贵州师范大学冶金新技术期末试题

贵州师范大学2013 — 2014学年度第 一 学期

《 冶金新技术 》课程期 末 考试试卷

(开卷)

姓名 学号

学院 材料与建筑工程 年级专业 冶金工程 人数： 出卷教师： 审核：

本试卷共 页，满分100分；考试时间120分钟。 题号 题分 得分 一 二 三 四 五 总分 统分人 装 以下题目选做五题：

一、 简述钢铁工业节能的措施及途径？(20分)

二、 分别简述小球球团烧结和低温烧结的工艺特点及措施？(20分)

三、 简述高炉喷煤技术在高炉中的应用情况及相应措施？(20分) 四、 非高炉炼铁中HYL工艺、MIDREX工艺、转底炉、回转窑、Hismelt工艺和COREX工艺各自的特点及区别？(20分) 五、 简述微波在冶金中的应用？(20分) 六、 简述氧化铝生产中的新技术及特点？(20分)

订 线 七、 简述铝电解中涉及的新技术及特点？(20分) 八、 简述生物冶金的特点及应用领域情况？（20分）

一、 简述钢铁工业节能的措施及途径？(20分)

答：现今虽然我国钢铁业在降低能耗方面已经取得很大成绩，但未来我国钢铁生产节能仍有很大潜力。随着钢铁制造主体工艺的优化、装备水平的不断提高；二次能源、余能和余热回收利用力度的不断加大；动力介质转换效率的不断提高；煤气放散率和能源亏损的不断缩小；结构调整，能耗高的落后工艺设备的逐步淘汰；以及越来越多的企业能源中心的建设等，我国钢铁节能成效，将会更加充分地显现出来。

按单位(万元)产值能源消耗量理论计算公式，降低单位(万元)产值能源消耗量根本上讲是要减少一次能源消耗量，完全回收二次能源，杜绝能源损失，提高产品产值来分摊能源消耗量。为此，钢铁工业节能降耗的途径主要有以下几个方面： 1)结构调整与淘汰落后工艺技术装备并举 减少一次能源消耗量，即可降低单位产值能源消耗。降低一次能源消耗涉及钢铁制造流程的各个环节，要从钢铁企业结构调整、淘汰落后工艺技术装备、提高生产效率和管理水平等多个方面人手。

根据对重点钢铁企业调研统计，共有炼铁高炉275座，总容积为25.3万立方米，炼铁能力达到2.28亿吨，其中2000立方米及以上高炉共49座，炼铁能力10581万吨，占46.4%。共有炼钢转炉227座，公称总容量为2.0亿吨，炼钢能力达到2.15亿吨，其中100吨以上转炉91座；炼钢能力12465万吨，占58.0%。这些较先进的工艺装备比落后的工艺技术装备能源消耗要低很多，但可以看出，大型工艺技术装备的生产能力所占的比重仍然较低，促进工艺技术装备大型化是降低一次能源消耗量的重要措施。 2)增强钢铁企业能源转换功能水平

钢铁制造流程中各工序产生余压、余热、可燃气体等，降低能源消耗要将这些二次能源最大可能地回收再利用，以降低钢铁产品制造过程中的一次能源消耗量，先进可靠的技术措施主要有焦炉干法熄焦、导热油换热、烧结显热回收、高炉TRT、各种煤气回收利用、各种废气显热回收、预热技术应用等。 3)提高能源利用效率和能源管理水平

钢铁企业要通过提高能源转换效率，加强能源管理减少能源损失，如：二次能源高效率利用，通过能源中心加强能源管理等降低能源消耗。

目前，我国钢铁企业能源亏损很大，个别企业能源亏损达到企业总能耗的9%。钢铁企业能耗亏损大还表现在煤气放散率大，个别企业高炉煤气放散率达21%，焦炉煤气放散率达17%。可见降低钢铁企业煤气放散率和减少其他固体和液体燃料损失的潜力很大。

减低能源损失，提高能源转换效率，必需通过建立能源中心，用信息化管理能源。目前，凡是能源管理好的企业，都建立了能源信息管理中心，而且都在企业控制、协调能源、节约能源上取得了较好成绩。随着企业的循环经济理念不断提高，钢铁企业用信息化管理能源将更加普遍，钢铁企业能源利用效率将进一步提高。

4)通过产品结构调整，提高钢铁产品档次和附加值，降低单位产值能源消耗

钢铁企业要通过产品结构调整，不断开发新产品，提高钢铁产品附加值，即在能源消耗量不增加或增量不大的情况下实现钢铁产品价值量最大化。

二、简述微波在冶金中的应用？(20分)

答：微波是指频率为300 MHz～300 GHz ,即波电磁波。微波具有穿透、被吸收及反射特性,具体表现为:在一般条件下,微波可方便地穿透如玻璃、陶瓷、某些塑料等材料。 微波加热与传统加热比较有以下特点[6 - 7 ] :

(1) 选择性加热物料,升温速率快,加热效率高;

(2) 微波能够同时促进吸热和放热反应,对化学反应具有催化作用;

(3) 当用微波加热代替传统加热时,熔炼和其它高温化学反应可以在相对低的温度下进行,即

微波加热具有降低化学反应温度的作用;

(4) 微波能可以使原子和分子发生高速振动,为化学反应创造出更为有利的热力学条件;

(5) 微波很容易使极性液体加热,因而微波加热可以用来促进矿物在溶剂中的溶解,提高湿法 冶金过程的浸出速率和降低过程的能耗;

(6) 微波本身不产生任何气体,所需净化的只有还原或氧化反应产生的气体,因而有利于环境 保护;

(7) 易于实现自动控制。

冶金常用物质的吸波升温特性

矿物和化合物吸收微波的能力主要决定于它

们的组成、结构、杂质、重量及形态情况[8 ] 。从电 导来看,半导体型的矿物和化合物比绝缘体型的 更能有效地吸收微波;从化学性质来看,过渡键型 矿物和化合物比纯共价键和纯离子键的更有效地 吸收微波。对于相同的阳离子,大多数硫化矿和 硫化物比相应的氧化矿和氧化物具有更快的升温 速率。矿物和化合物中的杂质对升温速率有显著 的影响。Harrison 等根据在微波场中升温速率 的快慢,把各种矿物分为三大类:第一类,方铅矿、 黄铁矿、磁铁矿和磁黄铁矿等具有高的加热速率; 第二类,赤铁矿、钛铁矿和锡铁矿具有中等加热速 率;第三类,云母、闪锌矿、石英等具有很差的加热 速率。表1 列举了部分常用氧化矿和氧化物及硫 化矿和硫化物的微波加热升温速率。

2. 3 微波加热在钢铁冶金中的应用举例

利用微波选择性加热的特点,可以用微波对

矿石进行预处理。在微波场中各种矿物具有不同 的升温速率,这样他们会被加热到不同的温度。 由于微波能够加热多数有用矿物而对脉石矿物较 难加热,因而有用矿物和脉石矿物之间会形成局 部温差,产生热应力。当热应力大到一定程度时, 就会在矿物之间的界面上成生裂缝。裂缝的产生 可以有效地促进有用矿物的单体解离和增加有用 矿物的有效反应面积,对于降低磨矿成本、提高选 矿回收率和加快冶金速率具有重要的实际意义。 J . W. Walkiewicz 等人的研究[12 ] 发现,被微波辐 射以后的黄铁矿矿石,在扫描电子显微镜( SEM) 下观察发现在矿物的晶界上产生了明显的裂缝,

黄铁矿和石英完全裂开,黄铁矿和石英本身也产金属还原率可达90 %以上除上述外,微波也多被应用湿法冶金[15 ] 和材 料烧结[16 ] 等领域。

三、 简述氧化铝生产中的新技术及特点？(20分)

答现阶段纯拜耳法工艺确实比烧结法或混联法工艺节能,所产出的氧化铝产品质量好,因此,采用拜耳法工艺生产氧化铝是我国氧化铝工业界多年来的一个梦想。多年来,我国的氧业界进行了不懈的努力,先后研究出了多种工艺,以求进行拜耳法生产,甚至于进行了采富矿、弃矿、优先发展拜耳法的做法,以求最大程度地降低生产过程能耗。围绕降低氧化铝生产过程能耗开展的技术攻关,使我国的氧化铝生产技术有了较大的进步,主要表现在针对我国铝土矿资源特点的氧化铝生产新工艺、新技术得到了突破性的进展。

1 选矿脱硅技术

铝土矿是生产氧化铝的主要原料,用拜耳法生

产氧化铝的工艺中,硅是最有害的杂质之一。一方面它会造成Na2O 和Al2O3 的损失,导致产品质量

差;另一方面,在生产过程中生成钠硅渣结疤,使设 备的传热系数降低,溶出过程能耗增加[ 1, 2 ] 。因此, 用拜耳法生产氧化铝,为提高生产效率,降低能耗, 其原料铝土矿需含硅量较低。为充分利用资源采用 拜耳法生产氧化铝,铝土矿的选矿脱硅,特别是一水 硬铝石型铝土矿的选矿脱硅,越来越引起人们的重 视。目前铝土矿选矿脱硅的方法,主要是化学选矿 法和浮选法。

1. 1 铝土矿的化学选矿脱硅

化学选矿脱硅的基本原理是将铝土矿进行焙烧

处理,在一定的温度下,使矿石中高岭石、叶蜡石、伊 利石等铝硅酸盐矿物生成无定形SiO2 ,无定形SiO2 活性较高,能在较低温度下与NaOH反应溶解于稀 碱溶液中。对于一水硬铝石,在焙烧过程中转变成 具有一定化学活性、但低温条件下不溶于碱溶液的 a - Al2O3 ,经过焙烧处理后,利用矿石中铝、硅矿物 在低温稀碱条件下所具有的不同活性,使铝土矿中 的铝、硅分离,实现脱硅的目的。显然,化学选矿脱

硅的实质是通过高温处理,使铝硅酸盐矿物发生固相反应,将其结构中含有的在低温、稀碱溶液条件下

活性较低的硅活化后脱去,即热化学活化脱硅。 铝土矿的化学选矿是在20世纪40年代,由德

国一氧化铝厂处理匈牙利、南斯拉夫等地的高硅铝 土矿首先提出来的[ 2 ] 。经研究后他们用两个反应 式来表示在焙烧过程中,铝土矿中的含硅矿物(如 高岭石)的变化规律:

Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O

450～600℃

Al2O3 ·2SiO2 + 2H2O Al2O3 ·2SiO2

900～1050℃

Al2O3 + 2SiO2

首先对低铝硅比的铝土矿进行高温煅烧,后用 热碱溶液溶出。当用热碱溶液浸出焙烧后的铝土矿 时, SiO2 与碱反应进入溶液,达到脱硅的目的。在 我国从20世纪50年代末开始,即针对一水硬铝石 型铝土矿的特点,对铝土矿的化学选矿脱硅进行研 究。经过近半个世纪的研究后,对铝土矿化学选矿 脱硅的实质、基本规律有了初步的认识。 后来,国家“九·五”重点科技攻关过程中,在 铝土矿化学选矿脱硅理论进一步研究的基础上,对

含硅矿物以高岭石为主的高岭石—一水硬铝石型铝土矿进行了化学选矿脱硅扩大试验研究,得到了以下一些试验结果: A /S 4 ～5 的矿石, 在1 050 ～ 1 100℃下焙烧15～20 min,焙烧矿经Na2Ok = 100～ 150 g/L的碱液加热搅拌浸出后,精矿的A /S可达8 ～10左右,Al2O3 回收率大于98%。通过“九·五” 攻关和国家重大基础研究发展规划项目( 973) ,铝 土矿化学选矿脱硅研究又取得了新的进展。除高岭 石以外,叶蜡石、伊利石等铝硅酸盐矿物也可采用化 学选矿的方法实现脱硅[ 1 ] 。

1. 2 铝土矿正浮选脱硅

铝土矿中有用矿物是水铝石(三水铝石和一水 铝石) ,脉石矿物主要是铝硅酸盐,因此正浮选脱硅 是抑制铝硅酸盐矿物、采用阴离子捕收剂浮选一水 铝石或三水铝石。采用正浮选来实现铝土矿脱硅的 研究相对较多,国内外都有过许多相关报道。 进入20世纪90年代特别是90年代后期,通过

“九·五”攻关,我国在铝土矿正浮选脱硅试验研究 方面,无论是在分选工艺上还是在分选指标上,都取 得了突破性的进展。当原矿A /S = 5～6时,可获A / S = 11以上的铝土矿精矿。在1999年中州铝厂的 铝土矿选矿工业试验厂进行的工业试验中,铝土矿 正浮选脱硅获得了成功,目前已建成投入使用,并通 过了项目鉴定[ 3 ] 。

1. 3 铝土矿反浮选脱硅

铝土矿的反浮选脱硅是通过抑制水铝石,采用

阳离子捕收剂浮选铝硅酸盐矿物。由于各种铝硅酸 盐矿物的表面性质相差很大,导致它们彼此间的可 浮性也不一样。国内外有关铝土矿反浮选脱硅的研 究报道较少。

与正浮选脱硅相比,铝土矿反浮选脱硅具有以

下一些主要特点:含硅矿物的捕收剂为脂肪胺类,上

浮产品产率小,药剂用量低,精矿表面附着的药剂少,易于过滤,水分含量低;对于一水硬铝石型铝土

矿,由于一水硬铝石与铝硅酸盐矿物可磨性差别大,

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