金屬材料的制備-冶金-年修改版103

1、金屬材料的制備-冶金目 錄1.1、冶金工藝1.2、鋼鐵冶煉1.3、有色金屬冶煉1.1 冶金工藝一、火法冶金、火法冶金的基本過程礦石準(zhǔn)備選礦 焙燒 燒結(jié)(球化)不加添加劑的焙燒，也稱煅燒：I、分解礦石，如石灰石化學(xué)加工制成氧化鈣，同時制得二氧化碳氣體；II、活化礦石，目的在于改變礦石結(jié)構(gòu)，使其易于分解，例如：將高嶺土焙燒脫水，使其結(jié)構(gòu)疏松多孔，易于進一步加工生產(chǎn)氧化鋁；1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程礦石準(zhǔn)備選礦 焙燒 燒結(jié)(球化)III、脫除雜質(zhì)，如脫硫、脫除有機物和吸附水等；IV、晶型轉(zhuǎn)化，如焙燒二氧化鈦使其改變晶型，改善其使用性質(zhì)。1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程礦石準(zhǔn)備選礦 焙燒

2、 燒結(jié)(球化)高爐煉鐵生產(chǎn)前，將各種粉狀含鐵原料，配入適量的燃料和熔劑，加入適量的水，經(jīng)混合和造球后在燒結(jié)設(shè)備上使物料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，燒結(jié)成塊的過程。 目的：促進反應(yīng)的發(fā)生1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉氣體還原劑還原用CO或H2作還原劑還原金屬氧化物。固體碳還原用固體碳作還原劑還原金屬氧化物。金屬熱還原用位于 GT 圖下方的曲線所表示的金屬作還原劑，還原位于GT 圖上方曲線所表示的金屬氧化物（氯化物、氟化物）以制取金屬。1.1 冶金工藝1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉注意縱坐標(biāo)是負數(shù)，越靠下，表示G0 的程度越大，自發(fā)進行的趨勢越強。 1.1 冶金工藝、火法冶金的

3、基本過程 冶煉氧勢圖用于判斷氧的走向：從上往下走除了氧勢圖，實際生產(chǎn)中還有碳、硫、氯、磷勢圖1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉火法冶金常用的燃料固體燃料煤和焦碳，其可燃成分為C氣體燃料煤氣和天然氣，其可燃成分主要為CO和H2液體燃料重油等，其可燃成分主要為CO和H21.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉火法冶金常用的還原劑固體還原劑煤、焦碳等，其有效成分為C；氣體還原劑CO和H2等液體還原劑Mg、Na等C、CO、H2為冶金反應(yīng)提供所需要的熱能C、CO、H2是金屬氧化物的良好還原劑1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉還原劑的選擇1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 冶煉除去有害

4、雜質(zhì)，生產(chǎn)出具有一定純度的金屬； 當(dāng)金屬中的雜質(zhì)含量超過一定限度時，其物理、化學(xué)和機械性能會發(fā)生變化。生產(chǎn)出含有各種規(guī)定量的合金元素的金屬，使其具有一定的物理、化學(xué)和機械性能；如合金鋼的生產(chǎn)回收其中具有很高經(jīng)濟價值的稀貴金屬“雜質(zhì)”。如：粗鉛、粗銅中的金、銀及其他稀貴金屬。1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 精煉利用主金屬與雜質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的差異，形成與主金屬不同的新相，將雜質(zhì)富集于其中；或者：將主金屬全部轉(zhuǎn)移至新相，而使雜質(zhì)殘留下來。1.1 冶金工藝、火法冶金的基本過程 精煉、火法冶金的主要方法 提煉冶金（不一定完全包括以下步驟）焙燒燒結(jié)（促進氧化還原反應(yīng)）還原熔煉（還原出金屬、含巨多

5、雜質(zhì)）氧化熔煉（燒掉一部分雜質(zhì)）造渣（用造渣劑把雜質(zhì)變成渣后排出）造锍（把要提取的貴金屬雜質(zhì)以硫化物的形態(tài)富集于锍中。）精煉1.1 冶金工藝、火法冶金的主要方法 氯化冶金氯化冶金就是將礦石（或冶金半成品）與氯化劑混合，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槁然镌龠M一步將金屬提取出來的方法。1.1 冶金工藝20世紀(jì)20年代，氯化冶金除了應(yīng)用于鎂的提取之外，還以氯化離析法用于提取有色重金屬（主要是銅）。50年代以來，氯化冶金廣泛用于稀有金屬冶金中。 1.1 冶金工藝、火法冶金的主要方法 噴射冶金利用氣流輸送將冶金用粉末物料通過噴槍直接吹入金屬熔池內(nèi)部，使金屬得到精煉的工藝?？捎糜诮饘俚拿撗?、脫硫

6、、脫磷、脫硅以及脫除其他元素.1.1 冶金工藝、火法冶金的主要方法 真空冶金在低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進行的冶金作業(yè)?？梢詫崿F(xiàn)大氣中無法進行的冶金過程，能防止金屬氧化，分離沸點不同的物質(zhì)，除去金屬中的氣體或雜質(zhì)，增強金屬中碳的脫氧能力，提高金屬和合金的質(zhì)最。1.1 冶金工藝、火法冶金的主要方法 火法冶金的優(yōu)點：簡單粗暴，成本較低。 火法冶金的主要缺點：A、污染（粉塵、有毒氣體）B、無法冶煉低品位礦石C、很難冶煉高熔點金屬二、濕法冶金難熔化或微粉狀的礦石低濃度礦石（金、鈾）相似金屬的分離（鉿-鋯）、（鎳-鈷）1.1 冶金工藝濕法冶金是指利用溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化、還原、中和

7、、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行提取和分離的冶金過程；主要過程：浸取、固-液分離、溶液的富集、從溶液中提取金屬或化合物； 1.1 冶金工藝1.1 冶金工藝堆浸法將細菌溶液噴灑到預(yù)先堆置好的礦石堆上，有選擇性地溶解（浸出）礦石中的目標(biāo)金屬成分，使金屬形成離子或絡(luò)合離子并使之轉(zhuǎn)入溶液。1.1 冶金工藝就地浸出（地下浸出）I、無需采掘、裝、運、提升等工序。II、基礎(chǔ)建投資少，建設(shè)周期短，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。III、特別是該方法基本不破壞或很少破壞山林與農(nóng)田，不產(chǎn)生尾礦、廢石，環(huán)境友好。1.1 冶金工藝1.1 冶金工藝全部的氧化鋁、氧化鈾、約74的鋅、12的銅及多數(shù)稀有金屬

8、都是用濕法冶金方法生產(chǎn)的；最大優(yōu)點：環(huán)境的污染較小，能處理低品位的礦石。1.1 冶金工藝三、電冶金1.1 冶金工藝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方面內(nèi)容。三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 ：不同于火法冶金，電熱冶金是直接用電加熱生產(chǎn)金屬的一種冶金方法。包括電弧熔煉、電阻熔煉、等離子熔煉和感應(yīng)熔煉等。三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 等離子冶金等離子是固體、液體、氣體以為的第四種存在狀態(tài)。溫度極高的情況下，電子掙脫原子核的束縛，處于游離態(tài)。等，表示正負相等，為電中性。三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 等離子

9、冶金在一個緊縮的空間產(chǎn)生電弧，同時將惰性氣體（氬），從一個小孔以高速噴射出，穿過這個空間而成為等離子射流。熱量高度集中，可以達到非常高的溫度。已有等離子槍的工作溫度約在500020000之間。 三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 等離子冶金三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 電磁熔煉以電磁熱流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究冶金過程和材料制備的科學(xué)。它是借助電流、磁場所形成的電磁力，對冶金（材料制備）過程中金屬的表面形態(tài)、流動、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、結(jié)晶等過程施加影響，以便控制其變化或反應(yīng)過程。三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 電磁熔煉A 形狀控制：電磁鑄造、金屬薄膜的電磁成行，電磁塑性成型，懸浮熔煉等B

10、驅(qū)動金屬液體：電磁攪拌，電磁泵C 抑制流動：磁力制動，抑制波動D 懸?。悍墙饘賷A雜物的電磁分離E 熱量生成：感應(yīng)熔煉，電磁加熱、電弧熔煉、等離子熔煉等F 組織控制：晶粒細（粗）化，非晶金屬制備三、電冶金1.1 冶金工藝電熱熔煉 電磁熔煉細化晶粒1.1 冶金工藝水溶液電解：應(yīng)用水溶液電解精煉金屬的一種冶金方法。三、電冶金熔鹽電解：利用電化學(xué)反應(yīng)，使金屬從含金屬鹽類的水溶液或熔體中析出的冶金方法。1.2 鋼鐵冶煉1.2 鋼鐵冶煉1.2 鋼鐵冶煉一、生鐵冶煉煉鐵的原料煉鐵的原料高爐 高爐冶煉特點：高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過程，機械化和自動化水平較高?？梢詳?shù)十年不停機。高爐 （高爐）Blast

11、furnace為什么要吹氣？I、加速炭的燃燒，提高爐內(nèi)溫度。II、產(chǎn)生CO氣體，促成（氣相+固相）還原反應(yīng)。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2固態(tài)的C也可以直接對鐵礦石進行還原，但是固相-固相之間的反應(yīng)，依靠原子擴散來進行，速度非常慢。為什么要吹氣？物理化學(xué)過程 完全燃燒（發(fā)生在氧過剩的地區(qū)） CO2CO2 不完全燃燒（發(fā)生在碳過剩的地區(qū)） C+1/2O2=CO還發(fā)生以下反應(yīng)： CO1/2O2CO2 CO2C焦 = 2CO H2OCH2C O物理化學(xué)過程 產(chǎn)品和副產(chǎn)品 生鐵產(chǎn)品和副產(chǎn)品爐渣產(chǎn)品和副產(chǎn)品煤氣將含塵量降到102

12、0毫克/m3?？勺鳛楣I(yè)上的燃料。一般高爐煤氣總量的1/3左右用于自身熱風(fēng)爐的加熱，其余可供動力、煉焦、煉鋼、燒結(jié)、軋鋼等部門使用。1.2 鋼鐵冶煉二、鋼冶煉鋼與生鐵的區(qū)別1.2 鋼鐵冶煉二、鋼冶煉（1）脫碳 脫碳反應(yīng)是煉鋼過程最重要的反應(yīng)，其目的是將金屬原料中的碳去除至要求的成分范圍。 碳的氧化分兩種方式：直接氧化和間接氧化。 直接氧化 2C + O2 2CO 間接氧化 Fe + O2 2FeOC + FeO Fe + CO 脫碳產(chǎn)生的CO氣泡有利于鋼液的攪拌沸騰，使成分均勻化，并能有效的清除鋼液的氣體和非金屬夾雜。 （2）硅、錳的氧化 直接氧化 Si + O2 SiO22Mn + O2 2

13、MnO 間接氧化（主要是間接反應(yīng)） Si + 2FeO SiO2 + 2FeMn + FeO MnO + Fe形成爐渣 （3）脫磷 磷在鋼中以磷化鐵（Fe2P）形態(tài)存在，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)4P2O5 + 9Fe （放熱反應(yīng)） 低溫脫磷有利，因為是放熱反應(yīng)；高堿度和強氧化性的爐渣也是脫磷的重要條件。CaO的數(shù)量既要保證把爐渣中的SiO2結(jié)合成2CaOSiO2，還要足夠的量把全部磷結(jié)合成(CaO)4P2O5。 （4）脫硫 硫以FeS形式存在，當(dāng)渣中有足夠的CaO時 FeS + CaO FeO + CaS CaS不

14、溶解于鋼液，形成渣相浮于鋼液表面。但上述反應(yīng)是可逆的，F(xiàn)eO過量時，反應(yīng)向左進行，使硫重新回到鋼液。為此，加入C，反應(yīng)產(chǎn)物中沒有FeO FeS + CaO + C Fe + CaS + CO（5）脫氧 脫氧是指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對氧的親和力大于鐵氧親和力的元素都能脫氧，常用的脫氧劑有：錳鐵、硅鐵和鋁等 脫氧過程的反應(yīng)式 Me + FeO MeO + Fe碳脫氧 FeO + C Fe + CO錳脫氧 Mn + 2FeO MnO + Fe MnO不溶于鋼液，把氧由鋼液向渣中輸送 MnO與SiO2、FeO結(jié)合形成低熔點化合物，

15、便于上浮 在凝固過程中Mn和S形成MnS，比FeS的熔點高得多，因而降低鋼中S的有害作用。 硅脫氧 硅是強脫氧劑，它的脫氧產(chǎn)物是固體的SiO2. Si + 2FeO SiO2 + Fe 硅的脫氧能力與溫度和煉鋼方法和脫氧制度有關(guān) 溫度低有利于脫氧（放熱反應(yīng)） 堿性法中比酸性法中強，因形成的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Mn進行預(yù)脫氧時，由于先生成的MnO2和SiO2的結(jié)合，也減少自由SiO2的數(shù)量，增加Si的脫氧能力。 常見的煉鋼方法平爐煉鋼該法的特點是容量大，我國平爐多為30-320噸，最大為500噸。主要不足是煉一爐鋼需6-10小時。目前正在

16、由氧氣頂吹煉鋼工藝取代。 電弧爐電弧爐煉鋼：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。電弧爐氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐1.2 鋼鐵冶煉氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法的缺點： I、吹煉前期化渣較慢； II、后期熔池鋼水成份、溫度、氧化性不均勻（吹的是鐵液，無加熱裝置） 。爐外精煉及鋼錠生產(chǎn)爐外精煉的基本任務(wù)1）均勻鋼水成分和溫度2）精準(zhǔn)控制鋼水成為和溫度3）脫C、O、P、S4）去除鋼中氣體（H、N）5）去除夾雜物及控制夾雜物形態(tài)爐外精煉的基本手段1）渣洗 ；2）真空；3）攪拌；4）噴吹；渣洗1）概念由煉鋼爐產(chǎn)生的鋼水在鋼包內(nèi)通過鋼液對合成渣的沖洗，進一步提高鋼水質(zhì)量的一種爐外精煉方法。

17、2）主要作用降低鋼中的氧、硫和夾雜物含量。3）熔渣成分常用的合成渣系為CaO-Al2O3堿性渣系CaO=50-55%，Al2O3=40-45%，SiO25%，C0.10%，F(xiàn)eO1%4）熔渣的性質(zhì)要求較高的堿度、較高的還原性、較低的熔點、良好的流動性適宜的密度、表面張力、電導(dǎo)率、擴散系數(shù)真空1.概念真空（處理）是指利用抽真空的方法降低鋼水處理容器中的氣體壓力，達到去除鋼中氣體和非金屬夾雜物。2.主要作用脫氣（H2、N2）、脫氧、脫碳3.基本原理攪拌1.概念攪拌是指向流體系統(tǒng)提供能量，使該系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生運動，以達到鋼水精煉的目的。2.主要作用脫氣（O2、N2、H2）、去夾雜、均勻成分和溫度3.攪拌方

18、法氣體攪拌、電磁攪拌、機械攪拌氣體攪拌電磁攪拌噴吹1.概念噴吹是根據(jù)流態(tài)化和氣力傳輸原理，用氬氣或其他氣體作載體，將不同類型的粉劑噴入鋼水中進行精煉的技術(shù)。2.主要作用脫P、脫S、脫O、合金化等3.基本原理通過氣體將反應(yīng)物料的固體粉粒吹入熔池深處，既可以加快物料的熔化和溶解，也可以增加反應(yīng)界面，同時還強烈攪拌熔池，從而加速傳輸過程和反應(yīng)過程。喂絲1.概念喂絲是將各類金屬元素及附加料制成的粉劑，按一定配比，用薄帶鋼包覆，制成具有一定斷面的包芯線，通過機械的方法加入鋼液深處進行精煉的技術(shù)。2.主要作用脫O、脫S、控制夾雜物、合金化3.主要優(yōu)點1）合金收得率高2）合金微調(diào)精準(zhǔn)3）合金收得率高4.常見

19、包芯線Si-Ca、RE、Al、Mg、C、Ti-Fe等1.3 有色金屬冶煉有色金屬重金屬輕金屬貴金屬稀有金屬 重金屬一般指比重大于5.0的金屬包括銅、鉛、鋅、鎳、錫等十多種金屬1.3 有色金屬冶煉一、銅的冶煉為什么不用高爐煉銅？從礦床開采出來的銅礦石中，銅的品位很低(0.5-2%)，不能直接用于冶煉，需經(jīng)選礦富集成精礦再去冶煉。銅精礦的含銅量可達15-35%。 1.3 有色金屬冶煉一、銅的冶煉硫化礦物：黃銅礦（CuFeS2）、斑銅礦（Cu3FeS2）、輝銅礦（Cu2S）、銅藍（CuS）等。氧化礦物有：孔雀石（CuCO3Cu(OH)2）、硅孔雀石（CuSiO32H2O）、赤銅礦（Cu2O）、膽礬（

20、CuSO45H2O）等。火法冶金工藝：用于處理硫化銅礦。濕法冶金工藝：用于處理氧化礦。 火法煉銅先制得硫化物（造锍） 再將其氧化得到粗銅（轉(zhuǎn)爐吹煉） 進行火法精煉（陽極爐） 電解精煉（陰極銅）Cu2S-FeS二元系相圖熔煉溫度 锍是怎么形成的？冰銅的吹煉造渣反應(yīng) 2FeS+3O22FeO+SO2 +Q FeO+SiO22FeOSiO2+Q 6FeO+O26Fe3O4+Q 3Fe3O4+FeS+5SiO25（2FeOSiO2）+SO2 -Q 并得到冰銅（Cu2S熔體）造銅反應(yīng) 冰銅的氧化反應(yīng)及造粗銅 2Cu2S+3O22Cu2O+2SO2 Cu2S+2Cu2O2Cu+SO2 含硫量0.003%吹

21、煉終止冰銅的吹煉造渣反應(yīng) 2FeS+3O22FeO+SO2 +Q FeO+SiO22FeOSiO2+Q 6FeO+O26Fe3O4+Q 3Fe3O4+FeS+5SiO25（2FeOSiO2）+SO2 -Q 并得到冰銅（Cu2S熔體）造銅反應(yīng) 冰銅的氧化反應(yīng)及造粗銅 2Cu2S+3O22Cu2O+2SO2 Cu2S+2Cu2O2Cu+SO2 含硫量0.003%吹煉終止硫化物氧化反應(yīng)的G0-T關(guān)系硫火法精煉火法精煉扒渣 澆鑄為電極板電解火法精煉產(chǎn)出的精銅品位一般為99.299.7%，含有0.30.8%的雜質(zhì)。電解精煉的目的是：I、降低銅中的雜質(zhì)含量，從而提高銅的性能，使其達到各種應(yīng)用的要求；II

22、、回收其中的有價金屬，尤其是貴金屬和稀散金屬。濕法煉銅銅 礦溶 劑銅離子置換法溶 解電沉積氫還原銅 1.3 有色金屬冶煉濕法煉銅1.3 有色金屬冶煉先用溶劑將礦石中的Cu及其化合物溶解并轉(zhuǎn)入溶液，再利用萃取電積、置換電積、氫還原或熱分解等方法將溶液中的銅提取出來的過程。常 用的溶劑：酸性溶劑、堿性溶劑浸出方法：就地浸出、堆浸、槽浸、攪拌浸出從溶液中提取銅的方法：廢鐵置換、萃取、加熱分解二、鋁的冶煉1.3 有色金屬冶煉電 纜門 窗密度小強度高包 裝二、鋁的冶煉1.3 有色金屬冶煉拿破侖波拿巴1769-1821拿破侖三世是一個喜歡炫耀自己的人。他常常大擺宴席，宴請?zhí)煜沦e客。每次宴會，餐桌上的用具幾

23、乎全是用銀制成的，唯有他自己用的那一個碗是鋁制品.二、鋁的冶煉1.3 有色金屬冶煉鐵碳鋁8001900氧的走向用火法煉鋁的難度非常大二、鋁的冶煉1.3 有色金屬冶煉鋁具有兩個特點：化學(xué)活性很強，電負性大。因此，鋁的生產(chǎn)過程是先得到氧化鋁，然后進行熔鹽電解。這種方法成為工業(yè)上成熟的大規(guī)模煉鋁方法。 二、鋁的冶煉1.3 有色金屬冶煉Al2O3、冰晶石（Na3AlF6）及其它氟化鹽作為電解質(zhì)，其中插入碳素陰、陽極。陰極：Al3+(絡(luò)合)+3eAl陽極：2O2-+C-4eCO2總體： 2Al2O3+3e4Al+3CO2Al2O3熔點高，很難直接溶化。用冰晶石熔鹽電解是因為氧化鋁的熔點（2050）太高，

24、對電解設(shè)備的耐高溫性能要求過高。當(dāng)用冰晶石（熔點1010）作熔劑時，氧化鋁溶解于其中（溶解度約10%），將與氧化鋁形成低熔點共晶（T共 = 938），這時可在1000以下進行電解。通常的電解溫度是950-970 為什么用冰晶石？ 除冰晶石外，還要加入氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂等物質(zhì)，對改善電解質(zhì)性質(zhì)和提高電流效率有積極作用。 熔融鋁液中一般包含氣體元素（H）、氧化物、金屬間化合物、堿金屬和堿土金屬（如Na，Li，Ca等）等。這些夾雜損害冷熱成形性以及力學(xué)和化學(xué)性能，在鑄造之前必須盡可能徹底地將這些夾雜物從熔體中除掉，即精煉。 精 煉：鋁液中氣體和夾雜物的去除過程。吸附精煉非吸附精煉精 煉 指在熔體中加入吸附劑（各種氣體、液體和固體精煉劑等），與熔體中的氣體和固態(tài)夾雜物發(fā)生物理化學(xué)的、物理或機械的作用，達到除氣、除渣的方法。 屬于吸附精煉的方法有：吸附精煉吹氣精煉氯鹽精煉熔劑精煉熔體過濾（包括陶瓷管過濾和氧化鋁球過濾，濾掉夾雜物）NaCl, KCl, Na3AlF6, CaF, BaCl, MgCl2吹氣精煉 吹氣精煉是指向熔體中不斷吹入氣泡，在氣泡上浮過程中將氧化物夾