金屬材料的制備冶金

1、第一章 金屬材料的制備冶金一本章內(nèi)容及要求1. 本章共三節(jié)，教授課時(shí)2學(xué)時(shí)，通過本章學(xué)習(xí)，要掌握金屬材料的三種冶金方法的工藝過程、特點(diǎn)及應(yīng)用。1.1 冶金工藝 1.2 鋼鐵冶金 1.3 有色金屬冶煉2. 重點(diǎn)是生鐵冶煉的過程（包括冶煉的方法，使用的原料及各自的作用，主要裝置，以及主要的物理化學(xué)過程）和煉鋼的基本過程（元素的氧化，脫硫，脫磷，脫氧，合金化）。3. 難點(diǎn)：生鐵冶煉過程中高爐中發(fā)生的物理化學(xué)變化。 4. 要求： 掌握常用的冶金方法，以及各自的特點(diǎn)； 掌握生鐵冶煉的過程； 掌握煉鋼的基本過程； 了解銅的冶煉工藝過程； 了解金屬鋁電冶金的原因和工藝過程。具體內(nèi)容第一節(jié) 冶金工藝冶金冶金的

2、定義：關(guān)于礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用和金屬材料生產(chǎn)加工過程的工程技術(shù)。冶金的原因和目的：地球上已發(fā)現(xiàn)86種金屬元素，除金、銀、鉑等金屬元素能以自然狀態(tài)存在外，其他絕大多數(shù)金屬元素都以氧化物（例如Fe2O3）、硫化物（例如CuS）、砷化物（例如NiAs）、碳酸鹽（例如FeCO3）、硅酸鹽（例如CuSiO3·2H2O）、硫酸鹽（例如CuSO4·5H2O）等形態(tài)存在于各類礦物中。因此，要獲得各種金屬及其合金材料，必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中提取出來，接著對粗煉金屬產(chǎn)品進(jìn)行精煉提純和合金化處理，然后澆注成錠，軋制成材，才能得到所需成分、結(jié)構(gòu)、性能和規(guī)格的金屬材料。冶金的方法冶金工

3、藝可以分為火法冶金、濕法冶金和電冶金三大類。火法冶金濕法冶金電冶金特點(diǎn)利用高溫溶液化學(xué)作用電能優(yōu)點(diǎn)成本低適用范圍廣處理低品位的礦石，環(huán)境保護(hù)，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化與氧結(jié)合緊密的金屬，環(huán)保缺點(diǎn)環(huán)境污染溶劑受限合適的電解液，有的需要大型儀器主要反應(yīng)還原，氧化氧化、還原、中和、水解及絡(luò)合氧化還原，電解用途鋼鐵及大多數(shù)有色金屬有色金屬、稀有金屬及貴金屬，氧化鋁、氧化鈾鐵合金，廢鋼，貴金屬.1火法冶金火法冶金：利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。特點(diǎn)：火法冶金是生產(chǎn)金屬材料的重要方法，鋼鐵及大多數(shù)有色金屬（鋁、銅、鎳、鉛、鋅等）材料主要靠火法冶金工藝生產(chǎn)。用火法冶金方法提取金屬的成本較低，所

4、以，火法冶金是生產(chǎn)金屬材料的主要方法。缺點(diǎn)：火法冶金存在的主要問題是污染環(huán)境。1火法冶金的基本過程火法冶金通常包括礦石準(zhǔn)備、冶煉和精煉三個(gè)過程。（1）礦石準(zhǔn)備 采掘的礦石含有大量無用的脈石，需要經(jīng)過選礦以獲得含有較多金屬元素的精礦。經(jīng)過選礦后，有時(shí)還需對礦石進(jìn)行焙燒、球化或燒結(jié)等。（2）冶煉將處理好的礦石，用氣體或固體還原劑還原為金屬的過程稱為冶煉。金屬冶煉所采用的還原劑包括焦炭、氫和活潑金屬等。以金屬熱還原法為例，用Ca，Mg，Al，Na等化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬，可以還原出一些其他金屬的化合物。例如，利用Al可以從Cr2O3還原出金屬Cr：Cr2O3+Al Al2O3+Cr同樣，利用Mg可以從T

5、iCl 4還原出金屬Ti：TiCl4+Mg MgCl2+Ti但是活潑金屬比較貴，在自然界也是以化合態(tài)存在，作為還原劑成本太高,氫氣成本高，作為可燃性氣體安全系數(shù)不高。CO雖然在自然界存在很少，卻可以用廉價(jià)的焦炭制取，所以是最佳的還原劑。（3）精煉冶煉所得到的金屬含有少量的雜質(zhì), 需要進(jìn)一步處理以去除雜質(zhì)，這種對冶煉的金屬進(jìn)行去除雜質(zhì)提高純度的處理過程稱為精煉。2火法冶金的主要方法火法冶金的主要方法有提煉冶金、氯化冶金、噴射冶金和真空冶金等。（1）提煉冶金 提煉冶金是指由焙燒、燒結(jié)、還原熔煉、氧化熔煉、造渣、造硫、精煉等單元過程按照需要所構(gòu)成的冶金方法。提煉冶金是火法冶金中應(yīng)用最廣泛的方法。（2

6、）氯化冶金通過氯化物提取金屬的方法稱為氯化冶金。氯化冶金主要依據(jù)不同金屬氯化物的物理化學(xué)性質(zhì)，來有效實(shí)現(xiàn)金屬的分離、提取和精煉。輕金屬和稀有金屬的提取多采用火法氯化冶金。 （3）噴射冶金利用氣泡、液滴、顆粒等高度彌散系統(tǒng)來提高冶金反應(yīng)效率的冶金過程稱為噴射冶金。噴射冶金是70年代由鋼包中噴粉精煉發(fā)展起來的新工藝。（4）真空冶金在真空條件下完成金屬和合金的熔煉、精煉、重熔、鑄造等冶金單元操作，以及使金屬液在真空下脫氧、脫氣、揮發(fā)、減免二次玷污等的工藝原理和方法稱為真空冶金。真空冶金是提高金屬材料質(zhì)量，保證高技術(shù)所必需的特殊材料生產(chǎn)的重要方法。.2濕法冶金濕法冶金：是利用一些溶劑的化學(xué)作用，在水溶

7、液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)，對原料、中間產(chǎn)物或二次再生資源中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過程。濕法冶金包括浸取、固液分離、溶液的富集和從溶液中提取金屬或化合物等四個(gè)過程。 1浸取浸取是選擇性溶解的過程。通過選擇合適的溶劑使被處理過的礦石中包含的一種或幾種有價(jià)值的金屬選擇性地溶解進(jìn)入溶液，從而與其他不溶物質(zhì)分離。根據(jù)所用的浸取液的不同，可分為酸浸、堿浸、氨浸、氰化物浸取、有機(jī)溶劑浸取等。在選擇浸取液時(shí)，不僅要考慮它應(yīng)具有高的浸取率和選擇性好，而且要考慮它應(yīng)易于過濾和回收。2固液分離固液分離包括過濾、洗滌或離心分離等操作。在固液分離的過程中，一方面要將浸取的溶液與殘?jiān)?/p>

8、離，另一方面還要將留存在殘?jiān)械娜軇┖徒饘匐x子等回收利用。3溶液的富集 富集是對浸取溶液的凈化和濃集過程。富集的方法有化學(xué)沉淀、離子沉淀、溶劑萃取、膜分離或其他方法。4提取金屬或化合物在金屬材料的生產(chǎn)中，常采用電解、化學(xué)置換和加氫還原等方法來提取金屬或化合物。例如用電解法從凈化液中提取Au，Ag，Cu，Zn，Ni，Co等純金屬；而Al，W，Mo，V等多數(shù)以含氧酸的形式存在于凈化液中，一般先析出其氧化物，然后用氫還原或熔鹽電解制取金屬。濕法冶金在有色金屬、稀有金屬及貴金屬等生產(chǎn)中占有重要地位。世界上全部的氧化鋁、氧化鈾、約74的鋅、12的銅及多數(shù)稀有金屬都是用濕法冶金方法生產(chǎn)的。濕法冶金的最大優(yōu)

9、點(diǎn)是對環(huán)境的污染較小，能處理低品位的礦石。.3電冶金利用電能從礦石或其他原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程稱為電冶金。電冶金主要包括電熱熔煉、水溶液電解和熔鹽電解三個(gè)方面。1電熱熔煉用電加熱生產(chǎn)金屬的冶金方法稱為電熱熔煉。鐵合金冶煉及用廢鋼煉鋼主要采用電熱熔煉。電熱熔煉包括電弧熔煉、等離子冶金和電磁冶金等。（1）等離子冶金等離子是清潔能源，是電能轉(zhuǎn)換為熱能的最有效途徑。等離子弧有非常高的能量密度，為超高溫冶金提供了有力條件。等離子弧可以方便地控制氣氛。無論是在大規(guī)模熔煉鐵合金或有色金屬、快速加熱鋼液或高爐風(fēng)口方面，還是在惰性氣氛下重熔或熔鑄金屬方面，都有廣闊的發(fā)展前景。（2）電磁冶金利用電磁

10、感應(yīng)在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生可控流動(dòng)的冶金過程稱為電磁冶金。早期利用電磁力對鋼包和連鑄坯的鋼液進(jìn)行攪拌以改善鋼的質(zhì)量；近來又發(fā)展了懸浮熔煉、冷坩堝熔煉、電磁鑄造等。電磁冶金對于防止耐火材料污染金屬、熔煉難熔及活潑金屬具有重要作用。2水溶液電解在電冶金中，應(yīng)用水溶液電解精煉金屬稱為電解精煉或可溶陽極電解；而應(yīng)用水溶液電解從浸取液中提取金屬稱為電解提取或不溶陽極電解，如圖1-1所示。（1）電解精煉以銅的電解精煉為例，將火法精煉制得的銅板作為陽極，以電解產(chǎn)出的薄銅片為陰極，置兩極于充滿電解液的電解槽中。在兩極間通以低電壓大電流直流電。這時(shí)，陽極將發(fā)生電化學(xué)溶解： Cu2e+Cu2+陽極反應(yīng)使得電解液中Cu2

11、+濃度增大，由于其電極電位大于零，故純銅在陰極上沉積：Cu2+2eCu被精煉的銅中包含的比銅電極電位高的稀貴金屬和雜質(zhì)將以粒子形式落入電解槽底部或附于陽極形成陽極泥，比銅電極電位低的雜質(zhì)元素以離子形態(tài)留于電解液中。這種方法也可以看作對火法冶煉銅的精煉。金、銀、銅、鈷和鎳等金屬大都采用這種電解方法進(jìn)行精煉。（2）電解提取電解提取是從富集后的浸取液中提取金屬或化合物的過程。這種方法采用不溶性電極，溶劑可以經(jīng)過再生后作為浸取液重復(fù)使用。3熔鹽電解鋁、鎂、鈉等活潑金屬無法在水溶液中電解，必須選用具有高導(dǎo)電率、低熔點(diǎn)的熔鹽（通常為幾種鹵化物的混合物）作為電解質(zhì)在熔鹽中進(jìn)行電解。熔鹽電解時(shí)，陰極反應(yīng)是金屬

12、離子的還原：Mn+neM通常用碳作為陽極。例如電解MgCl2時(shí)陽極的反應(yīng)如下：2C1C12+2eAl2O3在冰晶石中電解時(shí)，陽極將生成CO2：2O2+CCO2+4e第二節(jié) 鋼鐵冶煉鋼鐵冶煉包括從開采鐵礦石到使之變成供制造零件所使用的鋼材和鑄造生鐵為止的全過程。其基本過程如圖1-2所示。生鐵的冶煉生鐵是用鐵礦石在高爐中經(jīng)過一系列的物理化學(xué)過程冶煉出來的。高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程，即使用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料中的鐵從氧化物或礦物狀態(tài)（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO3、Fe3O4·TiO2等）還原為液態(tài)生鐵。高爐煉鐵的基本過程如圖1-3所示。1. 煉鐵的

13、原料煉鐵的原料主要包括鐵礦石、熔劑及焦炭。焦炭作為燃料和還原劑，是主要能源；熔劑，如石灰石，主要用來助熔、造渣；鐵礦石則是冶煉的對象。這些原料是高爐冶煉的物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)量對冶煉過程及冶煉效果影響極大。（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加石英、長石等組成并以化合物形態(tài)存在的，所以，鐵礦石實(shí)際是由各種化臺物所組成的機(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（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）、褐鐵礦（2Fe2O3·3H2O）和菱鐵礦（FeCO3），其基本特

14、性列于表1中。表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Fe2O3703065紅質(zhì)松易還原磁鐵礦石Fe3O472.44570黑有磁性，質(zhì)硬較難還原和鐵礦石2Fe2O3.3H2O59.83755黃褐較易還原菱鐵礦石FeCO348.33040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) (3070%) 變動(dòng)，按其鐵含量可分為貧礦(Fe)45 和富礦(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，以提高其含鐵量，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。

15、 b. 還原性要好 鐵礦石還原性是指鐵礦石被還原性氣體CO或H2還原的難易程度，是評價(jià)鐵礦石質(zhì)量的重要指標(biāo)。礦石還原性好，有利于降低焦比，提高產(chǎn)量。改善礦石還原性（或采用易還原礦石）是強(qiáng)化高爐冶煉的重要措施之一。 影響鐵礦石還原性的因素主要有礦物組成、礦石結(jié)構(gòu)的致密程度、粒度和氣孔率等。 c. 粒度和強(qiáng)度 入爐鐵礦石應(yīng)具有適宜的粒度和足夠的強(qiáng)度。粒度過大會(huì)減小煤氣與鐵礦石的接觸面積，使鐵礦石不易還原；過小則增加氣流阻力，同時(shí)易吹出爐外形成爐塵損失；粒度大小不均，則嚴(yán)重影響料柱透氣性。因此，大塊應(yīng)破碎，粉末應(yīng)篩除，粒度應(yīng)適宜而均勻。一般要求礦石粒度在540mm范圍，并力求縮小上下限粒度差。 鐵礦

16、石的強(qiáng)度是指鐵礦石耐沖擊、耐摩擦的強(qiáng)弱程度。隨著高爐容積不斷擴(kuò)大，入爐鐵礦石的強(qiáng)度也要相應(yīng)提高。否則易生成粉末、碎塊，一方面增加爐塵損失，另一方面使高爐料柱透氣性變壞，引起爐況不順。 d. 脈石成分 脈石中含有堿性脈石，如CaO、MgO；有酸性脈石，如SiO2、Al2O3。一般鐵礦石含酸性脈石者居多，即其中SiO2高，需加入相當(dāng)數(shù)量的石灰石造成堿度(CaO)/ (SiO2)為1.0左右的爐渣，才能滿足冶煉工藝的需求。因此希望酸性脈石愈少愈好。含CaO高的堿性脈石則具有較高的冶煉價(jià)值。 e. 雜質(zhì)含量少 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

17、石中這些雜質(zhì)的含量一般作如下規(guī)定：(S) 0.15、(P) 04、w(As)0.1、(Zn)0.1。 此外，在鐵礦石中也常含有某此有益的元素，如錳、鎳、鉻、釩、鈦等，它們的存在能改善鋼的性能。當(dāng)它們在礦石中的含量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，如(Mn)5、(Cr)0.6、(Ni)0.2、(Co)0.03、(V)0.10.15%、(Mo)0.3、(Cu)0.3，則稱為復(fù)合礦物，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很大，應(yīng)考慮綜合利用。鐵礦石的準(zhǔn)備處理根據(jù)上述質(zhì)量要求，一般的鐵礦石很難完全滿足要求，須在入爐前進(jìn)行必要的準(zhǔn)備處理。天然富礦需經(jīng)破碎、篩分以獲得合適而均勻的粒度。褐鐵礦、菱鐵礦和致密磁鐵礦應(yīng)進(jìn)行焙燒處理，以去除其結(jié)晶水和CO2，

18、提高品位，疏松其組織，改善還原性，提高冶煉效果。貧鐵礦的處理比較復(fù)雜。一般需經(jīng)過破碎、篩分、細(xì)磨、精選，得到含鐵60%以上的精礦粉，經(jīng)混勻后進(jìn)行造塊，制成人造富礦，然后按高爐粒度要求進(jìn)行適當(dāng)破碎、篩分才能入爐。a. 破碎篩分所有開采來的大塊礦石，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. 選礦選礦是依據(jù)礦石的性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ延杏玫V石和脈石機(jī)械地分開，從而使有用礦物富集的過程。通過選礦可使礦石品位提高，去除部分有害雜質(zhì)，回收有用元素（如釩、鉻等），使礦物資源得到充分

19、利用。通過獲得的有用富集礦稱為精礦；其余部分叫尾礦，主要由脈石組成，一般廢棄。在對復(fù)合鐵礦石選礦時(shí)，常有一些有用元素富集于尾礦中，必須將它們進(jìn)一步精選出來?，F(xiàn)代煉鐵工業(yè)中，常采用兩種選礦方法：水選（重選）和磁選。水選基本是利用礦石中含鐵礦物和脈石不重不同的特點(diǎn)，用水將含鐵礦物和脈石分離開。磁選用于磁鐵礦，利用磁力將含鐵礦物與脈石分離。c. 燒結(jié)和造塊富選得到的精礦粉，天然富礦粉碎篩分后的粉礦，不能直接加入高爐，必須用燒結(jié)或制團(tuán)的方法將它們重新造塊，制成燒結(jié)礦、球團(tuán)礦方能入爐。鐵礦粉造塊并非簡單地將細(xì)礦粉制成團(tuán)礦，而是在造塊過程中采用一些技術(shù)，以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的冶煉原料。例如加入CaO、MgO以提高

20、礦石堿度；在可能的條件下加入還原劑C，改善礦石的還原性能。鐵礦粉造塊過程中，還可以去除某些雜質(zhì)元素。鐵礦粉造塊技術(shù)使高爐冶煉的各項(xiàng)技術(shù)得到大幅度提高。（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SiO2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。加入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)溶入鐵中，影響鐵的質(zhì)量。利用硫易于鈣相結(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 根據(jù)熔劑性質(zhì)可分堿性熔劑和酸性熔劑。

21、采用哪一種熔劑要根據(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）焦炭焦炭是用焦煤在隔絕空氣的高溫（1000）下，進(jìn)行干餾、碳化而得到的多孔塊狀產(chǎn)品，在高爐冶煉過程中，焦炭具有如下作用：燃料焦炭在風(fēng)口前被鼓風(fēng)中氧燃燒，放出熱量。高爐冶煉所消耗熱量的70%80%來自燃料燃燒。還原劑高爐冶煉主要是生鐵中的鐵和其他合金元素的還原過程，而焦炭中所含的固定碳以及焦炭燃燒產(chǎn)生的CO是鐵及其他氧化物進(jìn)行還原的還原劑。2冶煉生鐵的主要裝置高爐冶煉生鐵所使用的主要裝置是高爐。其結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。在煉鐵時(shí)，爐料（

22、礦石、焦炭和熔劑）從爐頂進(jìn)入爐內(nèi)，在自身重力作用下，自上而下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，熱風(fēng)從爐子下部進(jìn)入，使燃料燃燒產(chǎn)生的熱爐氣不斷向上運(yùn)動(dòng)。這樣，在爐氣和爐料之間不斷進(jìn)行熱交換，進(jìn)行了一系列的物理化學(xué)作用，礦石逐步被還原，并熔化成鐵水，從爐下部的出鐵口流出。爐氣上升過程中，溫度不斷降低，成份逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。3煉鐵時(shí)高爐中的物理化學(xué)過程高爐冶煉的目的是把鐵礦石煉成生鐵。因此，冶煉過程就是鐵的還原過程和除去脈石的造渣過程。其主要反應(yīng)過程如下：（1）燃料的燃燒紅熱的焦炭在爐缸區(qū)或風(fēng)口附近遇到熱空氣將燃燒，生成CO2，放出大量熱，使?fàn)t缸溫度達(dá)到16001750。隨著爐氣的上升，爐氣中所含氧氣

23、越來越少，同時(shí)爐氣溫度也不斷降低，在1000以上及碳過剩而又缺氧的條件下，發(fā)生還原反應(yīng)： CO2+C2CO含有大量CO的熾熱爐氣不斷隨爐料的下降而上升，對礦石的還原既充當(dāng)熱源，又充當(dāng)還原劑。（2）鐵的還原氧化鐵的還原可借助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250350，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)氧化物），其反應(yīng)如下：直接還原：直接還原在950以上，靠固體碳來進(jìn)行。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：這種碳成煙狀 進(jìn)入到礦石的孔隙里。（3）鐵的

24、增碳：從鐵礦石還原出的鐵呈多孔海綿狀，故稱海綿鐵。這種早期出現(xiàn)的海綿鐵成份比較純，幾乎不含碳。海綿鐵下降過程中，不斷吸收碳并熔化，進(jìn)入爐缸后，還會(huì)與焦炭接觸，進(jìn)一步增碳，最后得到含碳較高（一般為4%左右）的液態(tài)生鐵。 生鐵最后的含碳量決定于其它元素的合量。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(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含物，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，所以含碳量不高于3.75)。（4）其它元素的還原錳的還原：高爐中錳是由礦石帶進(jìn)來的，它以MnO2形態(tài)存在，錳的還原過程

25、也是順序由高價(jià)還原成低價(jià)的，最后還原成金屬錳。在700左右高價(jià)錳被還原成MnO，在1400以上MnO才能被固體碳還原：在一般高爐冶煉中，只有4080的錳被還原，并溶干鐵中，其余的或被燒損揮發(fā)到煤氣中或進(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：硅的還原：生鐵中的硅主要來自礦石脈石和焦炭灰分中的SiO2。SiO2是較穩(wěn)定的化合物，其分解壓低，生成熱很大，在高爐中比錳難還原，因此，硅只能在高溫下靠固體碳進(jìn)行直接還原：在高爐內(nèi)，硅能溶解于鐵中，因而大大有利于硅的還原。磷的還原：爐料中的磷主要以磷酸鈣(CaO)3·P2O5（磷灰石）形態(tài)存

26、在。磷灰石較難還原，還原開始溫度為10001100，一般是用碳在高溫下進(jìn)行直接還原。(CaO)3·P2O5 + 5C 3 CaO + 2P + 5 CO當(dāng)有SiO2存在時(shí)，同磷灰石中的CaO結(jié)合，釋放出自由的P2O5，有利于磷的還原。(CaO)3·P2O5 + 3 SiO2 3(CaO)2·SiO2 + 2 P2O5P2O5易揮發(fā)，變?yōu)闅怏w與碳接觸被還原：2P2O5 + 10 C 4P + 10CO 在有鐵存在時(shí)，還原出來的磷與鐵生成Fe3P 和Fe2P并溶于鐵水中，促進(jìn)了磷的還原。實(shí)踐證明，爐料帶入的磷幾乎全部還原進(jìn)入生鐵中。因此要控制生鐵中磷的含量，只有使用低

27、磷原料。 （5）去硫 高爐中的硫來自于入爐的各種原、燃料。硫以硫化鐵(FeS)的形式存在生鐵中，降低了生鐵的質(zhì)量。為了限制生鐵中的含硫量，可在爐料中加入石灰石使并發(fā)生下列反應(yīng)：生成的CaS進(jìn)入爐渣，因此提高爐渣的堿度，有利于生鐵中硫轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS，穩(wěn)定轉(zhuǎn)入爐渣。 （6）造渣 造渣就是加入熔劑同脈石和灰分相互作用，并將不進(jìn)入生鐵的物質(zhì)溶解、匯集成渣的過程。 礦石中的脈石和焦炭的灰分多系SiO2 、Al2O3等酸性氧化物，它們的熔點(diǎn)都很高（SiO21713 、Al2O32050），因此在爐中只能形成一些非常粘稠的物質(zhì)，難于流動(dòng)。盡管熔劑中的CaO和MgO自身的熔點(diǎn)也很高（CaO 2570，MgO 2

28、800），但它們能同SiO2 、Al2O3結(jié)合成低熔點(diǎn)（<1400）化合物，在高爐內(nèi)熔化并形成流動(dòng)性良好的爐渣。 高爐渣應(yīng)具有熔點(diǎn)低、密度小和不溶于鐵水的特點(diǎn)，渣鐵能有效分離獲得純凈的生鐵，這是高爐造渣的基本作用。4煉鐵的主要產(chǎn)品和副產(chǎn)品（1）生鐵生鐵是鐵與碳及其他一些元素的合金。通常，生鐵含鐵94%左右，含碳4%左右，其余為硅、錳、磷、硫等少量元素。一般來說，生鐵和鋼的化學(xué)成分主要差別是含碳量。鋼中含碳量最高不超過2.11%。高爐生鐵含碳量在2.5%4.5%范圍。生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵。煉鋼生鐵供轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼使用，約占生鐵產(chǎn)量的80%90%。鑄造生鐵又稱為翻砂鐵或灰口鐵，主要用

29、于生產(chǎn)耐壓鑄件，約占生鐵產(chǎn)量的10%左右，鑄造生鐵的主要特點(diǎn)是含硅較高，在1.25%4.25%之間。硅在生鐵中能促進(jìn)石墨化，使化合碳游離成石墨炭，增強(qiáng)鑄件的韌性、耐沖擊性并易于切削加工。（2）高爐爐渣由于冶煉礦石品味、焦比及焦炭灰分的不同，高爐生產(chǎn)每噸生鐵產(chǎn)生的爐渣量差異很大。我國大中型高爐的單位生鐵渣量在0.30.5t之間。一些原料條件差、技術(shù)水平低的高爐，單位生鐵渣量甚至超過0.6t。高爐渣主要是由鈣、鎂、硅、鋁的氧化物構(gòu)成的復(fù)雜硅酸鹽系。一般高爐渣的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：CaO35%44%；SiO232%42%；Al2O36%16%；MgO4%13%。高爐渣的工業(yè)用途廣泛。如在爐前急冷粒化

30、成水渣，制成水泥和建筑材料；酸性渣還可在爐前用蒸汽吹成渣棉，作為絕熱材料。爐渣還可代替天然碎石作為路基材料。高爐爐渣出爐溫度通常為14001450，熱含量16801900kJ/kg，對于這部分顯熱，目前尚無很好的利用方法。（3）高爐煤氣冶煉每噸生鐵可產(chǎn)生16003000 m3的高爐煤氣，其中含CO2025%，含H21%3%，還有少量甲烷（CH4）等可燃?xì)怏w。從高爐排出的煤氣中含有大量的爐料粉塵，經(jīng)過除塵處理可使含塵量降到1020mg/m3。除塵處理后的高爐煤氣發(fā)熱值約為33503770 kJ/m3，是良好的氣體燃料。但高爐冶煉產(chǎn)生的煤氣量、成分及發(fā)熱值與高爐操作參數(shù)及產(chǎn)品種類有關(guān)。高爐冶煉鐵合

31、金時(shí)，煤氣中幾乎沒有CO2.高爐煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的重要二次能源，主要用作熱風(fēng)爐燃料，還可供動(dòng)力、煉焦、燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等部門使用。鋼的冶煉通過火法冶煉得到的生鐵含有較多的碳和硫、磷等有害雜質(zhì)元素，其強(qiáng)度低、塑性差。絕大多數(shù)生鐵需再精煉成鋼，才能用于工程結(jié)構(gòu)和制造機(jī)器零件。煉鋼的實(shí)質(zhì)就是把煉鋼生鐵水或生鐵塊中的碳及雜質(zhì)元素降到規(guī)定水平的過程。降碳及雜質(zhì)元素的方法是在熔化生鐵時(shí)，利用純氧等將碳及雜質(zhì)元素氧化成氣體或爐渣而除去。氧化過程結(jié)束后，鐵水就變成了鋼水，但這時(shí)鋼水中形成了大量的FeO，鋼中的FeO會(huì)使鋼的力學(xué)性能變壞，因此在煉鋼后期需進(jìn)行脫氧。脫氧過程是向鋼液中加入脫氧劑，脫氧劑與FeO反

32、應(yīng)，生成爐渣。所以煉鋼的過程包括脫碳，其他元素的氧化，脫磷，脫硫，脫氧及合金化1煉鋼的基本過程（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：另一種方式是間接氧化： 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1-5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，鐵被氧化少。 脫碳產(chǎn)生的CO氣泡有助于鋼液的攪動(dòng)“沸騰”，使成份均勻化，并能有效清除鋼液的氣體和非金屬夾渣。 （2）硅、錳的氧化 同樣有直接氧化：

33、和間接氧化，但主要是間接反應(yīng)： 以上反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，所以在低溫時(shí)就可進(jìn)行。實(shí)際上，在爐料熔化后，鋼液的含硅量和含錳量已經(jīng)很少了。SiO2和FeO反應(yīng)，MnO與SiO2反應(yīng)，形成爐渣： （3）脫磷 磷在鋼中是以磷化鐵（Fe3P）或（Fe2P）形態(tài)存在，煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的，首先是P被氧化成P2O5，而后與CaO結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣：這個(gè)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以低溫脫磷是有利的。根據(jù)質(zhì)量作用定律，對于一個(gè)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)去磷困難的原因。CaO的數(shù)量應(yīng)保證既能把渣中的SiO2

34、結(jié)合成2CaO·SiO2后，還有足夠的量把全部磷結(jié)合成(CaO)4·P2O5?？紤]到高爐煉鐵時(shí)，幾乎百分之百的磷都還原進(jìn)入生鐵中，煉鋼中的脫磷是很重要的。 （4）脫硫硫足以FeS形式存在。當(dāng)渣中有足夠的CaO時(shí)： 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，可以在渣中加入碳，反應(yīng)就不同了，反應(yīng)產(chǎn)物沒有FeO： （5）脫氧及合金化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

35、氧，通常采用的脫氧劑有：錳鐵、磚鐵和鋁等。脫氧過程可以用下述反應(yīng)表示：式中的Me表示脫氧元素。脫氧方法分為沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧兩種方法。沉淀脫氧法是將脫氧劑直接加入到鋼液中，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，F(xiàn)eO在爐渣中和鋼液中的濃度之比是常數(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

36、脫氧，最后用鋁進(jìn)行沉淀脫氧。這樣既保證質(zhì)量，又縮短脫氧時(shí)間。2常見煉鋼方法（1）堿性平爐煉鋼煉鋼平爐如圖1-5所示。其大小以能容納金屬的質(zhì)量來表示，通常為50t200t。平爐以液態(tài)生鐵或鐵塊及廢鋼為原料，利用爐氣和礦石供氧，以氣體或液體燃料供熱。（2）電弧爐煉鋼電弧爐的結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。這種煉鋼方法利用石墨電極和金屬爐料之間形成的電弧高溫通常50006000加熱和熔化金屬，金屬熔化后加入鐵礦石、熔劑，造堿性氧化性渣，并吹氧，以加速鋼中的碳、硅、錳、磷等元素的氧化。當(dāng)碳、磷含量合格時(shí)，扒去氧化性爐渣，再加入石灰、螢石、電石、硅鐵等造渣劑和還原劑，形成高堿度還原渣，脫去鋼中的氧和硫。電弧爐煉鋼溫

37、度和成分易于控制，是冶煉優(yōu)質(zhì)合金鋼不可缺少的重要方法。（3）氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼轉(zhuǎn)爐的構(gòu)造如圖1-7所示。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法以生鐵液為原料，利用噴槍直接向熔池吹高壓工業(yè)純氧，在熔池內(nèi)部造成強(qiáng)烈攪拌，使鋼液中的碳和雜質(zhì)元素迅速被氧化去除。元素氧化放出大量熱，使鋼液迅速被加熱到1600以上，以達(dá)到精煉目的。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)率高，僅20min就能煉出一爐鋼；煉鋼不用外加燃料，基建費(fèi)用低。因此，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼已成為現(xiàn)代冶煉碳鋼和低合金鋼的主要方法。 3鋼液的爐外精煉及鋼錠生產(chǎn)為提高鋼的純凈度、降低鋼中有害氣體和夾雜物含量，廣泛采用爐外精煉技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)一般煉鋼爐內(nèi)難以達(dá)到的精煉效果。常見的爐外精煉方

38、法包括真空精煉、吹氬精煉和電渣重熔。經(jīng)過精煉后，鋼的性能明顯提高。煉鋼生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是以最后澆注多少合格鑄錠來衡量的。因此，鑄錠是煉鋼生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。第三節(jié) 有色金屬冶煉 有色金屬的種類較多，本節(jié)僅介紹有代表性的、用量較大的銅和鋁等金屬材料的冶煉。一、銅的冶煉1、煉銅原料煉銅的原料主要是銅礦石，其次是從工業(yè)和生活中的銅及其合金廢件的回收，前者約占70以上。地殼中含銅僅為0.01，但銅能形成比較富的礦床，便于工業(yè)開采利用。在各類銅礦床中，銅呈各種礦物存在，其中大部分為硫化礦和氧化礦，少量為自然銅。自然界產(chǎn)出的銅礦物有240多種，但多數(shù)并不常見，也不具有工業(yè)價(jià)值。到目前為止，能作為工業(yè)開采的銅

39、礦僅有十多種。常見的硫化礦物有黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu3FeS2)、輝銅礦(Cu2S)和銅藍(lán)(CuS)等；氧化礦物有孔雀石CuCO3·Cu(OH)2、硅孔雀石(CuSiO3·2H2O)、赤銅礦(Cu2O)和膽礬(CuSO4·5H2O)等?，F(xiàn)今90的銅產(chǎn)量來自硫化礦，約10來自氧化礦，少量來自自然銅礦。2、煉銅方法及其工藝流程煉銅方法主要有火法冶金和濕法冶金兩大類型。但以火法冶金為主，約占90%。 （1）火法煉銅：火法煉銅主要用于處理硫化銅礦。它大致可分為三步，即造锍熔煉，吹煉，火法精煉，電解精煉。本教材僅介紹火法煉銅。 （2）濕法煉銅：濕法煉銅是從處理

40、氧化礦開始的。它主要由兩個(gè)過程組成，即銅的浸出和從溶液中電積或置換提取銅。3、火法煉銅火法煉銅的主要流程如圖1-9所示。（1）造锍熔煉造锍熔煉的目的在于首先使?fàn)t料中的銅盡可能全部進(jìn)人冰銅，部分鐵以FeS形式也進(jìn)入冰銅(Cu2S+FeS此熔體亦稱為锍)，使大部分鐵氧化成FeO與脈石礦物造渣；其次使冰銅與爐渣分離。在煉鋼爐的高溫條件下，銅精礦中的高價(jià)硫化物將分解成簡單硫化物。反應(yīng)產(chǎn)生的硫蒸氣在爐氣系統(tǒng)中燃燒生成SO2隨煙氣外排，Cu2S、FeS和其他金屬硫化物則混合在一起形成冰銅。一些金屬氧化物和脈石結(jié)合成爐渣，從而實(shí)現(xiàn)金屬硫化物和脈石分離。（2）冰銅的吹煉冰銅吹煉是在一定壓力下將空氣送到液體冰銅

41、中，使冰銅中的FeS氧化變成FeO與加入的石英熔劑造渣，而Cu2S則經(jīng)過氧化后又與Cu2S相互反應(yīng)變成粗銅。吹煉過程的溫度為l 2001250，此溫度靠這些硫化物氧化反應(yīng)熱來維持，不需外加熱源。（3）粗銅的火法精煉粗銅中Cu的質(zhì)數(shù)分?jǐn)?shù)一般為98.599.5%，還含有少量雜質(zhì)元素如Fe、Pb、Zn、Ni、As、Sb、S和Au、Ag等貴金屬，其總量約占0.52。由于雜質(zhì)的存在會(huì)影響銅的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能，火法精煉的目的就是進(jìn)步除去銅中的少量雜質(zhì)，并將精煉后的銅鑄成符合電解要求的陽極板，為電解精煉作準(zhǔn)備。粗銅火法精煉與平爐煉鋼相似，即用氣體或液體燃料加熱，使粗銅溫度維持在11501170；再通入壓縮空氣，使金屬雜質(zhì)氧化成為金屬氧化物進(jìn)入爐渣。（4）銅的電解精煉銅的電解過程大致為：將火法精煉所得銅板作為陽極，以電解產(chǎn)出的薄銅片作為陰極；置兩極于充滿電解液的電解槽中，在兩極間通以低電壓大電流的直流電。在銅陽極發(fā)生電化學(xué)溶解，純銅在陰極上沉積，雜質(zhì)元素一部分進(jìn)入陽極泥，大部分以離子形態(tài)保留于電解液中，從而實(shí)現(xiàn)