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金属材料及制备加工工艺 天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 第一节 冶金工艺概述 第二节 钢铁冶炼 第三节 有色金属冶炼 第一章 金属材料的制备冶金 因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过 各种方法将金属元素从矿物中提取提取出来，接着对粗炼金属 产品进行精练提纯精练提纯和合金化处理合金化处理，然后浇注成锭浇注成锭，加工成 加工成 形形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。 第一节 冶金工艺概述 绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、 碳化物等化合物的形式存在地壳之中。 金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶 金以及真空冶金等。 q 火法冶金 定义定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化 合物的方法。 工艺过程工艺过程： 矿石准备矿石准备 矿石冶炼矿石冶炼 精炼提纯精炼提纯 选矿、焙 烧球化或 烧结 金属化合物 的还原 除去杂质 提纯金属 工艺方法分类工艺方法分类： 火法冶金火法冶金 提取 冶金 真空 冶金 喷射 冶金 氯化 冶金 天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 q 湿法冶金 定义定义：湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在 水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和 络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属 进行提取和分离的冶金过程。 工艺过程工艺过程： 离离 子子 浸浸 取取 固固 液液 分分 离离 金属或化金属或化 合物提取合物提取 溶溶 液液 富富 集集 q 电冶金 定义定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精 炼金属的冶金过程。 工艺分类工艺分类： 电热熔炼电热熔炼 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电 热熔炼包括热熔炼包括电弧熔炼电弧熔炼、等离子熔炼等离子熔炼和和电磁熔炼电磁熔炼等。等。 水溶液电解：水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。 天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 熔盐电解：熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质 在熔池中进行电解。在熔池中进行电解。 Fe在地壳中的含量为5左右，在金属中仅次于铝， 除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化 合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存在。 铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物 (SiO2、MnO2 等)，这些统称为脉石。 炼铁的目的就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原 出的铁与脉石分离。 第二节 钢铁冶炼 原料：脉石、熔剂（如CaCO3用于造渣）以及焦炭等。 q 生铁冶炼 主要反应过程： CO2 C 2CO Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 生铁生铁（主要产品）： 分为炼钢生铁和铸造生铁。 炉渣炉渣（副（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主 要用于生产水泥。 煤气煤气（副（副产品）：含26左右的CO，用作燃料。 炼铁产品及副产品： q 钢铁冶炼 炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素 ，使其化学成分达到钢的要求。 炼钢的基本过程： 铁元素的氧化铁元素的氧化： 2FeO22（FeO） Si Mn P C (FeO ） （SiO2） （MnO） （P2O5） （CO） Fe 铁元素的再还原铁元素的再还原： 2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaOP2O5 FeS + CaO = FeO + CaS 由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。 造渣除造渣除P P、S S： 脱氧脱氧：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。 合金化合金化：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金 化处理。 炼钢的常见工艺： 碱性平炉炼钢：以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和矿 石供氧；以气体或液体燃料供热。 电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高 温(通常5000一6000)加热和熔化金属，金属熔化后加 入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、 锰、磷等元素的氧化 。当碳、磷含量合格 时，扒去氧化性炉渣 再加入石灰、萤石 、电石、硅铁等造渣 剂和还原剂，形成高 碱度还原渣，脱去钢 中的氧和硫。 氧气顶吹转炉炼钢： 熔池搅拌；放热升温；无需燃料。已成为现代冶炼碳 钢和低合金钢的主要方法。 第三节 有色金属冶炼 q 铜的冶炼 铜在地壳中的含量只有0.01，在自然界中大多以硫 化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜 矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。 铜精矿的火法冶炼： 精精铜矿铜矿熔熔 炼炼粗粗 铜铜冰冰 铜铜 火法精炼火法精炼电解精炼电解精炼纯纯 铜铜 目前，湿法冶炼的发展出现新的契机，基于环保的要 求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。 铜的湿法冶炼： 铜铜 矿矿 溶溶 剂剂 铜铜离子离子 置换法置换法 溶 解 电电沉积沉积 氢还原氢还原 铜铜 由于铝的化学性质活泼，不能通过各种化学处理直接 还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。 后来，人类发现电解法很容易制备金属铝，铝的价格 大约降低了20倍。 电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝的 矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到 纯铝。 q 铝的冶炼 铝的生产流程示意图 纯冰晶石 铝 锭 萤 石 铝 矿 石 生产氧化铝 纯氧化铝 电 解 制 铝 碳素材料 阳 极 糊 或 其 它 产 品 电极生产 选 矿 再熔或精炼 电 能 生产冰晶石 或 氟 化 物 铝冶炼的主要过程： Al33e Al AlO33- - 6