；②高电导率；③良好的阴离子化学稳定性；④便宜；⑤对杂质的溶解度低。4.添加剂添加剂的加入是为了改善电解液的电化学性能和阴极沉积质量，使电解过程处于更好的状态。主要添加剂有动植物胶、表面活性物质、发泡剂、盐类等。添加剂不参与电解过程中的电极反应。5.电解槽有两种:有无隔膜槽和有无隔膜槽。槽内同极采用并联(并联电解)或串联(串联电解)。根据提炼对象，需要相应的材料、形状和配置设计。6.电源设备电解精炼需要低压大电流的DC电源，要求容量大，电压调节范围宽。【下一篇】7。电流密度是通过单位电极面积的电流强度。总阴极电流密度。电流密度越高，生产能力(单位时间的产量)越高。8.槽电压是指电解过程中施加在电解槽上的电压，或电解槽中相邻阴极和阳极之间的电压。电压与电极反应类型、电流密度、电解液成分和温度、电极间距、接触点数量和清洁度有关。增加电流密度、降低电解液温度和增加电极间距都会增加槽压，从而导致电解电耗增加。9.电流效率是指电解过程中实际沉淀的金属量与理论量之比的百分比。电流效率始终小于1(100%)。其大小关系到电解工艺技术条件下电解操作的管理和操作。电流效率直接影响单位电解产品的电能消耗。主要影响因素有:①阴阳极短路引起的漏电(一般由阴极表面的树枝状和结节状结晶、阴极弯曲等引起。);②通过电解液向大地泄漏；③电解过程中副反应引起的电流消耗(如氢离子放电等。).因此，保证电解槽对地绝缘良好，及时消除阴阳极短路现象，是提高电流效率的重要措施。10.电能消耗是指电解过程中单位质量的金属从阴极析出所消耗的电量，通常是指生产它金属所消耗的DC电。电解消耗与槽电压成正比，与电流效率成反比。因此，所有有利于降低槽电压和提高电流效率的因素都可以起到降低功耗的作用。近年来，电解精炼已成为制备超高纯金属的重要方法之一。(三)水溶液电解水溶液电解是以金属的浸出液为电解质进行电解还原，目标金属沉淀在阴极表面的冶金过程。简称电解提取或电解沉积，也称不溶性阳极电解。本发明的优点是:不经过粗金属的中间阶段，可以一次获得高纯度金属；通过电解，电解液可以再生并循环用于浸出。其缺点是:由于使用不溶性阳极，槽电压必须高于电解液的分解电压；一般电流效率低，功耗高。水溶液的电解是一个氧化还原过程。系统接通直流电后，阴极附近的离子或分子通过接受电子而被还原，而阳极的离子或分子产生电子并被氧化。总的电解池反应是两个电极的半反应的总和。电解进行时，离子不断向两极迁移，正离子(阳离子)向阴极迁移，负离子(阴离子)向阳极迁移。在这个过程中，分解电压(金属离子的还原电位)等很重要。【下一篇】1。水溶液电解基础(1)分解电压电解所必需的最低电压称为分解电压。电解液的分解电压是由它的电解产物组成的原电池的电动势(理论分解电压)、阴极和阳极的极化过电位、电路压降组成的。电解液电解时，两电极上的电解产物形成原电池，其电动势方向与电解方向相反。施加的电压必须首先克服这个电动势。因此，反电动势的大小等于两电极间的平衡电位差，这就是电解液的理论分解电压。但在理论分解电压下，电极上的电解过程和电偶过程处于动态平衡状态，此时不会有宏观的电解产物。当电压上升到超过理论分解电压的某一值时，即电极达到一定极化时，可以观察到电解产物的连续形成，电解过程开始。此时，极化电极的电位与其平衡电位之差就是极化过电位。超电势是施加的电压用于将电极反应推向电解的一个方向的部分。电阻电路中的电阻会造成电压损失，由此产生的电路压降等于电流和每个电阻的乘积之和，需要用施加的电压来补偿。电解的实际分解电压一般由实验确定。(2)电解提取和电解精炼的区别。电解精炼采用可溶性阳极(通常是火法冶金得到的粗金属)，其理论分解电压由粗阳极金属与纯阴极金属的活度比决定。但它们的活性几乎相同，所以理论分解电压接近于零。因此，在很小的电压下，电流就可以通过并被电解。但电解提取过程中，不仅槽电压显著升高，而且副反应多，因此电流效率下降，电耗约为电解精炼的10倍。另外，由于电解精炼过程中阳极的溶解和金属离子的不断补充，电解液的成分变化很小，而电解提取过程中，成分不断变化，所以电解提取得到的金属纯度低于电解精炼得到的金属纯度。由于表面化合物层的形成，阳极的反应能力下降，导致电解钝化。对于电解精炼，必须采取添加活性阴离子等措施消除钝化，促进阳极活化。电解时，不溶性阳极主要放出阴离子，根据电解质不同，氧或氯主要沉淀在阳极上。此时应采用阳极钝化，以延长不溶性阳极的寿命，保证阴极金属沉积质量，或防止被保护金属被腐蚀。2.电解提取工艺(1)电极电解提取时，阳极只起导电作用，多数情况下成为氧气的发生器。所以作为阳极材料，最好不受电解质侵蚀，氧气的过电压小，耐用。实际上，不溶性阳极主要是铅银和铅锑合金。用阴极金属相同的纯金做种板(如铜)，有的用不同的金属，如锌电解用铅板，钻孔电解用不锈钢。(2)电解液与电解精炼相同。电解质是目标金属的可溶性盐的水溶液，酸根应该尽可能稳定且价格低廉。大多数金属使用硫酸电解液，电解液中加入各种添加剂，以增强金属沉积的均匀性，防止电解液表面形成泡沫，甚至冒烟。(3)某些负电位金属(如锌、锰等)的电解。)需要高电流密度。一般来说，当电流密度增加时，杂质的影响变得明显。因此，电解液必须仔细净化。【接下来】(4)电流效率、电耗和电能效率电解提取电流效率的主要影响因素有:①目标金属的浓度和电解液中H+的浓度；②电流密度(一般电流密度越高，电流效率越高)；③电解液的温度；④电解液中杂质的种类和数量；⑤阴极表面状态等。与电解精炼相比，槽电压较高，容易漏电，导致电流效率较低，电耗较高。电能效率是沉淀一定量的金属，理论上需要的电能与实际消耗的电能之比。为了提高电能效率，除了电流效率之外，不需要降低电池电压。水溶液电解提取的实际情况，见第四章铜、锌的电冶提取。(四)熔盐电解熔盐电解是一种电化学冶金过程，以熔盐为电解质提取或提纯金属。对于那些电位比氢气负得多，氢气的过电压也小，不能从水溶液中电解出来的金属，以及那些难以被氢气或碳还原的金属，常采用熔盐电解法来制备。目前用这种方法生产的金属有30多种，包括所有碱金属和铝，大部分镁和各种稀有金属。根据使用的电解液，一般分为氟化物熔盐电解、氯化物熔盐电解和氟氯化物熔盐电解。1.熔盐电解基础水溶液电解和熔盐电解原理相同，但有根本区别:在水溶液中，有水分子作为溶剂，有离子分散在极性水分子中，在电场作用下运动导电；熔盐电解是由于熔化导致迁移率增加的离子穿过空孔，通过热冲击移动导电。对于负电位金属盐(如碱金属和碱土金属)的水溶液，分解电压高于水。在电解过程中，只有更容易电解的水才会析出氢和氧，而金属不会析出。但是，由于熔盐电解中没有像水这样的溶剂，任何负电位的金属都可能沉淀。熔盐比水溶液具有更好的导电性，熔盐电解的电流密度可以比水溶液电解大100倍。熔盐电解对电解液有特殊要求:导电性好，挥发性低，电解原料溶解度高，电解产生的金属溶解度低，熔点、粘度、密度和表面性质合适，分解电压应高于目标金属熔盐，电解时自身不分解。为了满足这些要求，通常使用几种盐的混合物，其熔点通常比纯成分低。一般需要通过实验选择合适的混合盐成分，如电解铝用na 2 a1o 6-al2o 3混合熔盐，电解镁用NaCl-KCI-MgCl2混合熔盐。2.熔盐电解中的特殊现象(1)金属雾在熔盐电解中，沉淀在阴极上的金属大多以熔融状态存在。当温度高于一定温度时，可以看到熔融金属呈现独特的颜色，进入熔盐。这种状态就像熔融金属表面的雾，称为金属雾。金属雾的形成会造成沉淀金属的损失，降低电流效率，一般通过添加适当的添加剂来克服。【接下来】(2)阳极效应当不溶性阳极用于熔盐电解时，阳极会变成气体发生器。正常状态下气体可以排出，但当电流密度增大到一定值时，阳极被生成的气体膜覆盖，呈现电极与电解液接触被切断的状态。此时电流难以通过，槽电压急剧上升，阳极与电解液之间发生火花放电，有小电流通过。这种现象被称为阳极效应。其发生的困难与熔盐的成分、电解温度、阳极材料及其几何形状等有关。阳极效应的机理尚未阐明。(3)分解电压与水性电解质相同。熔盐电解质与金属接触时，两者之间会产生一定的电位差，即电极电位。当两个电极插入同一个熔盐中，施加外加电压使直流电通过，当电压达到一定值时，熔盐中的某些成分就会分解。化合物在平衡状态下开始分解的电压称为分解电压。例如，AlCl3在277℃的分解电压为1.90 V，al F3在1000℃的分解电压为2.25 V。该过程将熔盐加热并熔化，它变成一种低粘度、高导电性和易于离子移动的液体。当选择合适的电极并施加电压时，由于离子的流动会产生电流，在两极引起电化学反应，在阴极析出金属。熔盐电解中使用的电解槽有多种类型。根据电解的相对位置，有水平布置的电解槽(如铅电解槽)和垂直布置的电解槽(如镁电解槽)。根据电极的极性，有单极和双极电解槽，根据阳极和阴极之间是否有隔板，有隔板电解槽和隔板电解槽。电解槽材料应具有良好的绝缘和保温性能，并在高温下具有足够的强度和耐腐蚀性。根据生产的金属不同，工业电解所用的电解槽阴极有钢、钼、镍或生产的同一种金属或合金，有的直接用电解槽的坩埚作阴极。熔盐电解槽的阳极通常由碳材料制成，大多数情况下是石墨。熔盐电解中控制的主要技术条件是电解温度、电流密度、极间距离、电解质组成、电解物质浓度等。由于熔盐电解在高温下进行，金属溶解损失和热损失严重，因此电流效率和电能效率低于水溶液电解。详见第5章铝电解和镁电解。二、与一般火法冶金相比，电热冶金具有加热速度快、温度调节准确、温度高(可达2000℃)、可在各种气氛和压力下或实空条件下操作、金属烧损少等优点。，并已成为冶炼普通钢铁、铁合金、镍、铜、锌、锡等重有色金属，如钨、钼、锡等。而电热冶金要消耗大量电能，只有在电力供应充足的情况下才能发挥优势。(一)电弧熔炼【下一篇】电弧熔炼是一种冶金过程，利用电能在电极之间或电极与待熔物体之间产生电弧，熔化金属。电弧可以由交流电或直流电产生。当使用交流电时，两极之间会出现瞬时零电压。在真空熔炼的情况下，由于两极之间的气体密度很小，容易造成电弧熄灭，所以真空电弧熔炼一般采用DC电源。工业电弧炉有三种:直热式三相电弧炉、直热式真空自耗电弧炉和间接加热式电弧炉(见图2)。直热式电弧熔炼的电弧是在电极棒和熔炼炉料之间产生的，由电弧直接加热，主要用于冶炼合金钢；直热式真空电弧熔炼炉主要用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌及其合金等活性和高熔点金属。这种电炉的坩埚是半球形的，由熔化的材料制成，由外面的水冷却，由DC供电，并装有一个或几个电极。根据冶炼需要，可以使用自耗电极或非自耗电极。自耗电极由熔化材料制成，非自耗电极通常由钨等高熔点材料制成。间接电弧熔炼的电弧在两个石墨电极之间产生，炉料被电弧间接加热，主要用于熔炼铜及铜合金。因为噪音大，熔化金属质量差，已经越来越少用了。电弧炉冶炼的主要技术经济指标包括冶炼时间、单位时间冶炼固体炉料的数量(生产能力)、单位固体炉料电耗、耐火材料和电极消耗等。
(二)电阻炉熔炼【下一篇】电阻熔炼是利用电流通过导体电阻产生的热量，在电阻炉中熔化金属的冶金过程。根据电加热方式，电阻炉可分为直接加热和间接加热。在直热式电阻炉中，电炉直接穿过材料，所以材料受热快，由于材料本身的电加热，可以加热到很高的温度。比如碳化料的石墨化电炉可以将材料加热到2500℃，直接加热电阻炉可以做成real 空或有保护气体的熔化炉。为了均匀加热材料，材料各部分的导电截面和电导率应一致。然而，大多数电阻炉是间接加热的，电阻炉内装有特殊的电加热器(见图3)。最常用的电加热器是铁铬铝材料、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据冶炼需要，炉内气氛可以是真空或保护性气氛。对于品种单一、数量较大的物料，宜采用连续加热炉加热。当炉温低于700℃时，大多配有鼓风机，以加强炉内传热，保证加热均匀。
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