微生物冶金技术范文1
新近研究发现，一些靠“吃矿石”为生的微生物正通过“生物冶金”的方式在这些方面有所作为，而这却鲜为人知。
不久前，尚普咨询在《2013-2017年中国冶金市场分析调研报告》中指出，21世纪是生物技术飞跃发展的一个世纪，生物冶金也将会有更进一步的渗透和影响。
所谓生物冶金，即利用微生物的自然代谢过程，将矿石中的有价元素选择性浸出，直接高效制取高纯度金属的方法，主要应用于传统技术无法处理的低品位矿、废石、多金属共生矿等。
业内专家表示，生物冶金技术由于其具有利于环境保护、基建投资少、运作成本低等优越性，有望促进整个冶金行业的快速发展。
贫矿开发的“金钥匙”
品位低是我国矿产资源的显著特点。资料显示，我国铜矿的平均品位仅为0.87%，大于200万吨级的超大型铜矿品位基本上都低于1%；镍钴贫矿占到总储量的30%-40%；铁矿贫矿占到总储量的95%：锰矿贫矿占到总储量的93%。
随着贫、细、杂为突出特点的难选冶矿石所占比例不断上升，常规选冶方法在技术和经济上都面临挑战。
中国工程院院士、中南大学教授邱冠周表示，传统的采矿、选矿、冶金工艺在处理低品位矿产资源时，存在低效率、长流程、高成本、重污染等问题，这使得新型工业化发展的支撑日趋乏力。为此，生物冶金这一能控制成本、节能高效、操作简易、环境友好的处理技术应运而生。
“这些以矿石为食的微生物属于一类化能自养菌，它可以把矿物里的Fe2+转换成Fe3+，把硫转换成硫酸，并通过氧化过程获取能量。同时，矿石由于被氧化，从不溶于水变成可溶，人们也就能够从溶液中提取出矿物。”中国科学院过程工程研究所研究员张广积对记者解释说。
该所另一位副研究员李浩然也对记者表示，低品位、难处理的金属矿物，如金、锰、铜、镍、锌等，均适合利用微生物进行冶炼，这些微生物一般多耐酸，甚至在pH1以下的环境中仍能生存。
不仅如此，在北京科技大学冶金与生态工程学院教授李宏煦看来，与传统资源加工技术不同的是，生物冶金只需要利用微生物、空气和水这三大天然物质，在低温低压的环境下就可以从矿石中直接提取有价金属，而无须选矿、火法冶炼、电解等复杂的工艺流程，因而其投资成本和操作成本都很低。
生物技术助菌种改良
李宏煦对记者表示，传统的生物冶金普遍被认为仅是一个生物浸出的过程，事实上，生物冶金至少包括生物浸出、生物吸附、生物修复3个领域，而每个领域所依赖的微生物也大有不同。
以生物浸出为例，其体系中所涉及到的微生物主要有化能自养菌、异养菌和真菌，此外也有原生动物存在。其中已用于硫化矿生物浸出的菌种主要有嗜酸氧化亚铁硫杆菌、嗜酸氧化硫硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋菌。
另外，在浸矿过程中，由于工艺及实际生态环境的不同，也存在许多对不同温度环境具有适应性的菌株。
在张广积看来，微生物冶金真正实现现代化工业应用的时间仍然较短，自身也有许多不成熟的地方。例如，反应速度慢、细菌对环境的适应性差、超出一定温度范围细菌难以成活、经不起搅拌、对矿石中有毒金属离子耐受性差等。
为此，科研人员也正在从遗传工程等方面开展工作，试图通过基因工程得到性能优良的菌种。
邱冠周称，早在2004年，中南大学就参与了世界上第一个嗜酸氧化亚铁硫杆菌的全基因组测序研究工作。在全基因组测序获得全部3217个基因信息的基础上，进行全基因组芯片和比较基因组学研究，最终发现亚铁氧化、硫氧化及抗性相关的320个高氧化活性基因，实现了微生物浸矿行为研究从表现型向基因型的转变。
而针对微生物冶金反应速度慢等问题，李浩然则认为，可以把基因组解码技术利用到微生物湿法冶金领域，解释浸矿特性与其基因表达的内在规律，并在指导下实施菌种的基因工程改良，获得既能耐高温又能耐磨、耐酸、耐毒性的综合性能好的微生物。
李浩然坦言，生物工程的进步与成就应该尽快应用到生物湿法冶金上来，培育出性能更好、更能满足冶金过程所需要的微生物，应用范围也应进一步拓展并走向产业化。
产业化待突围
张广积表示，生物冶金已经在含砷金矿的预处理、低品位铜矿和铀矿的工业提取中取得了显著成效，其中次生硫化铜矿、难处理金矿的生物提取已经实现大规模产业化。
据了解，目前用生物法提取的铜约占全世界铜总产量的25%，美国、加拿大等20多个国家相继实现了生物提铜的大规模产业化。在我国，也有江西德兴铜矿等3座铜生物氧化提取工厂相继投入生产。
现如今，生物冶金技术的工业应用范围也在不断扩大。李浩然称，国内针对锰、铜、镍、金、钴、锌等矿物，已经先后建立了数十座规模化工厂，如福建万吨级生物堆浸一萃取一电积提铜等项目、河北氧化锰与硫化矿共同综合利用项目、辽宁和山东嗜热菌提金项目等。
可以说，随着低品位、难处理矿产资源的日益增加，生物冶金可观的应用前景逐渐显现。不过，就目前来看，生物冶金技术仍然仅限于几种矿物，取代传统冶金还有待时日。
对此，不少专家表示，生物冶金技术还面临相当多的问题，未来应该加强中等嗜热茵和高温菌浸出工艺的开发和优化。另外，生物浸矿反应器也应该更趋向于大型、高效和节能。同时，还应该系统地集成或优化生物氧化的工艺流程，扩大它的应用范围。
微生物冶金技术范文2
1.1粉末冶金技术特点
粉末冶金技术作为一种应用比较广泛的精密成形技术,具有少无切削加工、材料利用率高、制造过程清洁高效、生产成本低、可制造形状复杂和难以机械切削加工的特点。一般认为,粉末冶金技术工艺的特点如下:
1)不需要或者只需要极少量的切削加工;
2)材料利用率可高达97%以上;
3)零件尺寸的制造公差较小且具有再现性,从而产品可获得很高的尺寸精度和良好的一致性;
4)材料成分、微观组织及组成可以科学调整;
5)零件表面光洁度较好;
6)通过烧结后处理工艺(如烧结后热处理工艺、烧结后表面处理工艺等),可以灵活改善零件的性能(如提高强度、耐磨性等);
7)在技术设计和工艺设计上,形状自由度极高,可以设计和制造出其他金属成形工艺不能制造的形状复杂或奇特的零件;
8)对于自等粉末冶金多孔材料,可通过控制孔隙度来获得材料或产品的性能;
9)适合中等至大批量的零件生产。
1.2粉末冶金技术发展趋势
目前,粉末冶金技术的发展日新月异,随着一系列新技术、新工艺的不断涌现,如粉末冶金注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形、微波烧结、烧结硬化等,粉末冶金技术正朝着高致密化、高性能化、集成化和低成本化等方向发展。
1)粉末冶金零部件的少无缺陷的高强度化趋势:通过对材料的组织控制和制造工艺的综合研究,从粉体粒子的流动、烧结机理、断裂力学等方面找到缺陷形成的原因并提出解决方案。
2)粉末冶金成形技术的近净成形和近终成形趋势:着眼于粉体流动、充填成形、烧结过程粉末特性控制、粘结剂等角度,大力发展近净成形和近终成形的高致密化工艺技术,是降低竞争成本、减少制造工序、适应国际化市场的必然要求。
3)粉末冶金零部件的高精度化趋势:通过对粉末冶金工模具、粉末冶金设备、粉末冶金工艺过程的精确设计和控制,实现粉末冶金零部件宏观尺寸的更高精度;通过对粉体特性、粉末冶金过程显微组织、粉末冶金工艺过程的精确设计和控制,实现粉末冶金零部件微观领域的显微精度。
4)粉末冶金材料功能复合化趋势:针对国际化的高端市场,研究和开发出高附加值的新型复合材料或者复合有附加性能的新型材料,是各国粉末冶金工作者努力追求的目标。这就要求在诸如复合材料设计、成行固化、复合材料组织控制、性能评价等方面能够做出开创性的突破。
5)粉末冶金设计的微观化趋势:由宏观的尺寸———形状———性能设计层面,结合到显微组织———微观结构———性能的设计层面,粉末冶金设计也由粉体特性设计、模具设计、产品形状设计等宏观设计体系向显微组织和显微结构设计的微观体系深入和发展。
6)粉末冶金过程控制的数值模拟化趋势:利用数值优化技术、动态测试技术和计算机模拟技术,通过对粉末冶金生产过程进行动态的观测和数值化的控制,可以实现对粉末冶金产品品质的动态检测控制,可以大大提高产品的成品率和生产效率。
7)粉末冶金制造工艺流程集成化和低成本化趋势:近年来,高速压制成形、流动温压成形、微波烧结、烧结硬化等流程集成化技术的产生和应用,极大地降低了粉末冶金零部件的制造成本,提高了粉末冶金生产流程的单位时间效能,是粉末冶金技术的最新发展趋势。
8)粉末冶金制造过程清洁高效和环保的趋势:寻求资源的再生利用和减少生产过程中对环境的污染,是现代产业的发展趋势。因此,针对易再生材料的设计、有害物质的材质控制、剂的煤烟控制、烧结气氛再生方法的开发和烧结零件的轻量化等,从合金设计和工艺设计的角度,进行技术创新,使粉末冶金各项工艺流程符合环保的强制性法规,从而使粉末冶金产业更清洁、更环保。
2我国粉末冶金工业企业的发展现状
关于我国粉末冶金工业企业的发展现状,国内粉末冶金工业界的人士如韩风麟、黄伯云、邹仿棱等从不同的角度,作过多次精辟的分析和论述,大致而言,包括以下几个方面:
1)产业结构和行业布局不合理:我国现有各类粉末冶金企业近千家,分布在不同的行业和区域。由于产业发展历史特殊原因以及不同行业与区域的多头管理,出现了低水平重复建设、大中小企业并存、企业效能和效益较低的产业格局。大部分中小型企业的规模小、条件差、水平低,且存在不同行业间的条块分割,而真正能够形成产业规模的企业还不足十家。据统计,我国规模较大的主要44家硬质合金企业实现的年销售收入仅为SANDVSIK公司的21.4%,其平均利润也仅为SANDVSIK公司的44%。
2)产品结构和市场结构不合理:目前,我国粉末冶金企业的产品技术含量与附加值低、高端产品所占份额极少、中低端产品竞争无序、低端产品出现生产过剩、假冒伪劣产品充斥市场等问题严重制约着我国粉末冶金企业和市场的健康发展。
3)工艺技术和装备总体水平相对落后、自动化程度不高,先进设备少且不配套,生产效率低。我国粉末冶金企业的生产工序仍然是以手工操作或自动化操作与手工操作为主的局面,并且不能形成工程工序自身特色的竞争优势。相反,却表现出生产过程损耗大、产品精度低、合格率低和产品一致性差等较为突出的问题。部分国有大中型企业尽管引进了大量国外的先进装备,但由于耗资巨大,长期造成企业赢利包袱,或者设备使用效率低等原因,事实上并不能形成相对于国外竞争对手甚至是国内竞争对手的相对优势,无法改变市场竞争格局。
微生物冶金技术范文3
【关键词】铜冶炼企业；综合废水回用技术；实践
0 前言
我国作为一个水资源极度短缺的国家，在水资源的利用方面存在着两个十分突出的问题，一是对于水资源的利用不够，地下水开采不合理，而是水污染严重，水资源的利用效率低下。而水资源的短缺性，使得水污染的处理成为了水资源合理利用的关键。对于金属冶炼企业而言，采取相应的措施，做好废水的回收再利用，不仅是可持续发展的要求，更是提高企业经济效益的关键，应该引起企业管理人员的重视。
1 铜冶炼企业废水的危害
对于铜等有色金属冶炼企业而言，其废水主要来自以下几个方面：
（1）烟气净化水：指在对冶炼烟气进行洗涤时产生的废水，包含大量的悬浮物和各种重金属污染物；
（2）冲洗液、冷凝液：包括制酸系统的废酸、湿式除尘中的洗涤水、硫酸电除雾中的冷凝液和冲洗液等，酸性较高，而且含有重金属污染物；
（3）冲渣水：主要是在火法冶炼中，对熔融态的炉渣进行冷却时产生的废水，不仅温度较高，而且含有炉渣微粒以及少量的重金属污染物；
（4）设备冷却水：指由于冷却冶炼炉等设备循环水排污产生的废水，不过此类废水一般只是温度较高，很少存在污染，可以进行循环利用。
铜冶炼企业产生的费用，对于自然环境和人类监控有着巨大的危害，主要包括：
（1）制酸过程中产生的酸性废水如果不经处理，直接排放入水土中，会逐渐改变水体的pH值，不仅会腐蚀金属、混凝土结构等，还会影响生物的正常生长。
（2）废水中含有的重金属元素在自然界很难分解，而是会通过生物链富集，最终威胁人类的健康。例如，“骨痛病”是由于水中的镉元素造成的，肝癌、肾癌等癌症主要是砷元素过量导致，即使是危害较小的铜，如果在人体中过量富集，也会导致肝脏的损坏，引起“Wilson氏症”等疾病。
（3）废水的过量排放，会影响自然水体中微量元素的平衡，造成水生生物的变异或死亡，如果用来灌溉农作物，则会导致农作物减产等。
由此可见，金属冶炼企业产生的废水会对生态环境和人类健康造成巨大的危害，需要采取合理有效的处理措施，对废水进行综合利用，减少其对于环境的污染和破坏，提高水资源的利用效率，最终实现企业的可持续发展。
2 铜冶炼企业综合废水回用技术
从目前来看，我国金属冶炼企业在对废水进行处理时，主要采用吸附法、中和法、膜分离法、离子交换法、混凝沉淀法和生物法等方法，这些方法虽然都有着一定的成效，但是各自也存在着一定的问题，而且一般都是在将废水进行处理，确认其达到相应的排污标准后，将其排放，而并没有对其进行循环再利用。因此，这里提出了几种铜冶炼企业综合废水回用技术，希望可以为相关企业的废水处理提供一定的参考和借鉴。
2.1 电渗析法
所谓电渗析，指以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，将带电组分的盐类和非带电组分的水分离的技术，可以实现溶液的浓缩、淡化、精制或者纯化等工艺过程，在电力、热工自动化、电厂化学与金属等学科和领域得到了较为广泛的应用。在铜冶炼企业的综合废水回收利用中，应用电渗析法，需要注意几个方面的问题：
2.1.1 实验装置
实验装置的基本参数如下：
设计处理规模为20L/h，采用四级四段工艺，其主要运行参数包括：
进水流量：10-50 L/h；
操作电压：10-80V；
进水TDS：1000-3500mg/L；
进水硬度：700-1200mg/L；
进水pH值：7.5-8.5。
2.1.2 实验方法
以某铜冶炼企业排出的废水为原水，通过实验，确定电渗析法的极限电流密度，研究电压、进水流量、进水浓度等相关参数对电渗析处理工艺出水水质的影响，并通过对比的方式，测试不同的阻垢剂对于自来水、电渗析进水、电渗析出水的阻垢率。
2.1.3 注意事项
一方面，要做好电渗析器的稳定性试验，以分清电渗析器在反应过程中的主要反应和次要反应，判断电渗析器的工作性能是否稳定。另一方面，要做好极限电流密度的测定。极限电流是电渗析技术中的一个重要参数，当电渗析其处于工作状态时，物料在浓、淡室之间流动，则在水流和离子交换膜之间，会存在一个滞留层，在直流电场的作用下，溶质离子会产生定向迁移。当工作电流不断升高且达到一定程度后，主体溶液中的离子无法迅速补充到离子膜的表面，则会引起滞流层中大量的水分子电离生成OH-和H+离子，来负载电荷，这种现象就是极化。极化状态下的电流密度就是极限电流密度。极化现象的出现，会造成膜电阻的增大，影响电渗析的效率和质量，需要相关人员的重视。
2.2 离子交换法
离子交换法是指利用固相离子交换剂的基本功能，与溶液中带有相同电性的离子进行交换反应，从而实现离子的去除、置换、分析和浓缩等目的。一般情况下，离子交换法多用于对软水或纯水的制取。在利用离子交换法对铜冶炼企业的废水进行处理时，需要注意以下几个方面的问题：
2.2.1 实验装置
取适量树脂，放入100mL酸式滴定管中，滴定管底部要事先用棉球填平，避免树脂的下漏，在装入树脂后，要在上部装上棉球，以避免试液冲走树脂。在保证树脂柱中不存在气泡的情况下，开启上部阀门，使得液体均匀流过树脂柱，同时开启下部阀门，对流量进行调节，保持液面的平稳。
2.2.2 离子交换树脂的选择
通过相应的实验可知，在离子交换法中，产水最多的数值为强酸阳树脂D001和弱碱阴树脂D301SC，在充分考虑产水量和技术成本的前提下，以价格最便宜的强酸阳树脂001×7配合弱碱阴树脂D301SC，可以将吨水成本控制在0.269元，最为经济合理。
2.2.3 进水流量设置
为了使得阳、阴树脂流量统一，确保出水的稳定性，应该将进水流量设置为5.0mL/min。对于铜冶炼企业而言，经离子交换处理后的废水，TDS低于500mg/L，硬度在50mg/L以下，可以达到循环冷却水的标准，因此出水可以供给企业进行循环利用。
3 结语
总而言之，从目前来看，我国铜冶炼企业在废水处理方面缺乏科学性，造成了水资源的浪费，相关技术人员应该充分重视起来，引入新的废水处理技术，切实做好废水的回收利用工作，减少废水对于环境的污染，提高企业对于水资源的利用效率，促进企业的持续健康发展。
【参考文献】
[1]肖莹莹.铜冶炼企业综合废水回用技术的研究[D].中南民族大学，2012.
[2]罗发生，徐晓军，李新征，邱珉，王盼，陈宁.微电解法处理铜冶炼废水中重金属离子研究[J].水处理技术，2011，37（3）：100-104.
微生物冶金技术范文4
关键词:黄铜;炉甘石;孔雀石;金相
Abstract:In order to explore the smelting process of early brass, we did simulation experiments and analyzed the brass obtained from simulation experiments with X-ray diffraction, metallographical microscope and scanning electron microscope. The results showed: malachite, calamine and charcoal can react and form brass in closed device when the temperature is over 800 ℃, and the main microstructure of brass formed is isometric crystal,with a few twin.calamine will be deoxidized to zinc; when the temperature is 800 ℃, the brass formed contain Zn less than 5%; when the temperature is 850 ℃, the formed brass contain Zn more than 10%. when the temperature is over 900 ℃, the zinc content of formed brass can exeed 20%.
Key words:brass; calamine; malachite; microstructure
一、 前 言
黄铜在我国的使用,最早可追溯至新石器时期。迄今为止,我国考古出土的早期黄铜实物有:1.陕西临潼姜寨遗址(仰韶文化)出土的黄铜片和黄铜管状物,年代为4700～4000BC(1); 2.陕西渭南北刘遗址(仰韶文化)出土的黄铜笄,年代为3900～3000BC(2); 3. 山东胶县三里河遗址(龙山文化)出土的黄铜锥,年代为2300～1800BC(3)。
这些早期的黄铜实物,特别是姜寨的黄铜片和黄铜管,不仅是我国最早的冶炼黄铜,也是世界上最早的冶炼合金之一。
这些黄铜实物的含锌量均超过20%(1)(2)(3)。在冶金起源时期,古人能否冶炼出含锌量如此高的黄铜?这些黄铜又是如何冶炼出来的?学术界关于早期黄铜的冶炼工艺主要有三种观点,一是 “渗合工艺”,即将锌矿、木炭与自然铜(或人工冶炼铜)以混合状加热,于较低温度下(800℃左右),游离出来的锌将缓慢扩散至铜中而形成低锌黄铜(4);二是“混合矿冶炼工艺”,即将含铅锌矿的铜矿石或孔雀石与炉甘石混合后,于铜的熔点以下(950～1000℃)直接炼得(5);三是热煅或固体还原工艺(6)。
为了揭示早期黄铜的冶炼工艺,参照“渗合工艺”和“混合矿冶炼工艺”,开展了黄铜冶炼的模拟实验。本文介绍的是“混合矿冶炼工艺”,其具体步骤为:将炉甘石、孔雀石与木炭按一定比例混合后,放入带盖坩埚内,再将坩埚置于马弗炉中,分别设定不同的温度和时间,进行模拟冶炼实验。模拟炼得样品后,采用X射线衍射、X射线荧光、金相显微镜、扫描电子显微镜等技术,对模拟实验的原料以及模拟实验的冶炼产物进行检测分析。
二、 实验方法
1. 实验试剂及器材
刚玉带盖坩埚(100ml),炉甘石,木炭,孔雀石。
2. 实验配比
模拟试验所用材料分别采用下述三种配比:即,(1)5克孔雀石、10克炉甘石和5克木炭;(2)10克孔雀石、10克炉甘石和5克木炭;(3)10克孔雀石、5克炉甘石和5克木炭。
3. 模拟实验
按上述比例将炉甘石、木炭与孔雀石混合均匀,每种比例取若干份,分别放入100ml的刚玉坩埚内,盖上坩埚盖后,置于马弗炉中,迅速加热至750℃、800℃、850℃、900℃、920℃、950℃,保温不同的时间,再随炉冷却。
利用X射线衍射、X射线荧光、金相显微镜和扫描电子显微镜等,测试分析所用原料和冶炼产物。所用仪器的型号及测试条件为:
(1)中国布莱格科技(北京)有限公司生产的MSAL XD―2型X射线衍射仪,Cu Kα射线,λ= 1.5406?,工作电压、电流:30kV,30 mA,扫描速度4°/min, 步长0.02°。(2)日本岛津公司生产的800HS型能量色散X射线荧光光谱仪,侧窗铑(Rh)靶、50w小功率X光管、下照射式、可调光斑1~10mm,Si(Li)探测器,样品室大小为300×150mm。(3)日本奥林巴斯公司生产的BX51型金相显微镜,金相腐蚀液为FeCl3―HCl的水溶液。(4)日本日立(HITACHI)公司生产的S―3400N型扫描电子显微镜,配有英国OXFORD公司生产的EDS7021型能谱仪。其成分测定采用无标样定量分析法,每个样品分析的元素含量数据经归一化处理。
X射线荧光分析提供样品的成分信息,利用金相分析可观察样品的显微组织结构,了解样品的铸造方法、冷却速度以及加工处理工艺、使用状态等。利用扫描电子显微镜观察样品剖面的形貌,结合X射线能谱分析,可提供样品的微区成分,通过元素线扫描、面扫描分析,可揭示样品所含各相的元素分布情况,推测反应过程中元素的扩散情况。
三、 结果与讨论
1. X射线荧光分析结果
在750~900℃条件下,冶炼一定时间后,冶炼产物仍保持孔雀石的块状,但断面已为金属组织。温度为950℃时,冶炼产物为大小不一的颗粒状(图一)。分别从不同条件下冶炼所得的产物中,各选取三块,对它们的剖面进行X射线荧光分析,求得平均成分,分析结果见表一。
2. X射线衍射分析
X射线荧光的分析数据(表一)显示:(1)在750℃条件下,冶炼6小时后,冶炼产物中未检测到锌;(2)在800℃条件下,冶炼6h与24h后,三种配比所炼产物的含锌量均为2%左右。虽然冶炼时间6小时与24小时明显不同,但冶炼黄铜的含锌量基本相同,其原因估计是,冶炼温度为800℃时,锌的还原速率较慢,产生的锌主要氧化成氧化锌附着于坩埚内壁,仅少量锌与孔雀石中的铜反应生成黄铜。(3)在850℃条件下,冶炼1小时后,冶炼黄铜的含锌量超过5%;冶炼6小时后,冶炼黄铜的含锌量可达10%以上。(4)在900℃条件下,冶炼1小时后,冶炼黄铜的含锌量可达20%;950℃冶炼2小时后,含锌量可达30%以上。
以上分析表明,当冶炼温度和时间相同时,第一种原料配比冶炼所得黄铜的含锌量高于其它两种配比的相应含量;原料配比和冶炼时间相同时,冶炼黄铜的含锌量随冶炼温度升高而增加。
模拟实验所用孔雀石的主要成分为碱式碳酸铜:Cu2CO3(OH)2,图二为其X射线衍射图谱。所用炉甘石的主要成分为水锌矿:Zn5(CO3)2(OH)6,图三为其X射线衍射图谱。在800℃、850℃、900℃、920℃、950℃条件下冶炼时,其坩埚内壁上均附着一层白色结晶物。X射线衍射分析指出,该物质为氧化锌(图四)。而当温度为750℃时,不论冶炼时间长短,均无这种白色结晶物产生。这一事实表明:当冶炼温度超过800℃时,炉甘石会被木炭还原生成锌,而部分锌迅速氧化成氧化锌,附着于坩埚内壁。图五为冶炼残渣的X射线衍射图谱。物相分析指出,此残渣的主要成分为氧化锌和硅酸锌。这一结果说明,冶炼6小时后,水锌矿已全部分解为氧化锌,然而,氧化锌并没有被全部还原成锌,究其原因,可能是木炭耗尽或者还原速度慢所致。
3. 金相分析
选取由第一种配比冶炼所得的部分样品进行金相分析,其结果如下:
(1) 在750℃条件下,冶炼6h所得黄铜的金相组织图(图六)显示,该组织含有大量等轴晶,其晶粒较小,小于10um。
(2) 在800℃条件下,冶炼6h所得黄铜的金相组织图(图七)显示,该组织由大量等轴晶组成,此外,还有部分孪晶。总体来说,其晶粒较小。
(3) 在850℃条件下,冶炼1h所得黄铜的金相组织图(图八)显示:该组织含有大量等轴晶和孪晶,晶粒较小。850℃冶炼6h所得黄铜的金相组织图(图九)显示,其组织与冶炼1小时所得黄铜的组织类似,但其晶粒比1小时的要大。
(4) 在900℃条件下,冶炼1h(图一)与2h(图一一)所得黄铜的金相组织图比较分析显示:两者皆含有大量等轴晶和孪晶,前者的晶粒较小,后者的晶粒稍大。在920℃条件下,冶炼1h所得黄铜的金相组织(图一二)与900℃条件下保温1h的金相组织类似,其晶粒也显得大一些。在950℃条件下,保温1小时所得黄铜金相组织图(图一三)表明:该组织边缘为等轴晶,晶粒较大,大于100um,而中间仍为等轴晶和孪晶,晶粒较小,约20~50um。
4. 扫描电子显微镜分析
为精确测定金相组织中各相的成分组成,将以上样品置于扫描电镜内进行高倍观察及X射线能谱分析,结果见图一四~一八和表二。
(1) 在800℃条件下,冶炼6h所得黄铜的能谱数据指出,孔隙边缘(图一四中B)的含锌量约6%,内侧(图一四中A)含锌量约5%,而离孔隙较远的位置(图一四中D和E)含锌量约3%。这说明锌是从孔隙外部向内部扩散的。需要指出的是,样品预处理时,腐蚀程度略微深了些,这样可能导致测得的锌含量偏高。
(2)在850℃条件下,冶炼1h和6h所得黄铜的二次电子像(图一五、一六)显示,冶炼黄铜的空隙较多,推测这些孔隙为锌进入孔雀石的通道。相比之下,冶炼6h所得黄铜的空隙少些,而冶炼1h所得黄铜的能谱分析指出,该分析区域内各相锌含量相差不大,含锌量约4.5~5.5%;冶炼6h所得黄铜中,大晶粒(图一六中A、B、C)的含锌量差别不大,皆为12%左右;小晶粒(图一六中D、E、F)的含锌量差别较大,含锌量从8%至14%不等。
(3)在900℃条件下,冶炼1h所得黄铜的二次电子像(图一七)显示,其剖面空隙较多,且能谱分析数据表明该分析区域内各相的含锌量差别不大,含锌量约23~24%。在950℃条件下,冶炼1h所得黄铜的二次电子像(图一八)显示:其部分组织(图一八中A)与在900℃条件冶炼1h所得黄铜的组织类似,其含锌量略高,约28%,不含铅。另一部分(图一八中H)为晶粒较大、较致密的组织,在这一区域,晶界上(图18A和G)分布有铅颗粒,锌含量分布较为均匀(图一八的C、D、E、F),约33%,明显高于小晶粒区(图一八中A)的锌含量。
模拟实验样品扫描电镜能谱分析结果(表二)。
四、 结 论
综上所述,可得如下结论:
(1) 密闭装置中,当温度达到或高于800℃时,孔雀石、炉甘石和木炭可以反应生成黄铜,冶炼所得黄铜的金相组织中主要为等轴晶,并有少量孪晶。且当温度介于800~900℃之间时,所得黄铜保持孔雀石的原始形态。
(2) 温度为800℃时,孔雀石、炉甘石和木炭可以反应生成低锌黄铜,含锌量不超过5%;反应温度为850℃时,冶炼所得黄铜的含锌量可达10%以上;反应温度为900℃时,冶炼所得黄铜的含锌量可达20%以上。
(3) 原料配比相同、冶炼时间亦相同时,冶炼所得黄铜的含锌量随冶炼温度的升高而增加。
参考文献:
(1) 半坡博物馆、陕西省考古研究所、临潼县博物馆:《姜寨――新石器时代遗址发掘报告》,第544~548页,文物出版社,1988年。
(2) 韩汝玢、柯俊:《中国科学技术史•矿冶卷》,科学出版社,2007年。
(3) 中国社会科学院考古研究所:《胶县三里河》,第196~199页,文物出版社,1988年。
(4) 刘诗中:《中国先秦铜矿》,江西人民出版社, 2003年。
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有色冶金新材料是经济建设和国防建设必不可少的基础材料，是国家安全的重要支撑，在发展高技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力等方面起着重要的作用，世界各国都非常重视其研究开发工作，并制定了相关发展计划。新型高强高韧、高比强高比模、耐热耐蚀铝合金材料的发展一直受到世界各国的普遍重视。世界各国不断开发并生产出具有更高使用性能的新型铝合金材料，以及具有良好耐蚀性、可焊性、中高强度的多种铝合金，广泛应用于各种先进的航空或航天飞行器、低成本发射装置、超轻油箱计划以及重复使用的航天器核心计划中。美国是世界上铝及铝材生产和消费量最大的国家。在装备、技术水平、产品质量等各方面都居国际先进水平。我国研发的部分高强高韧铝合金、铝锂合金、喷射沉积快速凝固耐热铝合金的性能达到国际先进水平。高速列车和地铁车辆用大型高性能铝合金型材已研制成功，并投入大批量生产。铝材制备技术也得到了迅速提升，铝合金在多元外场作用瞬时连续大变形下凝固组织控制技术取得突破。
美、日、欧盟、俄罗斯等国为适应电子信息产业和众多高新技术的发展，一直把高强高导铜合金作为研发的重点。国际铜合金技术发展主要集中在:超大规模集成电路引线框架用高强高导铜合金及其先进制备和精密加工技术，电子、电工及军事工业用超高导电铜合金形变原位复合技术，超高强弹性导电铜合金及其高均匀化制备技术，超低氧铜制备技术，机械行业用耐磨铜合金与钢廉价复合技术等。美国、德国、澳大利亚等国都投资数十亿美元，实施各自的镁工业研究开发计划，扩展镁合金在汽车上的应用;日本通过立法限制工程塑料的使用，率先将镁合金用于制造先进电子装置的壳体，并逐步推广到大型家电中。我国是镁资源丰富的国家，但镁合金材料深度加工制品的发展相对滞后。近几年，国家将发展镁合金材料列为重大科技攻关项目，镁合金新材料的研究水平因而得到了明显提高，开发了ZM1～ZM10等十几个牌号的镁合金。通过细化、净化、微合金化等手段，使铸造镁合金的性能大幅度提高。镁合金铸件、压铸件已应用于汽车和摩托车等领域，并开发了镁合金阻燃技术、镁合金熔体环保型保护技术和镁合金微弧氧化表面处理技术等先进制备技术。
国外钛工业主要集中在美国、俄罗斯和日本三个国家。克劳尔法仍是生产海绵钛的主导工艺，电子束冷床炉熔炼技术已在钛铸锭的制备上进行了商业化应用，大型锻件和精密锻造技术正在不断地发展，激光成形等近净成形技术正在不断地得到应用。钛在生物医学和汽车上的应用受到世界各国的普遍关注。新型医用钛合金、高温钛合金、高强钛合金、低成本钛合金等合金研究比较活跃，新的制备、成形加工技术方兴未艾。我国钛合金的研究水平大体与国外接近。在开发研究新材料的同时，我国也在钛加工技术方面开展了大量的工作。目前我国已具备了自行设计制造大型真空电弧炉的能力。我国开发的中强钛合金TC4、TA15、TC18，超高强钛合金TB8，高强、高韧、损伤容限型钛合金TC21在航空航天领域有着广泛的应用。
镍钴作为一种重要的世界性有色金属原材料，是生产各种高温、高强度合金、磁性合金和合金钢的主要添加剂，长期被广泛应用于冶金、化工、石油、机械制造、建筑、轻工、航空航天航海、电子电池以及军事工业等。镍基合金能耐高温、断裂强度大，专用于制造燃气涡轮机和喷气发动机等。钛镍形状记忆合金在医学领域应用相当广泛。此外，以镍氢电池为动力的汽车也已投入市场。世界上镍消费量最大的国家是日本、美国、德国和俄罗斯。钴基耐高温合金或含钴合金钢可用作燃气轮机的叶片、叶轮、导管、喷气发动机、火箭发动机、导弹部件以及化工设备中各种高负荷耐热部件和原子能工业的重要金属材料。钴基耐磨合金能耐高温和硬磨，用于制作挖掘装置的硬磨部件、航海柴油机、航空发动器的排气阀等。我国既是不锈钢大国，也是镍消费大国。在高温合金方面，我国研发和生产的大部分高温合金为镍基高温合金，钴基高温合金占一小部分。高温合金目前已满足航空、航天以及舰船动力装备要求，并逐步扩大到民用，诸如电力、石油、化工、汽车、运输以及环保等工业领域。中国核电高速发展需要大量蒸发器用镍基合金INCONEL690管。未来几年，泡沫镍、球状氢氧化亚镍以及储氢合金粉等高能电池材料以及多品种镍粉、镍钴氧化物粉体是动力电池材料及燃料电池用材，将是开发的重点。镍氢动力电池的强势地位再次被巩固。国家工信部在2009年6月公布《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》中，首次明确指出镍氢电池的重要性超越锂电池，成为未来我国新能源汽车的发展方向。各镍氢电池厂商相继提速推进市场化进程，镍氢电池是目前商业化最为合适的新能源汽车动力电池。
热镀锌合金锭产品的发展趋势看，粘附性好、加工成型性好、耐蚀性强符合环保要求的高铝低铅系列合金和无铅Galfan合金将是热镀用锌合金锭的主要发展方向。铝－铜－镁铸造锌基合金由于其机械性能好等优势，已在汽车零部件、精密铸造件、小五金、玩具等行业得到广泛应用。铅及铅合金以其良好的导电性和耐蚀性广泛用于电化学行业，铅锡带箔主要用于国防工业和医疗器械等行业。铅及铅合金是电解行业的必备材料。
由于贵金属具有独特的物理化学性能和优异的催化活性，被广泛用于现代尖瑞科学研究、高科技领域、军事工业和代表时代特征的民用工业。国际贵金属材料的研究与应用仍主要集中在汽车催化剂、精细化工和化肥催化剂、电子工业、玻璃工业、石油精炼、生物医药、首饰等领域。当前，贵金属材料研究正向着新能源材料如燃料电池组材料、光电转换材料、特殊功能薄膜材料低维化、生物技术、生态环境治理等的先进适用技术方向发展。近年来，我国在金属间化合物材料研究方面取得了突破性进展，已应用于水轮机、航空发动机和汽车发动机等。我国新近研制开发的定向凝固Ni3Al基合金具有密度小、强度高、塑性好和高温抗蠕变性能优异等特性，是一种具有广泛应用前景的高温结构材料，在1100℃的持久强度超过美国的EX27合金，现已应用于生产航空发动机2级涡轮导向叶片。
未来几年，有色冶金新材料优异的产品性能和广泛的应用领域使其产品市场需求保持较高的增长，有色冶金新材料产业的科技发展呈结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备及应用过程绿色化趋势。我国有色冶金新材料产业的科技水平不断得到提升的同时，也存在着一些亟待解决的问题，与先进国家仍有差距，主要体现在科研成果转化为生产力水平低、科研创新能力较弱，关键性材料亟待开发，产品质量有待提高、环境和资源负担过重等方面。目前我国主要通过“863”计划、“973”计划、国家科技攻关计划等计划支持有色冶金新材料产业发展。同时，国家政策、资金引导大量的社会资金向新材料投资，促进了新材料科技成果转化水平，极大的推动了中国新材料产业的发展。此外，我国政府将新材料产业作为七大战略性新兴产业之一列入国家“十二五”规划。
2甘肃有色冶金新材料
甘肃是我国有色冶金矿产资源的富集地区，是我国重要有色冶金原材料工业与深加工基地之一，有色冶金产业在甘肃经济发展中发挥着重要的作用。到目前为止，甘肃省有29种矿产的保有资源储量居全国前5位，居前10位的有53种。镍、钴、铂族金属、硒的保有储量居全国第一位，锌矿居全国第三位，铜、铅矿居全国第四位，锑矿居全国第五位。“十一五”时期以来，甘肃省省委、省政府大力推进“工业强省”战略，通过调整结构，战略性重组和技术改造，延长产业链，提高产品的科技含量和附加值，新材料产业得到了一定的培养和发展，取得了一定的成绩。目前已形成了以兰州、金昌、白银有色金属新材料产业基地为主的新材料产业带，进行了以镍、钴、铜、铝、稀土、贵金属等有色金属为主的新材料和不锈钢新材料等产品的开发和产业拓展。有色冶金产业得到了长足的发展，产业规模不断扩大，产业结构明显改善，资源利用效率、能源利用效率、技术装备水平与工艺水平以及经济效益水平都有不同程度的提高，组织结构和地区布局结构向合理化方向发展，产业国际竞争力明显增强，在经济中的比重不断提高，有力地推动了国民经济的发展。但是，与东部和沿海发达地区相比，甘肃省冶金有色新材料产业整体创新能力发展不平衡，大型龙头企业自主研发能力强，中小型企业自主研发、创新能力不足。主要差距表现在:企业创新能力不平衡，中小企业创新主体地位不突出;科技供给能力低，科技成果转化应用不畅;科技与经济融合度不高，高技术产业在整个经济中所占的比例低;科技研发实力不强，优秀拔尖人才和领军人才匮乏;科技投入严重不足，体制机制还存在不少弊端;科技对外开放与合作交流落后。目前，甘肃省在冶金有色新材料产业发展方面需求铜、铝、镍、钴高性能金属及合金结构材料装备及先进加工技术，镍钴铜与贵金属精深加工、铝型材、铝合金深加工、有色金属新能源材料、铜铅锌冶炼与加工、新型不锈钢薄板、稀土新材料制备和先进加工技术，以及资源综合高效利用与环境保护方面技术与研究成果。
3甘肃有色冶金新材料产业科技发展的指导思想、原则及战略目标
3．1指导思想
以科学发展观为指导，构建创新平台，加强国际合作，强化自主创新。发挥特色优势，围绕新能源、信息、航空航天、生物和重大装备等产业发展的需求，以镍铜钴及贵金属电子信息材料、航空航天材料、新能源材料、环保节能材料等为发展重点。建立高水平的有色冶金新材料产业科学研究和人才培养基地，营造有利于新材料高技术产业聚集式发展的政策环境，提升创新能力，形成产业集群。探索新机制和新模式，促进新材料高技术产业又好又快发展。
3.2发展原则
特色优势原则，关键突破原则，循环经济原则，国际合作原则。
3.3战略目标
以冶金有色新材料领域国家重点实验室和国家工程实验室建设为突破口，建设并形成多元化、开放型、多功能的科技创新支撑体系和功能完善的创新服务体系，支撑有色冶金新材料产业发展与提升。立足甘肃省地域特色和资源优势，紧抓国家支持西部和甘肃发展的良好机遇，重点发展电池材料、有色金属合金材料、新型稀土材料等为核心的冶金新材料，力争在重大基础研究、关键工艺技术、以及高端产品研发、生产和应用技术、节能减排技术等方面取得新突破，把甘肃省建成为全国重要的有色冶金新材料基地和西部最大的不锈钢生产基地。
4重点研发领域
围绕先进装备、新能源、节能环保等战略性新兴产业发展需求，发挥省内科研、产业和有色金属资源等优势，优先发展铜、铝、镍、钴高性能金属及合金结构材料，做大做强有色金属能源材料，积极培育基础原材料和稀土新材料的升级，扶持新兴材料发展，攻克新材料产业化共性关键技术，提高资源和能源利用率。主要包括镍钴铜与贵金属精深加工、铝型材、铝合金深加工、有色金属新能源材料、铜铅锌冶炼与加工、新型不锈钢薄板、稀土新材料、资源综合高效利用技术与环境保护等领域。
4.1镍钴铜与贵金属精深加工
以镍、铜、钴及其合金的精深加工技术与产品开发;镍铜钴及其合金新产品高技术开发和压延精深加工技术，低成本、高性能金属复合材料加工成型技术。精密铜管、电子铜板带等精深加工产品研发;贵金属、高纯贵金属、贵金属粉体材料及贵金属压延加工、贵金属盐加工以及贵金属催化剂、信息产业用贵金属新材料高技术系列产品的产业化;特殊功能有色金属材料及应用技术(形状记忆钛镍合金、铜合金材及制品)。
4.2铝型材、铝合金深加工
高精度高性能铝合金板带材的短流程制造技术;高强高韧系列铝合金及其复合材料研制加工技术与应用;大断面、中空大型铝合金板材铸轧技术，后加工成形技术和着色、防腐技术以及相关的配套设备;铝合金回收再利用技术。
4.3有色金属新能源材料
锂离子电池材料;高容量镍氢电池、超级电容器等动力电池高性能基础材料制备技术;高性能(耐磨耐腐蚀、低成本、轻质高强高韧)风力发电机叶片复合材料;节能材料。稀土发光材料，保温隔热材料，以及轻质高强材料、冶金、建筑、电力等产业节能技术发展需要的相关材料;薄膜太阳能电池材料及关键技术。
4.4铜铅锌冶炼与加工
先进铜铅锌冶炼、加工技术工艺的引进、消化、吸收和产业化。
4.5新型不锈钢薄板
资源节约型不锈钢、特殊领域用高性能不锈钢和高功能性不锈钢材料及技术;奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢等新牌号不锈钢及其板材的轧制设备和技术。4.6稀土新材料高纯度稀土氧化物和稀土单质的分离、提取技术;高性能稀土磁性材料、催化材料、贮氢材料、发光材料，生物功能材料、稀土转换膜技术与器件开发。
4.7资源综合高效利用技术与环境保护
有色金属矿产资源综合利用技术;有色金属再生及循环利用技术;采选高效节能工艺和设备、有色金属加工节能技术;深部采矿技术和高效选矿工艺、矿山安全与环境污染防治技术开发。
4.8其它新兴材料
围绕培育新的增长点，主要发展电子元器件支撑材料、功能薄膜材料、环境友好材料、生物基材料、医用新材料、纳米材料及其器件等。
5关键技术
5.1高纯净技术
高纯系列金属产品的研发生产技术，从低品位原料中提取和制备高纯铂族金属技术，有色金属合金熔体净化技术。
5.2微细化技术
镍钴铜超细粉体新材料的研发及产业化，铝、镁、镍等有色金属合金以及高性能钢的组织细化技术，大块纳米晶材料的研发，有色金属新材料及其产品的微细化精密加工技术。
5.3短流程技术
短流程连续炼铅节能冶金技术，液态铅渣直接还原炼铅工艺与装备产业化技术开发及推广应用，铅富氧闪速熔炼工艺、铅旋涡柱闪速熔炼工艺等;短流程连续炼铜节能冶金技术，氧气底吹炉连续炼铜技术和闪速炉短流程一步炼铜技术，铜材料短流程生产技术、铜合金高效散热管生产技术;有色金属加工过程的连续化、自动化技术;高精度铝及铝合金材料短流程连续化制造技术。
5.4节能环保技术
节能降耗配套扩能技术改造，低碳排放技术，有色金属污染防控及有色金属工业环境保护技术，铝冶炼重大节能技术，湿法冶金节能技术。
5.5资源综合利用与循环经济技术
铜、铅锌低品位矿、共伴生矿、难选冶矿、尾矿的综合开发及利用技术，有色金属工业“三废”综合利用技术，湿法冶炼渣中综合回收有价金属技术，炉锌灰资源化循环利用技术，金川铜镍钴及铂族贵金属资源高效开发及产业化，矿产与废杂原料的铜、铝、铅锌等有色金属共线生产技术。
6重点研发项目
