材料制备技术-金属材料1(概述)2014.pdf

第一节 冶金工艺概述第一节 冶金工艺概述 第二节 钢铁冶炼 第三节 有色金属冶炼 第二节 钢铁冶炼 第三节 有色金属冶炼 第二章 金属材料的制备第二章 金属材料的制备 因此 要获得各种因此 要获得各种纯金属 合金 金属间化合物 金 属基复合材料 纯金属 合金 金属间化合物 金 属基复合材料 必须必须 1 冶金工艺概述 1 冶金工艺概述 绝大多数金属元素 除Au Ag Pt外 都以绝大多数金属元素 除Au Ag Pt外 都以氧化物 氧化物 碳化物等化合物的形式存在碳化物等化合物的形式存在地壳之中 将金属元素从矿物中提取 地壳之中 将金属元素从矿物中提取提取提取出来 对粗炼金属产品进行精练提纯 出来 对粗炼金属产品进行精练提纯精练提纯精练提纯和合金化处理和合金化处理合金化处理合金化处理 浇注成锭 浇注成锭浇注成锭浇注成锭 加工成形 加工成形加工成形加工成形 首先获得纯金属首先获得纯金属 矿物 矿石与选矿矿物 矿石与选矿 由一种或多种矿物组成的集合体称为由一种或多种矿物组成的集合体称为岩石岩石 岩石中 一种或几种矿物相对集中到一定程度 目 前技术经济条件下 岩石中 一种或几种矿物相对集中到一定程度 目 前技术经济条件下可以利用可以利用时 这种矿物的集合体就称为 时 这种矿物的集合体就称为 矿石矿石 矿石中除含有有用矿物外 一般还含有大量的 矿石中除含有有用矿物外 一般还含有大量的脉石 脉石 矿物和矿物和杂质杂质 其中有用矿物又包括 其中有用矿物又包括主金属矿物主金属矿物 伴生有价 金属矿物 伴生有价 金属矿物 主金属在矿石中的含量称为 主金属在矿石中的含量称为矿石品位矿石品位 矿物 矿物 有一定化学成分和物理属性的天然元素和化合物 有一定化学成分和物理属性的天然元素和化合物 岩石与矿石岩石与矿石 选 矿选 矿 除少数单金属高品位矿石可经破碎直接进行冶炼提取 和提纯金属外 大多数矿物需经过选矿来提高矿石品位后 再进行冶炼 冶金对金属含量有要求 如铜不小于 除少数单金属高品位矿石可经破碎直接进行冶炼提取 和提纯金属外 大多数矿物需经过选矿来提高矿石品位后 再进行冶炼 冶金对金属含量有要求 如铜不小于3 5 锌不小 于 锌不小 于20 目的 节约原料 燃料消耗 提高技术 经济指标 避免有害杂质在冶炼过程中进入金属影响金属质量 避免使冶炼过程复杂化 目的 节约原料 燃料消耗 提高技术 经济指标 避免有害杂质在冶炼过程中进入金属影响金属质量 避免使冶炼过程复杂化 1 矿石的破碎与细磨 筛分与分级矿石的破碎与细磨 筛分与分级 采出的矿石往往块度很大 使矿石中的有用矿物和脉石 杂质 分离 为了控制一定的粒度 还需筛分和分级 通常使用的 采出的矿石往往块度很大 使矿石中的有用矿物和脉石 杂质 分离 为了控制一定的粒度 还需筛分和分级 通常使用的破碎设备破碎设备包括 包括 颚式破碎机 颚式破碎机 圆锥破碎机 圆锥破碎机 辊碎机 辊碎机 冲击式破碎机冲击式破碎机 筛分筛分是将混合矿粒用条筛或振动筛按粒度分为两种或多种级别 的过程 是将混合矿粒用条筛或振动筛按粒度分为两种或多种级别 的过程 磨矿磨矿一般在水中进行 不能进行筛分 而采用一般在水中进行 不能进行筛分 而采用分级 分级 通常使用 螺旋分级机 水力旋流器 通常使用 螺旋分级机 水力旋流器 破碎机主要类型破碎机主要类型 旋回破碎机旋回破碎机 辊式破碎机辊式破碎机 锤式破碎机锤式破碎机 滚筒碎选机滚筒碎选机 2 选矿选矿 根据矿石中各种矿 物性质的不同 如 比重 磁性 表面 性质等 通过物 理 或物理化学的 方法把各种矿物分 离的过程 根据矿石中各种矿 物性质的不同 如 比重 磁性 表面 性质等 通过物 理 或物理化学的 方法把各种矿物分 离的过程 分类 分类 重选 磁选 浮选 重选 磁选 浮选 重 选重 选 有用矿物与脉石比重 粒度不同 在运动介质中的沉降速度不同 介质 水 空气 重液 悬浮液 有用矿物与脉石比重 粒度不同 在运动介质中的沉降速度不同 介质 水 空气 重液 悬浮液 重介质选矿 重介质选矿 以密度大于水的以密度大于水的介质介质作为作为分选介质分选介质的的选矿选矿方法方法 跳汰选矿 跳汰选矿 利用强烈利用强烈振动振动造成的垂直交变介质造成的垂直交变介质 通常是水或空气通常是水或空气 流 使矿粒按相对密度分层并通过适当方法分别收取轻重流 使矿粒按相对密度分层并通过适当方法分别收取轻重矿物矿物物 以达到 物 以达到分选分选目的的目的的选矿选矿过程过程 重矿物 轻矿物 隔膜式跳汰机示意图 摇床选矿 摇床选矿 横向运动的床面与矿粒间的摩擦力 纵向水流的冲力 上层轻矿物颗粒受到更大程度的水力推动 较多地沿床面的横向倾斜 向下运动 横向运动的床面与矿粒间的摩擦力 纵向水流的冲力 上层轻矿物颗粒受到更大程度的水力推动 较多地沿床面的横向倾斜 向下运动 洗水给矿 重矿物 轻矿物 图4摇床选矿示意图 磁 选磁 选 磁力 机械力 磁力 机械力 浮 选浮 选 原理 原理 药剂处理过 的矿粒在两相界面 选择性附着 药剂处理过 的矿粒在两相界面 选择性附着 通空气 不被水润 湿矿粒随气泡浮到 矿浆上面 易被水 润湿矿物粒子留在 矿浆中 通空气 不被水润 湿矿粒随气泡浮到 矿浆上面 易被水 润湿矿物粒子留在 矿浆中 矿物表面不同的润 湿性可用浮选药剂 在很大范围内调整 矿物表面不同的润 湿性可用浮选药剂 在很大范围内调整 纯金属的 冶金方法 纯金属的 冶金方法 火法冶金火法冶金 湿法冶金湿法冶金 电冶金等电冶金等 火法冶金火法冶金 定义定义定义定义 指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法 指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法 工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程 矿石准备矿石准备矿石准备矿石准备 矿石冶炼矿石冶炼矿石冶炼矿石冶炼 精炼提纯精炼提纯精炼提纯精炼提纯 选矿 焙烧 球化或烧结 选矿 焙烧 球化或烧结 金属化合物 的还原 金属化合物 的还原 除去杂质 提纯金属 除去杂质 提纯金属 工艺方法分类工艺方法分类工艺方法分类工艺方法分类 火法冶金火法冶金火法冶金火法冶金 提取 冶金 提取 冶金 真空 冶金 真空 冶金 喷射 冶金 喷射 冶金 氯化 冶金 氯化 冶金 利用高温使利用高温使原料原料熔化 进行物理化学反应 从矿石中 提取和提纯金属 用气体或固体还原剂将原料还原为金属 如 熔化 进行物理化学反应 从矿石中 提取和提纯金属 用气体或固体还原剂将原料还原为金属 如 Cr2 O3 Al Al2 O3 Cr 提炼冶金 提炼冶金 由焙烧 烧结 还原熔炼 氧化熔炼 造 渣 造锍 精炼等单元过程按照需要所构成的冶金方法 由焙烧 烧结 还原熔炼 氧化熔炼 造 渣 造锍 精炼等单元过程按照需要所构成的冶金方法 氯化冶金 氯化冶金 依靠不同金属氯化物的物理化学性质不 同 来有效实现金属的分离 提取和精炼 依靠不同金属氯化物的物理化学性质不 同 来有效实现金属的分离 提取和精炼 喷射冶金 喷射冶金 利用气泡 液滴 颗粒等高度弥散系统来 提高冶金反应效率的冶金过程 利用气泡 液滴 颗粒等高度弥散系统来 提高冶金反应效率的冶金过程 真空冶金 真空冶金 在真空条件下完成金属和合金的熔炼 精 炼 金属液在真空下脱氧 脱气等 在真空条件下完成金属和合金的熔炼 精 炼 金属液在真空下脱氧 脱气等 氯化冶金氯化冶金 定义定义定义定义 添加氯化剂 添加氯化剂 Cl2 NaCl CaCl2 等 使欲提取 的金属转变成氯化物 为制取纯金属作准备的冶金方法 等 使欲提取 的金属转变成氯化物 为制取纯金属作准备的冶金方法 原理原理原理原理 金属和金属的氧化物 硫化物或其他化合物在一 定条件下大都能与化学活性很强的氯反应 生成金属氯化 物 金属氯化物与该金属的其他化合物相比 具有熔点低 挥发性高 较易被还原 常温下易溶于水及其他溶剂等特 点 在冶金中 常常利用上述特性 借助氯化冶金有效地 实现金属的分离 富集 提取与精炼等目的 金属和金属的氧化物 硫化物或其他化合物在一 定条件下大都能与化学活性很强的氯反应 生成金属氯化 物 金属氯化物与该金属的其他化合物相比 具有熔点低 挥发性高 较易被还原 常温下易溶于水及其他溶剂等特 点 在冶金中 常常利用上述特性 借助氯化冶金有效地 实现金属的分离 富集 提取与精炼等目的 类型类型类型类型 氯化焙烧氯化焙烧氯化焙烧 氯化焙烧 视原料性质和下一步处理方法的不同 有中温 氯化焙烧 中温 氯化焙烧和高温氯化焙烧高温氯化焙烧 用于菱镁矿 MgCO3 和金红石 TiO2 的氯化 以生产镁和钛 亦用于处理黄铁矿烧渣 综 合回收铜 铅 锌 金 银等 中温氯化焙烧中温氯化焙烧 使被提取的金属氯化物在不挥发的条件 下进行 所产生的氯化物可用水或其他溶剂浸取而与脉石分 离 使被提取的金属氯化物在不挥发的条件 下进行 所产生的氯化物可用水或其他溶剂浸取而与脉石分 离 高温氯化焙烧高温氯化焙烧在被提取的金属氯化物能挥发的温度下进 行 所形成的氯化物呈蒸气状态挥发 与脉石分离 然后冷 凝回收 在被提取的金属氯化物能挥发的温度下进 行 所形成的氯化物呈蒸气状态挥发 与脉石分离 然后冷 凝回收 氯化氯化氯化离析 氯化离析 在矿石中加入适量的碳质还原剂 煤或焦炭 和氯化剂 在弱还原性气氛中加热 使有价金属形成氯化物 挥发 同时氯化物又在炭粒表面被还原为金属的过程 此法 已用于处理某些低品位或难选氧化矿 如氧化铜矿 氯化熔炼氯化熔炼氯化熔炼 氯化熔炼 使要提取的金属氯化物呈熔融状态的熔炼过程 例如通氯气于氧化镁和碳质还原剂的混合物中 使镁变成液 态氯化镁 氯化精炼氯化精炼氯化精炼 氯化精炼 例如 液态粗铝中所含的杂质 如钠 钙和气 体氢 或液态铅中所含的锌 都可用氯气进行精炼 氯化精 炼的工业应用较少 主要内容可概括为 各种金属元素或化合物的氯化 氯化物 主要内容可概括为 各种金属元素或化合物的氯化 氯化物 的分离和还原 的分离和还原 优点优点优点优点 对原料的适应性强 可处理各种不同类型的原料 甚至液态粗 金属 作业温度比其他火法冶金过程低 分离效率高 综合利用好 在高品位矿石资源逐渐枯竭的情况 下 对储量很大的低品位 成分复杂难选的贫矿来说 氯化冶金 将发挥它的作用 待解决问题 待解决问题 待解决问题 待解决问题 提高氯化冶金的经济效益 其中提高氯化剂的利用效率和氯化 剂的再生返回利用是关键性问题 急需解决氯化冶金设备的防腐蚀 环境保护 喷射冶金喷射冶金 定义及原理定义及原理定义及原理定义及原理 利用气流输送将冶金用粉末物料通过喷 枪直接吹入金属熔池内部 使金属得到精炼的工艺 利用气流输送将冶金用粉末物料通过喷 枪直接吹入金属熔池内部 使金属得到精炼的工艺 应用应用应用应用 可用于金属的脱氧 脱硫 脱磷 脱硅以及脱除 其他元素 合金化和成分微调 熔态还原和提取化合物中 有用元素 控制非金属夹杂物形态和控制金属凝固等过程 在钢铁冶炼方面 喷射冶金技术已广泛应用于 可用于金属的脱氧 脱硫 脱磷 脱硅以及脱除 其他元素 合金化和成分微调 熔态还原和提取化合物中 有用元素 控制非金属夹杂物形态和控制金属凝固等过程 在钢铁冶炼方面 喷射冶金技术已广泛应用于铁水预处理铁水预处理 强化炉内反应和钢液的 强化炉内反应和钢液的炉外精炼炉外精炼等 在有色冶金领域内 已开展了把喷射冶金技术用于铜精炼 铝合金化等方面的 试验研究工作 等 在有色冶金领域内 已开展了把喷射冶金技术用于铜精炼 铝合金化等方面的 试验研究工作 喷射冶金与传统的加入块状料或通过炉内渣层的精炼过程 相比 在冶金反应的热力学和动力学条件上有显著改善 喷射冶金与传统的加入块状料或通过炉内渣层的精炼过程 相比 在冶金反应的热力学和动力学条件上有显著改善 其 主要特点主要特点主要特点主要特点 载气强烈搅动熔池 使加入的物料在几分钟内达到均匀混合 喷入的粉料具有很大的比表面 表面积 容积 而金属熔体 内的组分与粉料的反应速度将随接触面积增大而显著提高 粉料与金属熔体组分间的反应区处于熔体内部 可大幅减轻炉 衬 炉渣和大气对反应过程的影响 在粉料颗粒上浮时 它与金 属的接触为瞬时接触 transitory contact 在顶面渣能够吸收 反应产物的条件下 这种接触方式可以使冶金反应在短时间内进 行得相当充分 并有可能进行不同程序 不同粉料的喷吹 以控 制反应及产物的组成和形态 湿法冶金湿法冶金 定义定义定义定义 低温下用溶剂处理矿石 低温下用溶剂处理矿石 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 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 工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程 离离离 离 子子子子 浸浸浸 浸 取取取取 固固固 固 液液液液 分分分 分 离离离离 金属或化金属或化金属或化金属或化 合物提取合物提取合物提取合物提取 溶溶溶 溶 液液液液 富富富 富 集集集集 浸取 浸取 选择性溶解 选择溶剂 使一种或几种有价金属 溶解进入溶液 与其他不溶物质分离 选择性溶解 选择溶剂 使一种或几种有价金属 溶解进入溶液 与其他不溶物质分离 固 液分离 固 液分离 使用过滤 洗涤或离心分离等方法 使用过滤 洗涤或离心分离等方法 溶液富集 溶液富集 利用结晶 蒸馏 沉淀 萃取 离子交换 电渗析 膜分离等方法 利用结晶 蒸馏 沉淀 萃取 离子交换 电渗析 膜分离等方法 提取 提取 采用电解 化学置换 氢还原等方法来提取金属 或化合物 采用电解 化学置换 氢还原等方法来提取金属 或化合物 电冶金电冶金 定义定义定义定义 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 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 工艺分类工艺分类工艺分类工艺分类 电热熔炼电热熔炼电热熔炼电热熔炼 直接用电加热生产金属的冶金方法 其包括直接用电加热生产金属的冶金方法 其包括直接用电加热生产金属的冶金方法 其包括 直接用电加热生产金属的冶金方法 其包括 电