有色金属

有色金属(non-ferrous metal)

铁以外的金属，又称非铁金属。到20世纪90年代已发现的109种元素中，有84种被认为是金属，9种为半金属，其余16种为非金属。铁以外的其余83种金属和9种半金属，统称为有色金属。

简史据考证，铜、铅、锡、汞、金、银和铁都是史前金属。8000年以前，人类就知道使用铜，7000年前知道有铅，3000年前就在炼丹术中使用汞，2000年前就出现了炼锡技术。92种有色金属在17世纪前被认识和应用的有9种。18世纪元素周期表问世，与此同时德国、英国、法国、墨西哥等国相继设立了矿冶学院，开展实验研究，结果发现钴、铂等15种。19世纪科学技术进入繁荣时代，共发现了铌、钽等41种。20世纪由于天然放射性元素镭、铀、钍的陆续发现，逐步揭开了原子结构的秘密；更由于x射线分析、回旋加速器的发明和中子的发现，进一步发现和分离出包括一系列人工放射性元素在内的27种元素。

铜是人类最早发现的古老金属之一，在公元前第四世纪人类就掌握了炼铜技术。铅也是人类最早提炼出来的金属之一，欧洲于17世纪有大规模生产铅的记载。人类在古代即已使用含锌的铜合金，中国是最早掌握炼锌技术的国家，明代著作《天工开物》对此作了详细记述。约在16世纪，中国生产的金属锌开始传入欧洲，纯度在95%以上。英国于18世纪初期开始生产锌。镍于19世纪初期开始工业生产，铝和镁于19世纪后期实现较大规模工业化生产。而稀有金属的工业化生产较晚，大多始于20世纪，如钨和钼是在20世纪初期，而钛、锆、钽和铌则是在第二次世界大战之后。有色金属工业早期是从开采与利用金、银和铜、铅、锌等逐步发展起来的。20世纪前半叶，铝、镁、镍等金属的生产有了较快的发展。20世纪中期是稀有金属蓬勃发展时期。随着科学技术的发展和各工业部门对有色金属需求的日益增加，促使有色金属冶金技术的迅速发展和生产规模的不断扩大。1990年全世界共生产原铝约18.3lMt，精铜约11.05Mt，精铅约7.24Mt，镍约0.86Mt，，钛约98Kt。1993年中国主要有色金属总产量达3.26Mt。到20世纪90年代，世界各国所形成的有色金属生产能力，能生产出人类所需的各种有色金属。

分类在有色金属分类上，全世界还没有统一的标准，各国分类方法不尽相同，而且在分类中某些金属的归属存在交叉的情况。按中国惯例，大体上把有色金属分为重有色金属、轻金属、贵金属、稀有金属和半金属五类。

(1)重有色金属。简称重金属，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉、铋、铬和锰12种金属，锑有时被划归半金属类。这类金属的共同特点是密度较大，都在6600kg/m³以上。

(2)轻金属。包括铝、镁、钙、锶、钡、钾、钠7种金属。这类金属的共同特点是密度较小，都在4000kg/m³以下；化学性质活泼，易与氧、卤素、水等作用。

(3)贵金属。包括金、银及铂族金属中的铂、锇、铱、钌、铑、钯8种金属。这类金属的共同特点是化学性质稳定，密度大(10000～22000kg/m³)，熔点较高(1189～3273K)。

(4)稀有金属。这个名称并不是由于它们在地壳中的含量都稀少，而是因为某些稀有金属在地壳中的赋存状态比较分散，或发现较迟，或制取较困难，因而其生产和应用都较晚。在历史上给人以%26ldquo;稀有%26rdquo;的概念，遂被称为稀有金属，而沿用至今。稀有金属根据其物理化学性质或其在矿物中的共生情况，可分为五类。第一类是稀有轻金属，包括锂、铷、铯和铍，共4种金属。其性质及生产方法与轻金属铝、镁等相似。第二类是稀有高熔点金属，包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼和铼，共9种金属。其共同特点是熔点高，钨的熔点达3680K；耐腐蚀性能好。钛由于密度小，也有将它划归轻金属类的；铼由于无独立的矿床，主要分散在某些金属(特别是钼)的硫化矿中，因而也有人将它划归稀散金属类。第三类是稀土金属，包括镧系元素镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及钪、钇，共17个金属。其共同特点是最外两层电子结构相同，钇与钪也与之相似，因而它们的物理化学性质非常相近，在矿物中共生在一起，在冶炼过程中的行为也大体相似。第四类是稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、硒、碲，共6种金属。其共同特点是只有极少的独立矿物，一般都是以类质同象形态存在于其他矿物中。锗、硒、碲具有典型的半金属性质，因此也有把它们划归入半金属类的。第五类是放射性金属，包括天然放射性金属钋、钫、镭、锕、钍、镤和铀，以及人造放射性金属锝、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹和104～109号元素，共25种金属。其共同特点是能自发放射出具有某种能量的射线(%26alpha;、%26beta;、%26gamma;射线)。

(5)半金属。又称似金属或类金属(metalliods)。包括硼、硅、砷、砹。其特点是它们的导电率介于金属和非金属之间，并且都具有一种或几种同质异构体，其中一种具有金属性质。硒、碲、锗、锑、钋也具有半金属的属性，按中国惯例已划归入其他类别中。

资源包括矿产资源和二次资源两类。

矿产资源12种常用有色金属的地壳丰度及其在所有元素中排列名次如表。

常用有色金属的地壳丰度及其排列名次

①把17个稀土元素视为一种金属。

从表中看出，在这12种重要的有色金属中，除铝、镁、钛在地壳含量较丰富之外，其他9种金属含量都较少，其余的有色金属的地壳丰度大都小于30%26times;10^-4%，含量更是稀少。地壳中的有色金属，经过亿万年的变迁过程，逐渐形成可开采的矿物矿床。

世界有色金属矿产资源分布很不均匀，一半以上的储量集中在亚洲、非洲和拉丁美洲的一些发展中国家，40%的储量分布于工业发达国家，这部分储量的4/5又集中在前苏联、美国、加拿大和澳大利亚。而有色金属消费量很大的西欧和日本的资源却很少，其有色金属原料对外依赖的程度很大。中国的有色金属资源十分丰富，品种齐全，钨、锑、钒、稀土、钛、锂及某些稀散金属的金属储量居世界首位，铅、锌、钼、铌等金属的储量处于世界前列。

二次资源亦称再生资源，主要是指含有色金属的废杂物料。如金属及其合金材料生产、加工过程中产生的废品、边角料，消费使用后的废弃物品等。这部分资源也蕴藏着大量的有色金属，是有色金属仅次于矿产资源的重要来源。充分利用有色金属二次资源，除了其含金属量比矿石高、容易冶炼、能耗少因而冶炼成本低外，在保护资源和环保方面具有特殊意义，日益受到人们的重视。到20世纪80年代末，欧洲、美国、日本铜、铅的再生率平均达到1/2以上，铝、锌接近1/3。美国、英国、西德从二次铜资源回收的铜占其精铜总量40%以上，而意大利所产的精铜几乎百分之百是再生铜。

地位从人类文明的历史来看，某些有色金属材料的出现和应用往往能促进整个人类文明历史的进步或促进某一科技领域取得突破性的进展。青铜的出现和应用标志着人类历史从此结束了历时数十万年的石器时代，进入了一个崭新的历史时期。钛合金及其他高温合金的生产和应用促进了航空和航天工业的发展，而放射性元素的发现和应用，则为当今的核工业的发展奠定了基础。有色金属已成为民用工业、军事工业和高技术发展必不可少的基础材料，当今世界上的许多国家，特别是工业发达国家，竞相发展有色金属工业，增加有色金属的战略储备。

民用工业有色金属在能源、电器、航空、冶金、机械、石油、化工、医疗卫生等工业部门中有着重要的应用。铜、铝以其极好的电导性和热导性及价廉易得而大量用作各种发电、电器设备及电缆材料。各种化学电池如锌电池、镍镉电池、镍氢电池和硒光电池等，主要是用有色金属及其合金制造的。铀、钍、钚是核电站反应堆的核燃料，锆、铍是反应堆的结构材料，而铪则是反应堆的理想控制材料。铝、钛及其合金是航空、航天工业的基础材料。有色金属中的镍、钴、钨、钼、钒、稀土等是各种合金钢的主要添加剂，可以说没有这些有色金属就不会有合金钢。锌作为耐腐蚀涂层，大量用于镀锌钢板的生产。以碳化钨为基、以钴为粘结相的硬质合金在近1273K下仍能保持高的耐磨性和硬度，因而成为制造各种切削工具、钻头的理想材料，在历史上曾起过推动机械加工工业技术进步的作用。钛材、铌材等由于具有优异的耐腐蚀和机械性能，它们在化学工业的应用，给某些化工过程带来重大变革，也使某些过去被认为难以实现的化工过程成为可能。铅大量用作某些化工设备和电缆的防腐层。各种石油和化工催化剂，几乎都是用有色金属化合物制的。许多有色金属的化合物如次碳酸铋、氢氧化铝等为药物的重要组分，许多有色金属如锗、锌等为人体不可缺少的微量元素。钛因其耐蚀性好和密度适中成为人造骨骼的优良材料。此外，材料工业、电子工业、印刷、陶瓷、超导技术、农业、食品工业等都离不开有色金属，特别是铝及其合金已广泛用于各工业领域，成为仅次于钢铁的金属材料。

军事工业有色金属广泛应用于军事工业各部门，成为军事工业发展必不可少的重要材料。如喷气式战斗机中的铝、钛、镁，枪炮弹中的铜，导弹、舰船中的钨、钼、铼、钒，核潜艇中的锆、铪，激光技术中的稀土、镓、硒、碲，红外技术中的锗、硅、镓，反坦克穿甲炮弹中的钨基高比重合金，等等。鉴于有色金属与军事工业关系密切，而被各国列为重要战略物资。

高技术新材料有色金属是开发电子信息技术、新能源技术、空间技术、新材料技术等高新技术的物质基础。有色金属材料已成为电子信息技术材料的核心，如绝大多数的集成电路都是用半导体硅材料制成的；砷化镓、磷化镓、磷化铟等化合物半导体是微波通讯、光电器件的重要基础材料，并在超高速集成电路的发展中起着重要作用；含镍78%的坡莫合金是录音、录码和电子计算机的常用磁头材料等。有色金属也是新能源的核心材料，锂是热核聚变原料，也是新型锂电池材料；硅、砷化镓、硫化镉等是重要的太阳能电池材料；磁流体发电设备中的电极、绝缘材料、燃烧室用材料及超导体都是用稀有金属或轻金属制造的；氢被认为是21世纪的干净能源之一，稀土合金、钛系合金、镁合金是最重要的贮氢材料；镍氢电池是一种重要阿燃料电池。火箭、人造卫星、飞船等航天器是空间技术的主要载运工具，而钛、钨、钼、钽、铌、铍等是这些航天器所需构件或部件的重要材料。如人造卫星外壳，载人宇宙飞船舵的蒙皮、骨架、登月舱和推进系统；火箭发动机壳体、喷管等都使用钛和钛合金材料；人造卫星的圆锥体、旋转臂以及惯性导航系统中的陀螺、稳定平台、常平架都使用铍；固体火箭发动机上的套管、出口锥套等都使用钨、钼、钽、铌等。有色金属在新材料技术中的复合材料、超导材料、超塑性材料、特别是陶瓷材料、形状记忆合金、超细粉料、非晶态材料和强磁性材料等起着重要和独特的作用。

提取冶金有色金属提取冶金的任务是从矿石、精矿、二次资源或其他物料中分离出其他伴生元素产出金属或其化合物。大多数有色金属矿床的金属品位都很低，从矿床中开采的矿石品位一般约为0.05%～1%，须经选矿获得精矿或难选的中矿后，才能进行冶炼。某些矿石如铝土矿、菱镁矿等，由于品位高不必经过选矿过程，便可直接进行冶炼。随着长期而大量的开采，全世界的有色金属矿产资源面临着富矿逐渐枯竭，矿石品位日趋下降，为维持工业增长需要而大量利用贫矿的局面。

提取冶金方法和流程有色金属提取冶金的主要方法有火法冶金、湿法；台金和电冶金。火法冶金一般是在高温条件下进行，包括焙烧、熔炼、还原(见直接还原和间接还原)、吹炼、火法精炼、真空精炼等主要过程，同时也包括某些辅助作业如熔铸和收尘等。湿法冶金是在水溶液中进行的冶金过程，包括浸出、液固分离、溶液净化和溶液中金属提取等主要过程。电冶金是一种利用电热或电化学反应进行的冶金过程，分为电热冶金和电化冶金两类。后者按电解质分为水溶液电解和熔盐电解；按电解目的分为电解提取和电解精炼。三种主要冶金方法各有优缺点，有色金属的提取冶金常根据原料的不同和对产品的要求，采用两种或三种方法相互配合组成的提取流程。大多数的重金属如铜、铅、锡、镍、钴等多采用以火法冶金方法制取粗金属，以电化冶金方法制取纯金属的提取流程。轻金属多采用以湿法冶金方法制取金属纯化合物，以电冶金方法制取粗金属和纯金属的提取流程。大多数稀有金属采用以湿法冶金方法制取纯金属化合物，以火法冶金方法或电冶金方法制取纯金属的提取流程。贵金属中的金、银多采用以湿法冶金方法富集化合物，以火法冶金方法制取金属和以电冶金产出纯金属的提取流程。

提取步骤有色金属种类繁多，且原料的性质和成分各不相同，因此不但各金属提取的步骤各异，即使同一种金属其提取步骤亦会因原料性质、成分及对产品要求不同而异，这是有色金属有别于黑色金属的特点之一。一般常需经过矿物分解和化合物制取、金属制取、金属精炼三个主要步骤。

(1)矿物分解和化合物制取。破坏矿物稳定结构，并使其中欲提取的金属与主要伴生元素分离的过程。主要采用焙烧、造锍熔炼或浸出等方法，使欲提取的金属或转变成氧化物、硫酸盐、氯化物等，经过挥发和冷凝(或经进一步处理)使之或转入锍相，或转入水溶液而达到与主要伴生元素分离的目的。矿物分解所得的产物经过进一步提纯可得到金属的纯化合物。

(2)金属制取。将精矿或金属化合物还原产出粗金属的过程。根据物料的性质可采用还原熔炼以及金属热还原法、碳还原法、氢还原法等，在高温下将以精矿或金属化合物形式存在的金属还原产出粗金属而与进入渣中的伴生元素分离。也可通过熔盐电解、水溶液电解或置换等方法将金属化合物还原产出金属。

(3)金属精炼。脱除粗金属中的杂质产出符合应用要求的纯金属的过程。主要有火法精炼和电解精炼两类方法，前者是在精炼炉内，大多于物料熔融的高温条件下进行；后者是在电解槽内，于电解质中，通直流电使粗金属阳极溶解而在阴极析出精金属的过程。

三个主要步骤并不是一成不变的，某些化学活性较差的金属往往将矿物分解与金属制取合在同一阶段中进行，如鼓风炉还原熔炼生产粗铅就是同时完成造渣分离脉石成分和产出粗铅两个任务的。而某些化学活性大的金属，如轻金属及大部分稀有金属则在通过矿物分解除去大部分伴生元素后，还要经过净化提纯产出纯的金属化合物，再从纯化合物制取金属，即增加化合物提纯阶段。此外，有色金属提取冶金的各主要步骤亦会因对产品要求不同而异。

展望由于有色金属及其化合物的优良性质，其在能源、交通、材料、航天等领域的战略地位将进一步提高，相应地有色金属(含其化合物)及其材料将进一步迅速增长。根据有色金属提取冶金的现状和资源情况，当前有色金属提取冶金的主要发展方向有：(1)开发新的有效处理低品位复杂矿的方法和提高矿物原料的综合利用水平以及二次资源回收水平；(2)继续开发新的高效冶金方法和设备；(3)进一步治理有色冶金过程中产出的废气、废水和废渣；(4)进一步降低有色金属冶金过程的能耗；(5)提高有色冶金过程现有的自动化水平。

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