第一章 緒論.

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1 第一章 緒論

2 冶金領域(Fields of Metallurgy)
■選礦(Mineral Dressing)：以粉碎、研磨將礦石中的礦物使其達成單離 (Liberation)，再利用物理方法分選提高礦石品位的學問 或技術。 ■提煉冶金(Extractive Metallurgy)：以化學反應法將礦物狀態的金屬化合物提煉成為 純金屬的學問或技術。　　　 ■粉末冶金(Powder Metallurgy)：金屬粉末的製備、成型以及燒結等一連串製程有 關之學問或技術。 ■工程冶金(Engineering Metallurgy)：有關熔融狀金屬的成型製程。 ■機械冶金(Mechanical Metallurgy)：以外加的機械力對固狀金屬的加工過程有關 之科學與技術。

3 一般金屬提煉流程及方法

4 金屬之特性與用途 ■金屬都具有容易壓延、鍛造之可塑性(plasticity)，可作成板、棒、管、 叉等各種形狀之工具
■金屬都為電的良導體，尤其是銅金屬之存在，才有今天這麼發達之電氣 工業 ■金、銀、鉑(pt)具有豔麗色澤與安定之化學性，可供裝飾與化學工業用 ■鎢、鉬之高熔融點金屬可供電燈的燈絲使用 ■鋁、鎂金屬之輕巧可供航空器材使用 ■錫、鋅之不易生鏽可作為表面材料使用等性質 ■合金更可得到單種金屬所沒有之特別性質，例如鐵材雖有高強度但易生 鏽，若加一些鉻鎳可作成不鏽鋼合金

5 主要金屬的生產量與價格的關係（1974年）

6 倫敦金屬期貨交易所網頁資料

7 金屬發現沿革 ■紀元前4000~3000年人類社會已進入金石並用時代，接著依序 為銅器時代、青銅器時代
■紀元前1000年左右進入鐵器時代，此時已知使用金、銀、汞、 銅、鐵、鉛、錫等七種金屬 ■十八世紀以後隨著冶煉技術之進步而陸續地發現如表1-2所示 的各種金屬 ■十九世紀發現如表1-3所示之各種金屬 ■二十世紀發現如表1-4所示之各種金屬

8 鈷Cobalt Brandt 1741 鉑Platinum Wood 1746 鋅Zinc Marggraff 1751 鎳Nickel Cronstedt 1753 鉍Bismuth Geoffrey 1774 鎂Manganese Ghan 1781 鉬Molybdenum Hjelm 1782 碲Telluriuma Muller v. Reichenstein 1783 鎢Tungsten Elhujar brothers 1789 鈾Uraniumb Klaproth 1789 鋯Zirconiumc Klaproth 1791 鈦Titaniumd Gregor 1794 釔Yttrium Gadolin 1797 鈹Berylliume Vauquelin 1797 鉻Chromiumf Vauquelin ☆

9 ☆ 1801 鈮 Niobiuma Hatchett 1802 鉭 Tantalum Ekeberg
銥 Iridium Tennnat 鋨 Osmium 鈀 Palladium Wollaston 銠 Rhodium 鉀 Potassium Davy 鈉 Sodium 錋 Boron Gay-Lussac and Thenard, Davy 鋇鈣鎂Barium, Calcium Maglnesium Davy 鍶 Strontium 鈰 Ceriumb Berzelius 鋰 Lithiumc Arfwedson 鎘 Cadmium Stromeyer 硒 Selenium Berzelius 矽Silicon Berzelius 鋁Aluminum Wohler 釷Thorium Berzelius 釩Vanadiumd Sofstrom 鑭Lanthanum Mosander 鉺Erbium Mosander 鋱 Terbium 釕Ruthenium Klaus 銫Cesium Bunsen and Kirchhoff 銣Rubidium 1861 鉈Thallium Crookes 1863 銦Indium Reich and Richter 1875 鎵Gallium de Boisbaudran 稀土 Rare Earths:Yb, Ho, Tm, Sc, Sm, Gd, Pr, Nd,Dy 1886 鍺Germanium Winkler 1898 釙Polonium Curie 鐳 Radiume 1899 錒Actiniumf Debieme ☆

10 1901 銪 Europium Demarcay 1907 鎦 Lutetium Urbain 1917 鏷 Protactiniuma Hahn and Meitner (Soddy and Cranston in 1918) 1923 鉿Hafniumb Coster and Hevesy 1924 錸Rhenium Noddack, Tacke, and Berg 1937 鎝Technetiumc Segre 1939 琺Francium Perey Transuranium metals Seaborg et al. 錒系金屬(Np, Pu, Cm, Am, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lw) 1945 錮Promethium Glendenin and Merinsky ☆

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12 提煉法發展沿革 ■人類在發現利用熱能之前，自然界存在之金屬有自然金、自然銀、自然銅等都是一些
柔軟易加工之金屬，容易打造成各種器具、裝飾品或武器，亦即為銅器時代之開始。 ■青銅器時代，人類已知道利用木炭的熱能將含有種種雜質之銅礦石進行熔融提煉 ■在於自然界之鐵是以氧化鐵、硫化鐵或炭酸鐵等化合物狀態存在，而沒有金屬鐵存在， 用木炭將鐵礦加熱，使氧化鐵部份還原為含不純物多之海綿鐵，再選出純度高的部份， 在赤熱狀態下鍛造成製品 ■ B.C.1000年代已使用置換法精製獲得金、蒸餾法製得汞，更利用汞劑法 (Amalgam process)提煉金。 ■ 18世紀以後，燃料開始會使用煤炭，因而導致高爐引入，使冶煉技術產生更大之進步。 ■熔礦爐吹入熱風的方法，增設熱風爐使生產力大增。 ■ 1833年Petera process用溶離法從粗鉛中之銀或回收礦石中的銀〔將含銀礦與NaCl焙燒 ，再用硫代硫酸鈉(Na2S2O2)溶液，溶取AgCl，加入Na2S得Ag2S之沉澱〕 ■ 1829年Antoin Bussy將氯化鎂用鉀金屬還原，而獲得鎂金屬 ■ 1886年美國的Charles Martin Hall與法國的I.T.Heroult幾乎同時發明在熔化的 冰晶石 (Cryolite)中熔解氧化鋁，以高溫電解法獲得金屬鋁。 ■ 1887年Mcarthur與Forrest開發金礦之氰化製煉法。

13 金屬提煉方法 各金屬元素之提煉性質所作之周期表如圖1-4所示，左邊點線所 圍之ⅠA～ⅢB族元素屬反應活潑之卑金屬群，用一般之還原步 驟無法提煉金屬，必須用熔融鹽電解法才可提煉獲得金屬。其 次ⅣB～Ⅷ族為遷移金屬群，所具融點高尤其是中央部份的 Mo、W更顯著，下面第七周期為核燃料金屬。在遷移金屬之 右下側點線範圍內之Pt，Ir以Au、Ag為中心，是屬貴金屬群。 另外ⅡB～ⅤA族在實線範圍內者為700°k 以下之低熔點金屬群， 其金屬或化合物之蒸氣壓高，如Zn、Cd、Hg可由揮發法冶煉 獲得金屬。在此群與最右側以點線所示之非金屬群之間，存在 有半金屬、半導體元素群。

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15 S1：將脈石與金屬都熔成熔融狀態。（在高溫條件下） S2：使金屬成為氣體（在金屬元素揮發之溫度條件下） 、脈石仍然為固體。
■脈石與不純物分離方式 　　　　S1：將脈石與金屬都熔成熔融狀態。（在高溫條件下） 　　　　S2：使金屬成為氣體（在金屬元素揮發之溫度條件下） 　　　　　　、脈石仍然為固體。 　　　　S3：使金屬溶成為液體（在酸、鹼溶劑條件下）、脈石 　　　　　　仍然為固體。 ■化合物之分解 　　　　D1：高溫化學反應(還原) 　　　　D2：水溶液電解或化學置換 　　　　D3：熔解鹽電解（在高溫條件下) 由以上步驟組合成各種金屬冶煉方法如S1–D1之組合為冶煉鐵、銅、鉛、錫等，在高溫狀態下利用還原劑MO+C→M+CO、MO +CO→M+CO2獲得金屬之方法。S2–D1為鋅、水銀之熱分解揮發提煉。S3–D2為金、銀、銅之電解或置換法。S3–D3為鋁、鎂之熔解鹽電解法。以上利用燃料之燃燒或電熱在高溫狀態下進行者稱為乾式提煉(Pyrometallurgy Drysmelting) 。S3–D2在常溫附近以水溶液為媒體，進行還原或置換反應者，稱為濕式提煉(Hydrometallurgy Wetsmelting)，另外也有將利用電熱或電解為主之提煉稱為電解提煉(Electrometallurgy)。

16 銅金屬提煉 乾式 硫化礦 → 焙燒→ 還原冶煉→ 金屬 乾式 硫化礦→ 部份焙燒→ 半冶物冶煉→ 轉化 → 金屬
乾式 硫化礦 → 焙燒→ 還原冶煉→ 金屬 乾式　　　硫化礦→ 部份焙燒→ 半冶物冶煉→ 轉化　→ 金屬 濕式　　　硫化礦→ 　加壓浸漬→ 加壓氫氧還原　→ 金屬