天津大学课件

第一篇金属材料的制备及加工工艺,主要内容,第一章金属材料的制备冶金第二章金属材料加工基础,第一章金属材料的制备冶金,1.1冶金工艺1.2钢铁冶炼1.3有色金属冶炼,主要内容,重点掌握钢、铁、铜、铝四种金属冶炼工艺,1.1冶金工艺,概述冶金定义冶金原因冶金工序冶金工艺火法冶金湿法冶金电冶金,概述,冶金的定义：关于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。冶金的原因：自然界中大多数金属元素都不是单独存在，而是以各种化合物或盐类的形式存在于各类矿物中。,氧化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐,冶金工序：冶金工艺：火法冶金、湿法冶金、电冶金,提取,提纯,加工成形,火法冶金,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。,钢铁、大多数有色金属,湿法冶金,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。,有色金属、稀有金属、贵金属,电冶金,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：,电热熔炼：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子熔炼和电磁熔炼等。,水溶液电解：应用水溶液电解精炼或电解提取金属的一种冶金方法。,熔盐电解：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。,1.1冶金工艺,概述冶金定义冶金原因冶金工序冶金工艺火法冶金湿法冶金电冶金,1.2钢铁冶炼,钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成供制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。,炼钢,炼铁,生铁冶炼概述原料主要装置高炉主要反应高炉产品钢的冶炼炼钢基本过程常见炼钢方法,1.2主要内容,1.2.1生铁冶炼,一、概述Fe在地壳中的含量及存在形式5%氧化物脉石：MnO2、SiO2炼铁的目的：使铁从铁的氧化物中还原，并与脉石分离。,二、炼铁的原料1、铁矿石（1）铁矿石的工业类型赤铁矿（Fe2O3）磁铁矿（Fe3O4）褐铁矿（2Fe2O33H2O）菱铁矿（FeCO3）（2）对铁矿石的质量要求：,含铁量愈高愈好还原性好粒度脉石的成分杂质含量要少一定的强度,铁矿石,熔剂,焦炭,2、熔剂（1）种类碱性熔剂酸性熔剂（2）主要作用降低脉石的熔点熔剂与高熔点的脉石形成低熔点、流动性好的硅酸盐矿渣，易于排除。去硫硫易与钙结合生成CaS进入渣中,3、燃料（焦炭）（1）作用提供热量还原剂（2）要求含碳量高有害杂质、水分、灰分、挥发分的含量低足够的机械强度气孔率大、粒度均匀,三、主要装置高炉,炉喉炉身炉腰炉腹炉缸,高炉结构图,高炉结构图,C,+O2=CO2,CO2+C=2CO,3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2,四、主要反应过程1、燃料的燃烧C+O2=CO2CO2+C=2CO2、铁的还原间接还原3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO2直接还原FeO+C=Fe+CO,放热反应18001900,CO为还原剂,C为还原剂,还原剂,燃料的燃烧铁的还原铁的增碳其它元素的还原,3、铁的增碳最初还原出来的铁似海绵，含碳量低，熔点高，下降过程中吸收碳，熔点降低，1200开始熔化。4、其它元素的还原锰的还原：高炉中的锰是由矿石带进的，以MnO2,Mn2O3,Mn3O4的形式存在，锰的还原过程也是顺序由高价还原成低价，最后还原成金属锰。,海绵铁,硅的还原：硅是以SiO2的形式存在于脉石中，由于SiO2很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，只有少量的SiO2在1450以上的高温被焦炭还原进入生铁。磷的还原：磷是以Ca3(PO4)2的形式存在于矿石中，在12001500可被固态碳还原：Ca3(PO4)2+5C=3CaO+2P+5CO,控制生铁含磷量的唯一办法就是控制炉料的含磷量,去硫：硫是钢铁材料中最有害元素之一。主要由焦炭带入，占到6080%。硫主要以硫化铁的形式存在，与石灰石中的氧化钙反应生成硫化钙进入炉渣。FeS+CaO=CaS+FeO造渣：造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与熔剂的熔合过程。,两措施:降低焦比提高炉渣脱硫能力（提高温度和炉渣碱度）,两作用:控制金属成分保护金属,四、高炉产品生铁（主要产品）：分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。煤气（副产品）：含26左右的CO，用作燃料。,鞍钢2000立方米高炉外景图,生铁冶炼概述原料主要装置高炉主要反应高炉产品钢的冶炼炼钢基本过程常见炼钢方法,1.2主要内容,1.1冶金工艺,概述冶金定义冶金原因冶金工序冶金工艺火法冶金湿法冶金电冶金,总结,生铁冶炼概述原料主要装置高炉主要反应高炉产品,总结,燃料的燃烧铁的还原铁的增碳其它元素的还原,铁矿石熔剂焦炭,炉喉炉身炉腰炉腹炉缸,生铁炉渣煤气,完！,生铁冶炼概述原料主要装置高炉主要反应高炉产品钢的冶炼炼钢基本过程常见炼钢方法,1.2主要内容,生铁和钢的比较,2%4.3%,0.03%2%,硅锰(较多)硫磷(较多),硅锰(适量)硫磷(较少),可铸不可锻,可铸,可锻,可压延,硬而脆,硬而韧,有弹性,1.2.2钢的冶炼,炼钢实质是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到规定的水平。炼钢方法是利用纯氧等氧化剂将杂质元素氧化成气体或炉渣。,炼钢是一个氧化过程,1、炼钢的基本过程（1）脱碳：脱碳反应是炼钢的最主要反应。直接氧化：2C+O2=2CO间接氧化:2Fe+O2=2FeOC+FeO=Fe+CO,脱碳硅、锰的氧化脱磷脱硫脱氧,（2）硅、锰的氧化直接氧化：Si+O2=SiO22Mn+O2=2MnO间接氧化：Si+2FeO=2Fe+SiO2Mn+FeO=Fe+MnO造渣SiO2与FeO，MnO与SiO2反应形成炉渣。SiO2+2FeO=2FeOSiO2SiO2+2MnO=2MnOSiO2SiO2+2CaO=2CaOSiO2,（3）脱磷磷在钢中是以磷化铁(Fe2P)形态存在，在炼钢过程中与炉渣中的FeO和CaO结合生成磷酸钙。2Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4P2O5+9Fe（4）脱硫硫是以硫化铁的形式存在，当渣中有足够的氧化钙时：FeS+CaO=FeO+CaS,几乎百分之百的磷都还原进入生铁，炼钢中脱磷很重要。,（5）脱氧脱氧是用脱氧剂除去钢液中残留的FeO中的氧，还原出铁，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集上浮到钢液表面。,2、常见的炼钢方法碱性平炉炼钢：以液态生铁或铁块和废钢为原料；利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。,平炉炼钢电炉炼钢转炉炼钢,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。,氧气顶吹转炉炼钢：以生铁液为原料；高压工业纯氧供氧；无需燃料。已成为现代冶炼碳钢和低合金钢的主要方法。,转炉的结构图,120吨转炉炼钢时的情景,炼钢炼铁视频,钢的冶炼炼钢基本过程常见炼钢方法,总结,脱碳硅、锰的氧化脱磷脱硫脱氧,平炉炼钢电炉炼钢转炉炼钢,炼铁和炼钢的比较,把铁从铁矿石中还原出来,降低含碳量;除硫磷等杂质;调节合金元素的含量,氧化-还原反应还原剂还原出铁,氧化-还原反应氧化剂氧化杂质除去,铁矿石、石灰石、焦碳、空气,生铁（废钢）、纯氧、氧化钙,炼铁高炉,转炉、平炉、电炉,1.3有色金属冶炼,铜的冶炼炼铜原料炼铜方法铝的冶炼炼铝原料铝冶金特点氧化铝的制备氧化铝的电解,一、铜的冶炼炼铜原料硫化矿：黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu3FeS3)、辉铜矿(Cu2S)、铜蓝(CuS)氧化矿：孔雀石(CuCO3Cu(OH)2)、硅孔雀石(CuSiO32H2O)、赤铜矿(Cu2O)、胆矾(CuSO45H2O),炼铜方法火法炼铜：主要处理硫化铜矿,湿法炼铜：主要处理氧化铜矿,火法炼铜,造锍熔炼（冰铜的形成）基本原理：造锍熔炼的目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部以Cu2S进入冰铜，部分铁以FeS的形式也进入冰铜，大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次，使冰铜与炉渣分离。,金属硫化物,主要反应：,黄铜矿,斑铜矿,冰铜,炉渣,冰铜转炉吹炼冰铜吹炼的实质是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，使冰铜中的FeS氧化变成FeO与加入的石英熔剂造渣，而Cu2S则经过氧化后又与Cu2S相互反应变成粗铜。,造渣反应：造铜反应：,粗铜中Cu的含量98.599.5%,粗铜的火法精炼目的：进一步除去铜中的少量杂质。原理：与炼钢相似。氧化过程还原过程,Cu的含量99.9599.97%,铜的电解精炼火法精炼铜作为阳极，电解铜作为阴极，引入直流电后，阳极铜进行电化学溶解，纯铜在阴极上析出，铜中的杂质或进入阳极泥，或保留在电解液中，从而实现铜和杂质的分离。,Cu的含量99.99%以上,1.3有色金属冶炼,铜的冶炼炼铜原料炼铜方法铝的冶炼炼铝原料铝冶金特点氧化铝的制备氧化铝的电解,1.3有色金属冶炼,铜的冶炼炼铜原料炼铜方法铝的冶炼炼铝原料铝冶金特点氧化铝的制备氧化铝的电解,二、铝的冶炼炼铝原料铝土矿：主要化学成分为Al2O3，另外还有SiO2、Fe2O3、TiO2和少量的CaO、MgO等。明矾石，霞石，高岭土铝冶金特点不能从矿石中直接得到粗金属包括两个环节：氧化铝的制取和氧化铝的电解,氧化铝的制备湿碱法（拜尔法）,铝土矿的浸出,不同条件下控制反应向不同方向进行,湿碱法干碱法,铝土矿的浸出晶种分解母液蒸发与苛化氢氧化铝的煅烧,晶种分解,母液的蒸发与苛化,氢氧化铝的煅烧,氧化铝的电解熔盐电解：用氧化铝、冰晶石及其它氟化盐等作为电解质的电解过程。为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？降低电解温度电解质熔体与金属铝的分层,电解反应阴极反应：阳极反应：总反应：,铝冶炼的主要过程：,铝的生产流程示意图,1.3有色金属冶炼,铜的冶炼炼铜原料炼铜方法铝的冶炼炼铝原料铝冶金特点氧化铝的制备氧化铝的电解,1.3有色金属冶炼,铜的冶炼炼铜原料炼铜方法,总结,火法炼铜,总结,1.3有色金属冶炼,铝的冶炼炼铝原料铝冶金特点