電冶金(electrometallurgy)

以電能為能源進(jìn)行提取和處理金屬的科學(xué)和技術(shù)。根據(jù)電能轉(zhuǎn)化形式的不同分為電化冶金和電熱冶金。電化冶金是使直流電能通過電解池轉(zhuǎn)為化學(xué)能，把金屬離子還原成金屬的過程，電能起著相當(dāng)于還原劑的作用。在水溶液電解中，電能主要用于金屬的還原。在熔鹽電解中，電能除用于金屬的還原外，還消耗于加熱電解質(zhì)，維持電解過程進(jìn)行所需的高溫。電熱冶金電能僅作為熱源。

簡史有色金屬電化冶金的歷史可以追溯到19世紀(jì)最初幾年。1。799年伏打電堆的發(fā)明為實(shí)驗(yàn)室電解奠定了基礎(chǔ)。1800～1803年俄國科學(xué)家克里尤克申克(I<=pBIOKIHeHK)以電解的方法從水溶液中電解出銅、鉛、鋅。英國化學(xué)家戴維(H．Davy)于1807年電解熔融Na()H和KOH制得了鈉和鉀。有色金屬的工業(yè)電解生產(chǎn)始于19世紀(jì)末期。1865年發(fā)表了電解精煉銅的第一個(gè)專利，1867年在英國開始用電解法生產(chǎn)精銅。1886年在德國開始電懈光鹵石生產(chǎn)金屬鎂。1886年美國人霍爾(C．M．Hall)及法國人埃魯(P．L．T．Her•oult)幾乎同時(shí)發(fā)明制取金屬鋁的冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法。該法于1888年在美國開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。鋰、鈉于19世紀(jì)90年代開始工業(yè)電解生產(chǎn)。20世紀(jì)上半葉，是有色金屬電解生產(chǎn)技術(shù)不斷取得顯著進(jìn)步的時(shí)期。在這一時(shí)期中，濕法煉鋅的出現(xiàn)，使鋅電解成為金屬鋅生產(chǎn)的主要方法。硫化鎳的電解精煉也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。稀土金屬的電解由于電解工藝條件和電解槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，已能生產(chǎn)出純度很高的單一金屬。從20世紀(jì)20年代起，人們開始致力于高熔點(diǎn)稀有金屬的電解生產(chǎn)，鉭、鈮、鋯、鉿都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電解生產(chǎn)，但其產(chǎn)量在總產(chǎn)量中所占份額不大。20世紀(jì)50年代以后，有色金屬電解工業(yè)發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新階段。電解槽容量不斷擴(kuò)大，鋁電解及鎂電解生產(chǎn)的電流強(qiáng)度已達(dá)250～300kA，稀土金屬電解的電流強(qiáng)度也達(dá)50kA。電能消耗大幅度下降。例如噸鋁和噸鋅電解的能耗已分別降至13000～13500kw•h和3000～3200kw•h。銅電解精煉噸銅能耗已降至220～240kw•h。電解車問和電解槽已普遍實(shí)行機(jī)械化操作，計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用日漸增多。

1882～1892年法國化學(xué)家埃魯發(fā)明了工業(yè)用電弧爐，并于1899年用電弧爐煉鋼。20世紀(jì)初葉，電熱冶金在有色冶金工業(yè)中逐漸發(fā)展。爾后，電弧爐、電阻爐、感應(yīng)電爐都在有色冶金工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。50年代以后，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)高純金屬、高性能金屬及其合金的需要，特別是對(duì)高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯和活性金屬及其合金的需要，又發(fā)明了電子束爐和等離子爐。

基本內(nèi)容在電化冶金中，根據(jù)所使用的電解液是水溶液還是熔鹽，分為水溶液電解和熔鹽電解。這兩種電解方法按目的都可分為電解提取和電解精煉。電解提取是以金屬鹽的水溶液或熔融鹽類作電解液，通過電解在陰極產(chǎn)出金屬。電解精煉也是以金屬鹽水溶液或熔鹽作電解液，但用粗金屬作原料，通過電解在陰極產(chǎn)出純金屬。電解提取時(shí)的陽極不溶解；電解精煉時(shí)電diarl用粗金屬制成的陽極，在電解過程中發(fā)生電化學(xué)溶解而消耗。故電解提取也稱為不耗(不溶)陽極電解，電解精煉則稱為消耗(可溶)陽極電解。電化冶金是一門綜合性極強(qiáng)的學(xué)科，它主要涉及電化冶金過程的原理和工藝。電極過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，電解液的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，電解槽的磁場、電場、熱場、流場等均屬電化冶金過程原理的研究對(duì)象。而電解槽及電極的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，電解工藝條件的確定、測量和控制則是電化冶金工藝的主要研究對(duì)象。

電熱冶金用于許多冶金過程，主體設(shè)備為電爐。根據(jù)電熱轉(zhuǎn)換方式，將電爐分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐、等離子爐和電子束爐等。而電熱冶金則按其所用的主體設(shè)備電爐的不同，分為電弧熔煉、電阻一電弧熔煉、感應(yīng)熔煉、電子束熔煉、等離子體冶金等。這些電熱冶金涉及的范圍均包括工藝過程所應(yīng)用的物理化學(xué)原理、電熱轉(zhuǎn)換的原理、方式、效率，電爐的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及操作系統(tǒng)的控制等。

與鄰近學(xué)科關(guān)系電化冶金在電解槽中進(jìn)行。電解槽是進(jìn)行電解反應(yīng)的反應(yīng)器，由電極(陽極和陰極)和輔助設(shè)施構(gòu)成。電極是發(fā)生電解反應(yīng)的地點(diǎn)，在其上進(jìn)行著電化學(xué)氧化(陽極)和電化學(xué)還原(陰極)作用。電解過程主要涉及電化學(xué)原理及電解槽工學(xué)兩個(gè)方面的內(nèi)容。由于電化學(xué)原理又涉及到電解反應(yīng)的熱力學(xué)和電極過程動(dòng)力學(xué)、電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)等方面的內(nèi)容，因此，有色金屬電化冶金與電化學(xué)、物理化學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科存在密切關(guān)系。另一方面，由于電解槽工學(xué)是一門研究電解槽、電極的結(jié)構(gòu)、配置和制造材料，以及電解槽內(nèi)物料的流動(dòng)、電場、磁場、力場的分布如何影響電化冶金過程的科學(xué)，因此，有色金屬電化冶金必然與應(yīng)用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、工程力學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科發(fā)生密切關(guān)系。

電熱冶金涉及多種冶金過程，與冶金過程物理化學(xué)相關(guān)。由于電熱冶金在電爐中進(jìn)行，電爐除具有一般冶金爐的特點(diǎn)外，還涉及電熱轉(zhuǎn)換，因此電工學(xué)、熱工學(xué)便成為電熱冶金的技術(shù)基礎(chǔ)。

在有色金屬生產(chǎn)中的地位有色金屬生產(chǎn)的方法有火法冶金、濕法冶金和電冶金。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合。大多數(shù)有色金屬都是采用兩種或三種冶金方法相互配合的生產(chǎn)流程生產(chǎn)出來的。當(dāng)前用電化冶金生產(chǎn)和精煉的有色金屬已達(dá)30種。重金屬中的銅主要采用火法冶金制得粗金屬，然后用電化冶金得到純金屬的生產(chǎn)流程獲得的；而世界上80％的金屬鋅則是采用濕法冶金制得金屬化合物、用電化冶金得到金屬鋅的生產(chǎn)流程制取的。輕金屬中鋁、鈉的全部，鎂的80％是用濕法冶金或火法冶金制得金屬化合物、用電化冶金得到金屬的生產(chǎn)流程生產(chǎn)出來的。稀有金屬中的大部分稀土金屬及其中間合金，是用電化冶金方法生產(chǎn)出來的。與用高溫?zé)徇€原法生產(chǎn)稀有金屬相比，電化冶金法生產(chǎn)稀有金屬由于具有生產(chǎn)過程連續(xù)、不需用貴重的還原劑和產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，而受到重視。貴金屬中的金和銀幾乎全部都要經(jīng)過電化冶金才能得到純金屬。和火法精煉生產(chǎn)金屬相比，電化冶金生產(chǎn)金屬除具有低溫操作的一般優(yōu)點(diǎn)之外，電解提取不需經(jīng)過粗金屬生產(chǎn)的中間階段，能一次得到純度較高的金屬，溶劑還可以再生。電解精煉能一次除去粗金屬中的絕大部分雜質(zhì)，主金屬回收率高，除去的雜質(zhì)作為副產(chǎn)品回收。可見，電化冶金在有色金屬生產(chǎn)中占有非常重要的地位，是有色金屬生產(chǎn)的重要方法和不可缺少的環(huán)節(jié)。

和以燃料加熱的冶金方法相比，電熱冶金由于具有能獲得高溫(一般在2273K以上，等離子冶金可達(dá)5273～20273K)、加熱快、熱效率高、爐內(nèi)溫度和氣氛易于控制，以及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化操作等優(yōu)點(diǎn)，除普遍用于金屬的熔鑄過程外，還廣泛用作火法冶金、濕法冶金和電冶金過程的熱源。

展望當(dāng)前，電化冶金工業(yè)正在發(fā)展大容量和高效節(jié)能的新型電解槽，以強(qiáng)化生產(chǎn)過程和降低能耗，克服電化冶金原有的能耗較高和電解槽生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)。電熱冶金耗電量大，只有在電能豐富的條件下才能充分發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)。