材料工程基礎(chǔ)

1、第一篇 材料的制取與合成根據(jù)所需材料的性能、 結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行材料的提純凈化、 原料 (成分) .配制和合成或合金化的過程，是材料制備工程的首要環(huán)節(jié)。我們將金屬、陶瓷、高分子材料的制取合成方法統(tǒng)一來考慮，將共同之處歸于一起，完全不同的則單列，總結(jié)為三種不同的制備途徑。第一個(gè)途徑：通過原材料熔化精煉提純，冷凝成固體 (多晶、 單晶或非晶的結(jié)構(gòu))的途徑！常用于金.無機(jī)非金屬化合物半導(dǎo)體材料坯錠和玻璃制品的制備。第二個(gè)途徑：用多種方法制成備用的高純粉末(單相或合金、 化合物) 原料，使其進(jìn)一步加工固結(jié)成材的粉末冶金技術(shù)，這是傳統(tǒng)陶瓷、 現(xiàn)代精細(xì)陶瓷、以及高熔點(diǎn)金屬等材料的主要成材途徑。本篇討論了包括超

2、細(xì)粉末(納米粉)在內(nèi)的粉末性能、制取技術(shù)與表征方法，加工成形與固結(jié)在第二篇中介紹。第三個(gè)途徑：從石油！天然氣裂解產(chǎn)物中或煤炭等物質(zhì)中獲得化合物單體，將低分子的單體經(jīng)過聚合反應(yīng)合成為高分子聚合物，以塊體或粉體等形式存在。以上三途徑制備的材料，大多數(shù)均不是材料的最終產(chǎn)品，還待隨后的深加工成材(包含制品、器件等)。但玻璃材料有它的特殊性，從原材料配制、熔化，到熔體快冷成形為制品，必須一步完成。因而在本篇介紹了典型的非晶態(tài)玻璃材料從原料配制、熔化及熔體冷卻至制品或玻璃纖維的全過程。第一章 材料的熔煉 這是將原材料加熱到熔點(diǎn)以上，使其熔化為液態(tài)，再冷凝為固體的制取過程。通過原料熔化、精煉達(dá)到提純、合金化

3、的目的，以制備高質(zhì)量的錠坯，是金屬材料最常用的傳統(tǒng)方法。本章選擇了在國民經(jīng)濟(jì)中有重大作用，量大，應(yīng)用面廣，工藝典型的鋼鐵、 鋁、 銅三種金屬為代表一，討論了它們的冶金和鑄錠質(zhì)量控制過程.同時(shí)，介紹了現(xiàn)代的真空冶金方法。熔練生產(chǎn)的金屬錠，在自然冷卻速度下冷凝獲得的是多晶體材料。而通過控制溶液的溫度和冷卻速率，可獲得半導(dǎo)體和無機(jī)化合物單晶材料。己發(fā)展的熔體生長技術(shù)、和溶液生長技術(shù)已廣泛用于現(xiàn)代晶體生長。用熔體冷卻法可制備玻璃態(tài)物質(zhì)，即非晶態(tài)，這是目前工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)玻璃的方法。第一節(jié) 鋼 鐵 冶 金 鐵僅次于鋁，是地殼中存在的最常見的第二位金屬，它在地殼中的豐度大約為5%，存在于巖石、土壤、植物以

4、及人和動(dòng)物的血液內(nèi)。 除隕石外，純鐵在地殼中還未見到。鐵容易與其它元索化合，特別是與氧化合，因此鐵礦石多以氧化物形式存在。鐵礦石中除鐵的氧化物外還有其它元素的氧化物(sio2、mno2、al2o3等)，這些統(tǒng)稱為脈石。煉鐵的任務(wù)就是使鐵從鐵的氧化物中還原，并使還原出的鐵與脈石分離。 一、鋼鐵冶金過程的熱力學(xué) 鋼鐵冶金中的化學(xué)反應(yīng)是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但主要還是氧化物的還原反應(yīng)和元素的氧化反應(yīng)。煉鐵主要是還原過程，而煉鋼主要是氧化過程。各種氧化物的穩(wěn)定性，即其還原的難易程度，可以用氧化物的go-t圖進(jìn)行分析。氧化物的go-t圖如圈1-1所示。 圖1-1 氧化物的go-t圖 在go-t圖中位置低的氧化物較

5、位置高的氧化物穩(wěn)定，位置低的元素能還原位置高的元素。鋼鐵冶金中主要氧化物的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱的順序是：ca、mgo、al2o3、sio2、mno、feo、p2o5。 feo、p2o5最不穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中幾乎全部被還原；mno大部分被還原；sio2小部分被還原，al2o3、cao幾乎不被還原。 1.金屬還原劑 用位置低的元素還原位置高的氧化物時(shí)，兩者位置相距愈遠(yuǎn)愈好，因?yàn)榉磻?yīng)的go的負(fù)值愈大，反應(yīng)進(jìn)行得愈徹底。所以mn、si、al能還原feo。al還原feo最徹底，si次之，mn最弱。2.碳質(zhì)還原劑 圖1-1中絕大多數(shù)的直線傾斜向上，說明這些氧化物的穩(wěn)定性隨著溫度的升高而降低，但有一條直線的方向相

6、反，即 2c+o2=2co 的反應(yīng)，隨著溫度的升高，co 的穩(wěn)定性降低。 由于 co 線的斜率與其它氧化物的斜率相反，所以它與每條線都有交點(diǎn)，交點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是碳還原該氧化物的最低濕度，高于這個(gè)溫度，co 穩(wěn)定，所以碳可以作為該氧化物的還原劑；相反co則成為該元素的氧化劑?；蛘f低于交點(diǎn)溫度，該金屬元素先于碳氧化，高于交點(diǎn)溫度，碳先于該金屬元索氧化。只要溫度足夠高，co 幾乎能還原所有的元素。穩(wěn)定性高的氧化物需要更高的還原溫度。 在實(shí)際生產(chǎn)中，高爐的溫度能還原 mno、feo，而 al2o3、sio2 只能在電爐中得到還原。二、高爐煉鐵 從礦石中制取鐵的過程稱為煉鐵。進(jìn)行煉鐵的爐子叫高爐 (見圖

7、1-2)。從原料來說，除了鐵礦石外，還需要燃料和造渣用的熔劑。爐料（礦石、燃料和熔劑) 在爐內(nèi)經(jīng)過一定的物理化學(xué)變化后，所得的產(chǎn)品除生鐵外還有爐渣和煤氣。生鐵可送去煉鋼或澆鑄成件，爐渣可經(jīng)過處理作其它工業(yè)的原料。煤氣可作燃料而用于高爐本身和其它部門。 1.高爐原料（1）鐵礦石 鐵礦石的工業(yè)類型：鐵礦石是由一種或幾種含鐵礦物和脈石所組成。含鐵礦物是具有一定！化學(xué)成分和結(jié)晶構(gòu)造的化合物，脈石也是由各種礦物如石英、長石等組成并以化合物形態(tài)存在的。所以，鐵礦石實(shí)際是由各種化合物所組成的機(jī)械混合物。自然界含鐵礦物很多，而具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦床，一般認(rèn)為有四類：赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦，其基本特性列于表

8、1-1中。 表1-1 鐵 礦 物 類 型名稱 分子式 純礦含鐵量/% 實(shí)際含鐵量/% 顏色 特性 赤鐵礦石 fe2o3 70 3065 紅. 質(zhì)松易還原磁鐵礦石 fe3o4 72.4 4570 黑 有磁性， 質(zhì)硬較難還原褐鐵礦石 2fe2o33h2o 59.8 3755 黃褐 較易還原菱鐵礦石 feco3 48.3 3040 淡黃 較易還原 對鐵礦石的要求： a.含鐵量愈高愈好。鐵礦石中鐵的含量在很大的范圍內(nèi)(30%70%)變動(dòng)。按其鐵量可分為貧礦 w%(fe)45% 兩種。工業(yè)上使用的鐵礦石，富礦的含鐵量較多，雜質(zhì)較少，可直接進(jìn)行冶煉，因而其價(jià)值較高。貧礦在冶煉前需要進(jìn)行選礦，以提高萁含鐵量

9、，然后制成燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，才好進(jìn)行冶煉，因而其價(jià)值較低。 b.還原性要好。氣孔率是影響還原性最重要的因素，凡是氣孔率大的礦石(如褐鐵礦石的氣孔率可達(dá)40%80%)，或者氣孔呈開口狀多的，而且孔徑又較大的礦石，其還原性就好。 c.粒度。粒度直接影響還原的快慢，太大的粒度， 由于與還原氣體的接觸面較小。因而還原所需的時(shí)間長，所以礦石的粒度愈小愈好。但是也不能沒有限制， 因?yàn)樘〉牧６扔謺?huì)使高爐的透氣性變壞。 d.脈石成分。脈石的主要成分為酸性的 sio2 和a12o3，而cao和mgo含量很少。希望脈石中酸性氧化物少，堿性氧化物高，即要求堿性氧化物與酸性氧化物的比值要高，當(dāng)這一比值愈接近于1時(shí)，煉

10、鐵所需的熔劑就愈少。某些不需要熔劑的礦石，其比值在1以上。這種礦石叫自熔性礦石。自熔性礦石在自然界中是很少見的。 e.雜質(zhì)含量要少。鐵礦石中的有害雜質(zhì)主要有硫、磷、鉛、鋅、砷等，它們對鐵，而后對鋼的質(zhì)量有很不好的影響。所以對礦石中這些雜質(zhì)的含量一般作如下的規(guī)定： w%(s)0.15%, wt%(p)0.4%, wt%(as)o.1%, wt%(zn)o.1%。 此外，在礦石中也常含有某些有益的元素，如錳、鎳、鉻、釩、鈦等。由于它們的存在能改善鋼的性能，但在生鐵冶煉過程中，某些元素的含量過多，也會(huì)發(fā)生不好的作用。所以對這些元素的含量也要適當(dāng)控制。習(xí)慣上，當(dāng)wt%(mn)5%，wt%(ni)0.2

11、%，wt%(cr)0.6%，wt%(v 0.1%0.15%時(shí)，便視為復(fù)合鐵礦石。 另外，礦石還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，使它在高爐中不易被爐料壓碎，或被爐氣吹走。這些性質(zhì)都在不同程度上影響著高爐的產(chǎn)量、 焦比、 成本及其它技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為了保證高爐冶煉過程的順利進(jìn)行，礦石的這些性質(zhì)的穩(wěn)定是十分重要的。因?yàn)檫@些性質(zhì)的波動(dòng)，都會(huì)引起爐況的波動(dòng)。全國高爐會(huì)議規(guī)定，礦石在入爐前必須混勻，使含鐵量的波動(dòng)不超過+-10%。 冶煉前鐵礦石的處理：自然開采的礦石大小不均，或含脈石，或砂粒過多，必須經(jīng)過各種準(zhǔn)和處埋工作才能更經(jīng)濟(jì)、更合理地用于高爐生產(chǎn)。常用的方法有破碎篩分、選礦、燒結(jié)和造塊。 a.破碎和篩分。所有開采來

12、的大塊礦石，都要用各種破碎機(jī)進(jìn)行破碎，而后進(jìn)行篩分，并按其大小進(jìn)行分類。粒度小的富礦石，應(yīng)將其磨成粉料，燒結(jié)成塊然后再用。貧礦石要全部破碎并磨成粉料， 經(jīng)過選礦燒結(jié)后才能使用。 b.選礦。選礦指低品位礦石經(jīng)一定處理，將其中絕大部分脈石和無用的成分同礦石中的有用礦物分離出來，使鐵的品位提高到60%或更高。 現(xiàn)代煉鐵工業(yè)中，常采用兩種選礦方法：水選和磁選。水選基本是利用礦石中含鐵礦物和脈石比重不同的特點(diǎn)，用水將含鐵礦物和脈石分離開。磁迭用于磁鐵礦，利用磁力將含鐵礦物與脈石分離。 c.燒結(jié)和造塊。 燒結(jié)：把精礦、媒粉石灰粉及水混合起來，在專門的燒結(jié)機(jī)或燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。煤粉燃燒發(fā)生的熱量在10001

13、10o 溫度下，精礦中的部分脈石熔融，與石灰結(jié)合成硅酸鹽，將精礦粘合在一超，從而形成堅(jiān)固和疏松多孔的燒結(jié)礦。 造塊：球團(tuán)礦是一種人造球形塊礦。它是把加水濕潤的精礦或精礦和熔劑的混合物，在圓盤（或圓筒) 內(nèi)滾成直徑1030mn的球，經(jīng)過干燥焙燒而制成的。(2) 熔劑 熔劑的作用 a.降低脈石熔點(diǎn)。脈石和燃料中的灰分都含有一些熔點(diǎn)很高的化合物 (如 sic2熔點(diǎn)為1625 ，al2o3熔點(diǎn)為2050)，它們在高爐冶煉的溫度下，不能熔化成液體， 因而使它們不能很好地與金屬分離。加人熔劑后可生成低熔點(diǎn)的化合物，造成比重小于鐵的渣，從而使脈石與鐵相分離。b.去硫。燃料中的硫會(huì)溶人鐵中，影響鐵的質(zhì)量。利用

14、硫易與鈣相結(jié)合的特性，使其生成cas進(jìn)入渣中，從而將硫去除。 熔劑種類：根椐熔劑的性質(zhì)，可分為堿性熔劑和酸性熔劑。采用那一種熔劑要根據(jù)礦石中脈石和燃料中灰分的性質(zhì)來決定。由于自然界礦石中脈石大多數(shù)為酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用堿性熔劑石灰石， 酸性熔劑很少使用。(3) 燃料高爐冶煉主要是依靠燃料的燃燒而獲得熱量，同時(shí)燃料在燃燒過程中，還起著還原劑的作用。 用于高爐的燃料應(yīng)滿足以下幾條要求： 含碳量要高， 以保證它有高的發(fā)熱量和燃燒溫度。 有害雜質(zhì)硫、磷及水分、灰分、揮發(fā)分的含量要低，以保證生鐵的質(zhì)量，減少不必要的燃料消耗。 在常溫及高溫下有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 氣孔率耍大，粒度要均勻

15、， 以保證高爐有良好的透氣性。常用的燃料主要是焦炭。焦炭是高爐冶煉的主要燃料， 它是把煉焦的煤粉或幾種煤粉的混合物裝在煉焦?fàn)t內(nèi)，隔絕空氣加熱到10o0110o ，干餾后留下的多孔塊狀產(chǎn)物。它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，發(fā)熱量高，價(jià)廉；缺點(diǎn)是灰分較多 (冶金焦中含灰分7%15%，一般焦含灰分大予200)，雜質(zhì)硫、 磷的含量較多。對焦炭的一般要求列于表1-2 中。 表12 對焦炭的一般要求 成分wt/% 物理性能揮發(fā)物 硫 磷 水分 灰分 發(fā)熱量/jkg-1 抗壓強(qiáng)度/kgcm-2 氣孔率% 粒度(直徑)/mm1.5 0.51.o 0.05 26 713 25 08029 288 100 4980 25802

16、.高爐生產(chǎn) 高爐的結(jié)構(gòu)見圖1-2。進(jìn)人高爐的有鐵礦石、 焦炭、 熔劑等原料。熱空氣經(jīng)環(huán)風(fēng)管吹入高爐。焦炭既作為燃料又是還原劑，有一部分與鐵化合；石灰石與脈石反應(yīng)生成戚爐渣，并與礦石中的硫反應(yīng)，將其 (cas) 帶人渣內(nèi)。 高爐內(nèi)溫度分布如圖1-3所示。爐料由高爐頂部加人，爐頂溫度大約200 。在此溫度下，由焦炭燃燒生成的一氧化碳上升氣流與下降的爐料開始反應(yīng)，礦石的部分鐵被還原，同時(shí)部分一氧化碳生成二氧化碳及粉狀或煙狀游離碳。部分游離碳進(jìn)人礦石孔中，約在爐身中部，碳將爐內(nèi)殘存的氧化亞鐵還原成鐵，其余的碳被鐵溶解，使鐵的熔點(diǎn)降低，鐵由團(tuán)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d鐵。 在高溫下石灰石分解，生成的氧化鈣與酸性脈石形

17、成爐渣。 被還原的礦石逐漸降落， 溫度和一氧化碳的濃度不斷升高，加速反應(yīng)，將全部三氧化二鐵還原成氧化亞鐵。在風(fēng)口區(qū)，殘余的氧化亞鐵還原戚鐵，熔融的鐵和爐渣緩緩進(jìn)人爐缸。在此，較輕而又難熔的爐渣浮向熔體上表層，鐵液和爐渣分別排出。生鐵可澆鑄戚錠或直接送去煉鋼。3.高爐冶煉的理化過程 (1) 燃料的燃燒：當(dāng)紅熱的焦炭從上而下落到風(fēng)口附近時(shí)，與風(fēng)口吹入的熱空氣按下列反應(yīng)進(jìn)行燃燒： c + o2 co2 (放熱)產(chǎn)生16001750的高溫。 co2 氣體上升遇到赤熱的焦炭被還原成 co： co2 + c 2co (吸熱)co 的熱氣體上升與礦石接觸， 發(fā)生還原反應(yīng)。 (2) 鐵的還原：氧化鐵的還原可借

18、助co氣體及固體碳來還原，前者稱間接還原，后者稱為直接還原。 間接還原：間接還原在爐口附近開始，溫度250 -350，大約在950為止。間接還原是依次地將含氧較多的氧化物還原成含氧較少的氧化物(順序由高價(jià)氧化物還原成低價(jià)的氧化物)。其反應(yīng)如下： 3fe2o3 + co -2fe3o4 十 co2 2fe3o4 + 2co -6feo + 2co2 6feo + 6co 6fe + 6co2 直接還原：直接還原在950 以上，靠固體碳來進(jìn)行： feo+ c-fe+ co在這個(gè)反應(yīng)中， 因下列的反應(yīng)而得到的碳起了很大的作用： 2co-co2 十 c這種碳成煙狀進(jìn)入到礦石的孔隙里。 (3) 鐵的增碳

19、：從礦石還原出的鐵，是固態(tài)海棉狀的，含碳量極低。當(dāng)其下落時(shí)，吸收一部分碳，進(jìn)人爐缸后，還會(huì)與焦炭接觸，進(jìn)一步增碳，事實(shí)上鐵被碳所飽和。 生鐵最后的含碳量決定予其它元素的含量。mn、 cr、v、 ti等元素能與碳形成碳化物而溶于生鐵中，因而提高了生鐵的含碳量如wt%(mn)=80%的錳鐵，其含碳量不低于7%，而si、 p、 s等元素能與鐵生成化合物，減少了溶解碳的鐵，因而使生鐵的總含碳量減少 (如鑄錠生鐵有較高的硅量， 所以含碳不高于 3.75%)。 (4) 其它元素的還原 錳的還原：高爐中的錳是由礦石帶進(jìn)的，它以 mno2 形態(tài)存在，錳的還原過程也是順序由價(jià)還原成低價(jià)的，最后還原成金屬錳。在

20、700 左右高價(jià)錳被還原成mno。在110o 以上 mno才能被固體碳還原： mno + c mn + co 在一般高爐冶煉中，只有 40%80%的錳被還原，并溶于鐵中，其余的或被燒損或進(jìn)入爐渣與 sio2 形成 mnsio3. 提高溫度和提高渣的堿度可以將渣中的錳從 mnsio3 中還原出來： mnsio3 + cao mno + casio3 mno + c mn + co mnsio3 + cao + c mn + casio3+ co 硅的還原：硅是以 sio2 的形式存在于脈石中，在1100 以上的溫度被固體碳還原： sio2 + 2c si + 2co 磷的還原： 磷是以 ca(p

21、o4)2的形式存在于礦石中，在1200150o 可被固態(tài)碳還原： ca3(po4 )2 + 5c - 3cao + 2p + 3co在有sio2時(shí)，置換出磷酸酐： 2ca3(po4)2 + 3sio2 3ca2sio4 + 2p2o5p2o5易揮發(fā)， 變?yōu)闅怏w與碳接觸被還原： p2o5 + c- 4p + l0 co 還原出的磷與鐵結(jié)合形成 fe2p 或 fe3p，溶于軼中。實(shí)踐證明， 高爐還原磷的條件是很有利的，爐料的磷可以全部進(jìn)入鐵中。 (5)去硫：生鐵中的硫以硫化鐵 (fes) 的形式存在，降低了生鐵的質(zhì)量。為了限制生鐵中的含硫量，可在爐料中加人石灰石使其發(fā)生下列反應(yīng)： fes + ca

22、 - cas 十 feo生成的cas進(jìn)人爐渣， 因此爐渣中過量的cao ， 能去除較多的硫。 (6) 造渣：造渣是礦石中的廢料、 燃料中的灰分與熔劑的熔合過程，熔合后的產(chǎn)物就是渣。高爐爐渣主要由 sio2、 a12o3 和 cao組成，并含有少量的mno、feo和 cas等。爐渣不與熔融的金屬液互溶，又比熔融的金屬液輕， 因此它浮在熔體的上面。 根據(jù)添加劑的種類不同，爐渣可分為酸性渣、 堿性渣和中性渣。爐渣具有重要作用，它通過熔化各種氧化物控制金屬的成分，浮在金屬液表面的爐渣能保護(hù)金屬，防止金屬被過分氧化，防止熱量損失，起到絕熱作用，保證金屬不致過熱。4.高爐產(chǎn)品(1) 生鐵：生鐵是fe、 c

23、、 si、 mn、p、 s等元素組成的合金，其中wt(c)%。鑄造生鐵：特點(diǎn)是含硅較多，其中的碳以游離的石墨形式存在，斷面呈灰色， 故又稱灰口生鐵，它是幬造車間的原料。煉鋼生鐵：碳以fe3c形式存在，斷面呈銀白色，故又稱白口生鐵。它是作為煉鋼的原料。特種生鎂：包括高錳、 高硅生鐵，在煉鋼時(shí)作為脫氧劑或用來作為煉制合金鋼時(shí)的附加材料。(2) 高爐煤氣：在高爐煤中含有co、 co2、 ch4、h2 和n2，可作為工業(yè)上的燃料，經(jīng)除塵后可用來加熱熱風(fēng)爐、煉焦?fàn)t、平爐和日常生活需要。(3) 爐渣：爐渣可用來制造水泥、 造磚或鋪路。5. 高妒冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 高爐冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是用高爐利用系數(shù)，n

24、(tm-3d-1)、冶煉強(qiáng)度 i (tm-3d-1) 和焦比 k 來表示的: n = p/vu ; i = q/vu; k = q/p式中 : p 每爐每晝夜產(chǎn)鐵量； vu 有效容積； q 晝夜裝入的焦炭量。三、 直接還原和熔融還原鐵 高爐煉鐵投資大、流程長、能耗高。全世界煉焦煤僅占煤總儲(chǔ)量的100%左右，隨著逐年大量開采，儲(chǔ)量銳減，價(jià)格上漲，國外大部分焦?fàn)t已接近壽終。高爐煉鐵排放co2、so2、co、hf量的限制日益嚴(yán)格。近年來，人們致力于開發(fā)用煙煤或天然氣作還原劑，不用焦炭，不用龐大的高爐。采用直接還原或熔融還原生產(chǎn)的鐵，供超高功率電爐煉鋼，經(jīng)二次精煉、連鑄連軋，形成最佳短流程。 1.直接

25、還原 將鐵礦石在固態(tài)還原成海綿鐵，這種煉鐵方法稱為直接還原，所得產(chǎn)品稱直接還原鐵dri (direct reduction iron)。 1975 年， 全世界 dri海綿鐵年產(chǎn)量 269*10 4 t， 1985 年達(dá)到 1116104t； 1995年增至3075104t，開工率66%， 比1994年增長12.31%，20年增長10.4倍，在冶金史上實(shí)屬罕見。 (1) 煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原：用煤作還原劑，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)反應(yīng)溫度1100 ，礦石 （fe2o3)在固態(tài)保特原形下還原： fe2o3 + 3co 2fe + 3c2還原使礦石內(nèi)部失氧，出現(xiàn)許多微孔，稱海綿鐵。 煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原流程見圖1-4

26、。煤基回轉(zhuǎn)窖直接還原由配料倉、還原窯、 冷卻筒、產(chǎn)品分篩、 電除塵幾個(gè)部分組戚。鐵礦石、 煤、 熔劑 (白云石或石灰石) 經(jīng)配料倉計(jì)量加人回轉(zhuǎn)窯尾，在1100 溫度下，物料旋轉(zhuǎn)并向窯頭轉(zhuǎn)移，經(jīng)8l0 h完成還原反應(yīng)，再送往冷卻筒冷卻至100 以下，最后經(jīng)篩分磁選分離，去除剩余碳和殘?jiān)?，得到純凈?dri。 圖1-4 煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原流程圖 （2) 氣基豎爐直接還原：氣基(midrex)法工藝流程見圖1-5，由供料系統(tǒng)、還原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組威。鐵礦石經(jīng)計(jì)量后從爐頂布人爐內(nèi)。經(jīng)過預(yù)熱，在還原區(qū)與工藝燃料天然氣反應(yīng)，約6 h 即完成冶煉，再由冷空氣直接冷至10o 以下，最后產(chǎn)品由爐底

27、排出。冶煉產(chǎn)生廢氣仍含co+h2 約 70%，通過重整爐，加入補(bǔ)充天然氣裂化處理，使氣體中 h2 + co濃度上升到90%95%，溫度為 900 ，重新進(jìn)人豎爐循環(huán)使用。其反應(yīng)式為： ch4 + h2o co + 3h2 + (天然氣裂化反應(yīng)) fe2o3 + 3h2 2fe + 3h2o fe2o3 + 300 2fe + 3co2 直接還原是固態(tài)反應(yīng)，不能使鐵與渣分離，故直接還原鐵內(nèi)含有一定數(shù)量的脈石。 圖l-5 氣基 (midrex) 法工藝流程圖 2. 熔融還原. 熔融還原 (smelting reduction) 用鐵礦石和普通煙煤作原料， 經(jīng)流化床直接生產(chǎn)鐵水，能使鐵與渣分離。熔融

28、還原工藝流程圖1-6。礦石加入還原豎爐被還原，豎爐內(nèi)鐵礦石還原率達(dá)90%，成海綿鐵，經(jīng)螺旋給料機(jī)落入熔融汽化爐。在汽化爐的流化床中，海綿鐵粒進(jìn)一步加熱熔化，在熔融汽化爐底部形成鐵水及爐渣熔池，鐵水溫度達(dá)1450，鐵水與爐渣每隔3 h排放一次。 四、 煉鋼 煉鋼過程的基本任務(wù)就是將生鐵的碳、 硅、 錳氧化，煉到規(guī)格范圍內(nèi)，將有害元素硫、 磷含量降到規(guī)格范圍之下。煉鋼方法有轉(zhuǎn)爐煉銅法、 平爐煉鋼法 和電爐煉鋼法。1.煉鋼過裎的物理化學(xué)原理 （1) 脫碳：脫碳反應(yīng)是煉鋼的最主要反應(yīng)。碳的氧化通過兩種方式進(jìn)行，一種方式是碳被氧氣直接氧化： 2c + o2 2co 另一種方式是間接氧化：鐵先氧化生成氧化

29、亞鐵， 而后氧化亞鐵氧化碳： 2fe + o2 2feo c十 feo fe+ co碳的氧化需要吸收大量的熱，所以必須 在較高的溫度下進(jìn)行。圖1-7表示碳的氧化反應(yīng)和鐵的氧化反應(yīng)的生成自 由能。由圖可見，在低溫時(shí)，鐵氧親和力大于碳氧親和力，所以碳被氧化少，鐵被氧化多。當(dāng)溫度超過一定的范圍后，碳氧親和力大于鐵氧親和力，碳被氧化多， 鐵鈹氧化少。圖1-7 碳的氧化反應(yīng)和鐵的氧化反 脫碳產(chǎn)生的co氣泡有助于銅液的攪動(dòng)“沸騰”，使成分均勻化，并能有效清除鋼液的氣體和非金屬夾澶 。 (2) 硅、 錳的氧化：同樣有直接氧化反應(yīng)： si+o2 si02 2mn + o2 2mno和間接氧化，但主要是間接反應(yīng)

30、： si + 2feo - sio2 + 2fe mn + feo mno + fe以上反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，所以在低溫時(shí)就可迸行。實(shí)際上，在爐料熔化后，鋼掖的含硅量和舍錳量已經(jīng)很少了。sio2 和 feo反應(yīng)， mno與 sio2 反應(yīng)， 形成爐渣： sio2 + 2feo 2feosio2 sio2 + 2mno 2mnosio2 (3) 脫磷：磷在鋼中是以磷化鐵 （fe2p) 形態(tài)存在的，在煉鋼過程中，與爐渣的feo和 cao 相化合生成磷酸鈣： . fe2p + 5feo + 4cao (cao)4pn2o5 + 9fe 這個(gè)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以低溫脫磷是有利的。很據(jù)質(zhì)量作用定律，對于一個(gè)

31、反應(yīng)，反應(yīng)物的濃度高和反應(yīng)生成物的濃度低時(shí)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。所以高堿度和強(qiáng)氧化性的爐渣也是脫磷的重要條件；這也是酸性爐內(nèi)去磷困難的原囡。cao 的數(shù)量應(yīng)保證既能把渣中的sio2 結(jié)合成 2caosio2后， 還有足夠的量把全部磷結(jié)合成 (cao）4p2o5o 考慮到高爐煉鐵時(shí)，幾乎百分之百的磷都還原進(jìn)人生鐵中，煉鋼中的脫磷是很重要的。(4)脫硫：硫是以fes形式存在。當(dāng)渣中有足夠的cao時(shí)： fes+ cao feo+ cas 生成的cas不溶于鋼液，形成渣相浮在鋼液表面。值得注意的是，上面的反應(yīng)是可逆的，當(dāng)渣中feo過量時(shí)，反應(yīng)向左進(jìn)行，使硫重新回到鋼液中。為克服這一問題，可以在渣中加人碳

32、，反應(yīng)就不同了，反應(yīng)產(chǎn)物沒有feo： fes+ cao+ c-fe+ (：as十 co （5) 脫氧：脫氧是用脫氧劑除去鋼液中殘留的氧化亞鐵中的氧，還原出鐵，脫氧劑則被氧化，脫氧產(chǎn)物聚集上浮到鋼液表面。凡是對氧的親和力大于鐵氧親和力的元素都能脫氧，通常采用的脫氧劑有：錳鐵、 硅鐵和鋁等。脫氧過程可以用下述反應(yīng)表示： me + fec - meo + fe 式中的 me表示脫氧元素， 當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，鋼中氧化亞鐵的含量和脫氧元素量存在下述關(guān)系： mefeo = k式中的 k為平衡常數(shù)，在一定溫度時(shí)為常數(shù)。所以鋼液中的脫氧元素的殘留量和氧化亞鐵殘留量成反比。 脫氧方法分為沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧兩種方

33、法。沉淀脫氧法是將脫氧劑宣接加人到鋼液中，使脫氧劑直接與鋼液的氧化亞鐵反應(yīng)進(jìn)行脫氧。 優(yōu)點(diǎn)是速度快，缺點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物 mno、sio2、al2o3，容易留在鋼液中。 擴(kuò)散脫氧是將脫氧劑加在爐渣中，使脫氧劑和爐渣的氧化亞鐵反應(yīng)。按照分配定律，在一定的溫度下，feo在爐渣中和鋼液中的濃度之比是一常數(shù)。當(dāng)爐渣的氧化亞鐵減少后，鋼液的氧化亞鐵向渣中擴(kuò)散，達(dá)到間接脫氧的效果。缺點(diǎn)是速度慢，但是鋼液干凈。 可以采用沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧相結(jié)合的方法，即用錳鐵進(jìn)行沉淀預(yù)脫氧，再用碳粉和硅鐵進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，最后用鋁進(jìn)行沉淀脫氧。這樣既保證質(zhì)量，又縮短脫氯時(shí)閭。 碳脫氧： feo+ c fe+ co 上式反應(yīng)能在鋼中進(jìn)

34、行， 但通常是擴(kuò)散脫氧時(shí)在渣中進(jìn)行的主要反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是氣體co， 因此用碳脫氧，鋼液不會(huì)被非金屬夾雜弄臟，這一點(diǎn)對冶煉高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼是很重要的。 碳具有相當(dāng)強(qiáng)的脫氧能力，但不能只用碳脫氧。在1600 oc時(shí)，與0.3% c 相平衡的氧含量是 0.007% ， 而這樣的氧含量在鋼錠冷卻過程中會(huì)再次發(fā)生碳氧反應(yīng)， 使鋼錠產(chǎn)生氣孔、 疏松等缺陷。此外，碳脫氧時(shí)，由于feo自鋼液向渣擴(kuò)散，脫氧速度慢，時(shí)間長。在這期間容易引起增碳，其速度為每小時(shí) 0.02% o.ro%。所以對一些碳規(guī)定范圍很窄或含碳量很低的鋼種就有因難。錳脫氧：錳是一種弱脫氧劑，其脫氧反應(yīng)為： mn + 2feomno + fe 所有的

35、鋼都加入錳，反應(yīng)產(chǎn)物 mno不溶于鋼液，所以它是把氧由鋼液向渣中輸送。mno還與 si02、 feo 結(jié)合形成低熔點(diǎn)化合物，便于上浮。而且在凝固過程中錳和硫形成硫化錳，硫化錳比硫化鐵的熔點(diǎn)高得多， 因而降低了鋼中元素硫的有害作用。硅脫氧： 硅是強(qiáng)脫氧劑， 它的脫氧產(chǎn)物是固體的 sio2： si+ 2feo sio2 + 2fe 硅的脫氧能力與溫度及煉鋼方法和脫氧制度有關(guān)。 因上面的反應(yīng)是放熱反應(yīng)， 所以溫度低有利于硅的脫氧。堿性法中硅的脫氧能力比酸性法的強(qiáng)， 因?yàn)槊撗跎傻?sio2 與堿性氧化物作用生成穩(wěn)定的復(fù)合氧化物，減少了自由 sio2 的數(shù)量。當(dāng)先用錳進(jìn)行預(yù)脫氧時(shí)， 由于先生成的mno

36、與sio2 的結(jié)含，也減少了自由 si02 的數(shù)量，使平衡向右移動(dòng)，增加了硅的脫氧能力。 鋁脫氧：鋁是很強(qiáng)的脫氧劑，其脫氧反應(yīng)為： 2al + 3feo al2o3 + 3fe 生成的三氧化二鋁熔點(diǎn)高，顆粒很細(xì)，像霧一樣分散在鋼液中，很難上浮。因此在用鋁脫氧前必須先經(jīng)過充分的預(yù)脫氧，使鋼液中的含氧量達(dá)到很低數(shù)值時(shí)，才能用鋁進(jìn)行終脫氧。 其它的脫氧劑還有硼(b) 、鈦ti)和鈣(ca)等，這些元索都是強(qiáng)脫氧劑，用于終脫氧。 2. 轉(zhuǎn)爐煉鋼 轉(zhuǎn)爐煉鋼法最早投入大工業(yè)生產(chǎn)，使鋼取代鐵，成為工業(yè)中最重要的金屬。轉(zhuǎn)爐按爐襯材料的性質(zhì)可分為酸性和堿性，后者不能降低硫和磷的含量， 囡此不適應(yīng)精煉含磷高的生鐵

37、。轉(zhuǎn)爐煉鋼法利用空氣或氧氣進(jìn)行氧化，可采用底吹、頂吹和側(cè)吹。圈1-8分別為三種爐體。下面僅就氧氣頂吹煉鋼進(jìn)行說明：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的流程如圖1-9所示。由高爐送來的鐵水包澆入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，在鐵水不足時(shí)可加1o%以下的冷鐵錠。廢鋼作為冷卻劑，以調(diào)節(jié)鋼水溫度，同時(shí)也是一種金屬料。鐵皮和礦石可增加渣中的 feo量，有利亍造渣。石灰石、螢石為造渣材料。鐵合金作為脫氧劑和合金化材料。氧氣是氧化反應(yīng)的最主要材料，要求氧化純度不小于99.5%。操作過程： 首先將爐子傾斜裝人石灰石和熔劑，加入廢鋼后對入鐵水。石灰石裝入量取決于生鐵的含硅量，保證m(cao)：n(sio2)=3：1。當(dāng)對入鐵水后， 隨即垂直地插人水冷噴嘴

38、，與熔融金屬表面相距一個(gè)預(yù)定的高度。噴槍頂端以 689.4711034.21kpa 的壓力對準(zhǔn)熔體表面垂直噴射高純氧。首先反應(yīng)形成氧化亞鐵， 其中一部分進(jìn)入爐渣，其余部分進(jìn)入熔體擴(kuò)散，脫碳產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，造成熔體猛烈沸騰，加速氧化反應(yīng)。吹煉開始時(shí)出現(xiàn)黃褐色，過24min火焰伸出爐口，呈暗紅色， 以后隨著液體溫度的升高，火焰長而明亮，這樣一直到碳氧化終了，火焰明顯減小，液面平靜，標(biāo)志脫碳氧化反應(yīng)基本結(jié)束。 3.電爐煉鋼 (1) 電弧爐煉鋼：電弧爐煉銅是依靠電極把電流引入熔煉室，在電極和金屬爐料之間產(chǎn)生電弧使?fàn)t料熔化。見圖1-l0。裝料后通電起弧， 過 5lo min， 電極下降插人爐料，

39、 電極埋沒在爐料中。隨著爐料的不斷熔化，熔池面上升， 電極相應(yīng)慢性上抬，到電極重新暴露時(shí)，爐料己大部分熔化了。 熔化期：熔化開始后，金屬液體與爐氣直接接觸，首先產(chǎn)生大量的feo。等到爐渣覆蓋液面后，直接氧化因難。此后爐氣將渣表面的 feo 氧化成 fe3o4 和 fe2o3， 而在渣液界面 fe3o4 和 fe2o3 又被鐵還原： fe2o3 + fe 3feo fe3o4 + fe 4feo生成的feo一部分?jǐn)U散到爐渣表面，重新被氧化，一部分按照分配定律進(jìn)入鋼液，硅、 錳和磷在較低溫度下氧化并同氧化鈣形成爐渣。上述氧化反應(yīng)放出大量的熱使?fàn)t溫上升(1590 )，加速碳的氧化，進(jìn)人氧化期。 氧化

40、期：鋼液脫氧的基本反應(yīng)為： c十 oco產(chǎn)生的co氣體，形成的氣泡沒有氫和氮， 即 co氣泡對于氫和氤來說是真空，于是氫和氮就要向co氣泡擴(kuò)散，在co氣泡表面，原子狀態(tài)的h、 n結(jié)合成氫氣和氮?dú)夥肿舆M(jìn)人到co氣泡中，隨著co氣泡上浮，不斷吸收鋼液中的氫和氮，一直到跟隨著co氣體逸出熔池為止。所以在脫碳的同時(shí)，減少了鋼液的含氣量。當(dāng)鋼液脫碳量在0.2%-0.3%時(shí)，鋼的含氫量能降低到很低的數(shù)值。 氧化期的另一個(gè)重要任務(wù)是脫磷?？刂圃?feo和 cao 的濃度，使氧化的磷形成穩(wěn)定的 4caop2o5 渣， 并及時(shí)扒渣。 還原期：還原期的任務(wù)是脫氧、 脫硫與調(diào)整溫度和成分。扒除氧化渣后加人錳鐵進(jìn)行

41、預(yù)脫氧。加人生石灰，螢石和碳粉。在還原過程中，碳脫氧，石灰脫硫： feo+ cfe十 co fes + cao cas 十 feo生成 cas進(jìn)人渣中。 電弧爐開始是采用直流發(fā)電機(jī)組， 19 世紀(jì)末三相交流電弧爐問世，交流電弧爐占?jí)旱箖?yōu)勢。20世紀(jì)60年代，超高功率交流電弧爐廣為應(yīng)用。但交流電弧爐功率的提高帶來電弧穩(wěn)定性差，對電網(wǎng)沖擊大，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音污染，所以直流電弧爐重新獲得發(fā)晨。(2) 感應(yīng)電爐：感應(yīng)電爐 (圖1-11) 是在螺旋形的感應(yīng)線圈中輸入交流電，使置于坩鍋中的爐料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生熱，熔化金屬料由于熱量是爐內(nèi)產(chǎn)生的，熱傳導(dǎo)損失少，所以熱效率高；但爐渣溫度低，不利于充分發(fā)揮

42、爐渣的作用。又因?yàn)楦袘?yīng)線圈的電流方向與鋼液申的感應(yīng)電流方向相反， 由于電磁力的作用，使得感應(yīng)線圈和鋼液之間互相排斥， 這樣就使得鋼液中心部位溫度上升，產(chǎn)生 “駝峰”現(xiàn)象。這有利于鋼液溫度和化學(xué)成分均勻，但是不利于爐渣對鋼液的覆蓋。 4.平爐煉鋼 平爐的特點(diǎn)是容量大。我國多是30320t 的堿性平爐，最大為 50ot。 目前氧氣頂吹煉鋼大有取代平爐煉鋼的趨勢。但是平爐本身也在發(fā)展， 例如以純氧代替鐵礦石來強(qiáng)化平爐煉鋼就取得可觀的效果。 平爐結(jié)構(gòu)見圖1-12。它左右對稱， 吸人冷空氣經(jīng)右蓄熱室，被加熱進(jìn)人熔體上方，燃燒后經(jīng)左蓄熱室，加熱后由煙道排出，定期轉(zhuǎn)換控制閥門，這里的蓄熱室起著熱交換器的作用

43、。 圖1-12 平爐及蓄熱室剖視圖 五、 連續(xù)鑄造 1.鋼鐵的連續(xù)鑄造 連續(xù)澆注最早由亨利貝塞麥提出，并于1846 年開始試驗(yàn)， 但是直到 1937年才實(shí)現(xiàn)了鋼合金的連鑄，1937年實(shí)現(xiàn)鋁合金的連鑄， 1950年制出鋼液的連鑄機(jī)。 連鑄技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用是鋼鐵冶金工業(yè)的一次技術(shù)革命， 它不僅大大提高了生產(chǎn)率，減少了材料消耗，并且提高了材料的質(zhì)量。此后還出現(xiàn)了連鑄連軋o.c.c技術(shù)。 連續(xù)鑄造過程凝固區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1-13。鋼水連續(xù)澆入水冷的結(jié)晶器中，并沿著結(jié)晶器周邊迅速形成凝固層，用機(jī)械的方法從結(jié)晶器下方拉出。利用凝固殼層的強(qiáng)度維持鋼錠的外部形態(tài)，進(jìn)而通過向鋼錠表面噴水進(jìn)行二次冷卻，使鋼錠在

44、鑄型外完成凝固過程。 連鑄鋼錠的凝固過程和組織如圖1-14，它是由激冷層的等軸晶、 定向凝固形成的柱狀晶和中心的粗等軸晶組成。 當(dāng)鋼液中存在大量異質(zhì)晶核時(shí)， 或澆注過程的沖擊液流可能引起大量枝晶破碎和游離時(shí)，都能促進(jìn)申心部位的等軸晶形核。 一 在等軸晶凝固條件下補(bǔ)縮困難，因而需要采取軋制變形等措施提高凝固組織的密度。 在柱狀晶接合處往往發(fā)生溶質(zhì)的富集，形成中心偏析。 2. o.c.c.連鑄技術(shù) o.c.c.連鑄技術(shù). 是日本人大野篤美 (ohno a.)根據(jù)自己的名字命名的。它與傳統(tǒng)連續(xù)儔造工藝的區(qū)別（圖1-15) 在于其鑄型是加熱的，而不是冷卻的。所以鑄.型不起結(jié)晶器的作用， 相反鑄型溫度高

45、于合金液的溫度，凝固過程的熱量是通過固相導(dǎo)出的。通過加熱鑄型和對固相的強(qiáng)制冷卻，維持很強(qiáng)的軸向?qū)幔⒈ＷC固液界面凸向液相，這一凝固界面有利于獲得定向或單晶凝固組織。而單晶材料具有高的導(dǎo)電性，是生產(chǎn)高保真電纜的優(yōu)質(zhì)樹料。 o.c.c.技術(shù)的發(fā)展雖然只有十多年的時(shí)間，但發(fā)展速度很快，在日本已經(jīng)投人小批量的工業(yè)生產(chǎn)。在加拿大、 美國、 韓國及我國臺(tái)灣等國家和地區(qū)也都開展了這一技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究。 3.鋼錠的液芯軋制 鋼錠往往還需要進(jìn)行后續(xù)的軋制過程獲得板材、線材等。軋制前鋼錠要重新加熱，而且鑄錠的缺陷將對最終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。 因此在鑄錠冷卻凝因前直接進(jìn)行軋制， 即熱軋拔術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)

46、。簿板熱連軋鑄造披術(shù)與傳統(tǒng)連鑄技術(shù)的比較見圖 1-16。傳統(tǒng)的連鑄技術(shù)鋼錠在凝固過程中不發(fā)生塑性變形；圖中（c) 所示為液芯軋制技術(shù)，軋制過程在鋼錠凝固尚未完全結(jié)束，芯部仍處于液態(tài)的條件下進(jìn)行的。這種液態(tài)軋制技術(shù)可大幅度節(jié)約能源，并且顯著提高鋼錠的質(zhì)量。鋼錠帶液芯的軋制使得處于半固態(tài)的合金在反復(fù)擠壓過程中發(fā)生技晶破碎，抑制柱狀晶的生長，從而有利于獲得細(xì)等軸晶；縮松、 縮孔和一些裂紋也能在高溫軋制過程中焊合，抑制宏觀偏析。4.簿板連鑄連軋技術(shù)連鑄連軋是直接用冷卻的軋輥代替結(jié)晶器，液態(tài)合金在軋制壓力下進(jìn)行凝固。凝固在有塑性變形的條件下快速發(fā)生，有利于晶粒細(xì)化，并能更有效地防止偏析、 縮松、 縮孔等

47、凝固缺陷。圖1-17是雙帶激冷連續(xù)鑄造技術(shù)的工作原理圖。合金液被夾在兩個(gè)水冷的運(yùn)動(dòng)金屬帶之間激冷并凝固。帶的兩側(cè)由與金屬帶同步運(yùn)動(dòng)的金屬塊限制鑄錠的寬度。在激冷金屬帶的背面還有多個(gè)軋輥支撐。 第二節(jié) 鋁冶金與熔煉 一、 鋁的性質(zhì)和用途 1.物理性質(zhì) 鋁是一種銀白色的金屬。純度99.99%的精鋁，20時(shí)密度2.698 9 g/cm3，液態(tài)時(shí)(70o ) 密度2.38g/cm3，熔點(diǎn)660.37，沸點(diǎn)2467。在室溫下鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大約是銅的1.5倍，鋁線的導(dǎo)電系數(shù)大約是銅線的60%。 鋁具有良好的延性和展性，可以拉拔成鋁線，壓延成鋁板和鋁箔。 2.化學(xué)性質(zhì) 鋁的化學(xué)活性很強(qiáng)，具有與氧強(qiáng)烈反應(yīng)的傾向

48、，在空氣中鋁的表面生成一層連續(xù)而致密的氧化鋁薄膜，其厚度約為 2x1o-5 cm，這層薄膜能起到使鋁不再繼續(xù)氧化的保護(hù)作用，這就是鋁具有良好抗腐蝕性能的原因。鋁可溶于鹽酸、硫酸和堿溶液，但對冷硝酸和有機(jī)酸在化學(xué)上是穩(wěn)定的。熱硝酸與鋁發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。鋁與鹵族元素、硫、碳都能化合，生成相應(yīng)的化合物鹵化物 (如 alcl3、 alf3)、硫化物(al2s3)和碳化物 (al4c3)。此外，鋁屬非磁性材料，碰撞時(shí)不產(chǎn)生火花。 3.用途 由于鋁具有密度小、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、抗蝕性良好等突出優(yōu)點(diǎn)，又能與許多金屬形成優(yōu)質(zhì)鋁基輕合金，所以鋁在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用極為廣泛。鋁的應(yīng)用主要有兩種形式：純鋁和鋁合金。 純鋁

49、在電氣工業(yè)上用作高壓輸電線、 電纜殼、 導(dǎo)電板以及各種電工制品。鋁合金在交通運(yùn)輸以及軍事工業(yè)上用作汽車、 裝甲車、 坦克、 飛機(jī)以及艦艇的部件。此外，鋁合金還用于建筑工業(yè)作門窗構(gòu)架等。輕工業(yè)中用純鋁和鋁合金作包裝品、生活用品和家具。二、 煉鋁原料和鋁冶金特點(diǎn)1.煉鋁原料 鋁在地殼中的含量約為8.8%，僅次于氧、硅，居第三位。地殼中的含鋁礦物約為250多種，但具有工業(yè)開采價(jià)值的只有幾種，其中最主要的礦石資源就是鋁土礦，世界上 95%以上的氧化鋁是用鋁土礦生產(chǎn)的。 鋁土礦中主要含鋁礦物為三水鋁石(a12o33h2o)、一水軟鋁石和一水硬鋁石， 后兩種分子式都是 a12o3h2o， 因此按礦物的存在

50、形態(tài)不同，鋁士礦可分為三水鋁石型、 一水軟鋁石型、 一水硬鋁石型和混含型等多種類型。鋁土礦的主要化學(xué)成分為 al2o3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為40%70%，另外還含有 sio2、fe2o3、 tio2和少量的cao、 mgo，及微量的ga、 v、 p、 cr等元素。衡量鋁土礦的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是鋁硅比即礦石中w(a12o3)與 w(sio2)的比，目前工業(yè)生產(chǎn)上要求鋁土礦的鋁硅比不低于 33.5。鋁土礦的化學(xué)成分見表1- 3： 表1-s 鋁土礦化學(xué)成分 . 成 分 79/%編號(hào) 礦物類型 鋁硅比 al2o3 sio2 fe2o3 tio2 灼堿i 一水硬鋁石 64.3 14.2 4.0 3.0 13.5 4.5ii 一水軟鋁石 63.8 11.2 1.5 3.5 14.0 6.2iii 三水鋁石 61.0 2.0 2.5 3