金属材料一般制备简介

1,材料合成与制备金属材料,金属材料方向李庆2011年3月,2,内容,1.金属材料一般制备简介2.先进凝固技术制备金属材料定向凝固、快速凝固、金属玻璃等3.金属薄膜制备金属基复合材料制备新技术新型金属材料特种制备,3,金属材料一般制备简介,4,零部件，板、带（片）、箔、丝、杆、管、型材，薄膜，粉末,纯金属、合金、金属间化合物、金属基复合材料,首先获得纯金属,种类多自然界中大多以化合物的形态存在性质各异,5,冶金原料,矿物、矿石与选矿,由一种或多种矿物组成的集合体称为岩石。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可以利用时，这种矿物的集合体就称为矿石。矿石中除含有有用矿物外，一般还含有大量的脉石矿物和杂质，其中有用矿物又包括主金属矿物、伴生有价金属矿物，主金属在矿石中的含量称为矿石品位。,矿物：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,6,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35，锌不小于20；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。,7,1.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。颚式破碎机圆锥破碎机辊碎机冲击式破碎机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。磨矿一般在水中进行，不能进行筛分，而采用分级，螺旋分级机、水力旋流器。,8,2.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。,9,重选,根据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：介质比重小于主金属矿物，大于脉石矿物,跳汰选矿：介质比重小于主金属矿物，大于脉石矿物,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,10,磁选,磁力、机械力,11,浮选,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。,矿物表面不同的润湿性可用浮选药剂在很大范围内调整。,12,纯金属制备冶金,1.火法冶金利用高温使原料熔化，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还原为金属，如：Cr2O3AlAl2O3Cr,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。,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。,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。,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。,13,2.湿法冶金低温下用溶剂处理矿石，在水溶液或非水溶液中进行氧化、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。包括浸取、固液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物四个过程。,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。,固液分离：过滤、洗涤或离心分离等。,溶液富集：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。,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。Al、W,14,3.电冶金利用电化学原理从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属。,水溶液电解：电解精炼电极电位高的稀贵金属和杂质落入底部或附于阳极形成阳极泥，电极电位低的杂质以离子形态留在电解液中。电解提取从富集后的浸取液中提取金属或化合物。不溶性电极，溶剂可经过再生后重复使用。,15,熔盐电解：铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高导电率、低熔点的熔盐（通常为几种卤化物的混合物）作为电解质在熔盐中进行电解。阴极反应Mn+neM阳极反应通常用碳作为阳极。例如电解MgCl2时，阳极的反应为：2ClCl22e；Al2O3在冰晶石中电解时，阳极上生成CO2：2O2CCO24e。,16,钢铁的冶金制备,17,1.原料矿石、熔剂、焦炭等,脉石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO，其中SiO2最多。有害元素硫、磷、铅、锌、砷等含量愈低愈好。,溶剂：目的是除去矿石中的脉石。熔剂和脉石反应生成熔点低、相对密度小的熔渣，浮于铁水上面，便于除去。最常用的是石灰石（CaCO3）,一、生铁冶炼,18,2.主设备高炉,19,3.物理化学过程燃料燃烧焦炭在炉缸区或风口遇热空气燃烧，生成CO2并放出大量热，使炉缸温度达18001900。随着炉气上升，含氧越来越少，同时炉气温度也不断降低，发生还原反应CO2C2CO。热源、还原剂。铁的还原Fe2O3Fe3O4FeOFe由CO、固体C逐步还原最初还原出来的铁如海绵状，称为海绵铁。海绵铁下降过程中吸碳，熔点降低，在1200左右开始熔化成为铁水。其他金属氧化物也被还原，被还原出来的锰、硅等元素熔于铁水中。石灰石分解与造渣CaCO3CaOCO2；mSiO2pAl2O3nCaOnCaOpAl2O3mSiO2熔渣吸收焦炭燃烧留下的灰分及未完全还原的氧化物（如FeO、MnO、HgO等）；CaO还促使FeS转变为CaS而熔于渣中。,20,二、炼钢,除去生铁中多余的碳、硫、磷等有害杂质，合金化。,氧化直接向高温金属熔池中吹入工业纯氧，或利用氧化性炉气和铁矿石供氧。首先与铁发生氧化反应：2Fe=2（FeO）然后熔体中Si、Mn、P、C等杂质与（FeO）反应，生成杂质氧化物和Fe。氧化物不熔于金属，而上浮进入熔渣或炉气中。造渣脱磷和脱硫2P5FeO4CaO5Fe4CaOP2O5（进入熔渣）FeSCaOFeOCaS（进入熔渣）脱氧及合金化锰铁、硅铁和铝。将FeO还原成Fe，脱氧产物上浮到钢液表面的渣中。向钢液中加入所需的合金元素，将钢的化学成分调整到要求。,21,22,23,纯铜的制备,一、原料,主要是铜矿石，其次是工业和生活中的铜及其合金的废件。黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu3FeS2）、辉铜矿（Cu2S）、铜蓝（CuS）；孔雀石CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石CuSiO32H2O、赤铜矿（Cu2O）和胆矾（CuSO45H2O）等。,原料成分Cu、Fe、Zn、Ni等硫化物；Fe、Cu、Zn、Si、Al、Mn、Ca、Mg等氧化物、少量硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐等。,24,二、造锍熔炼冰铜,1.高温反应高价化合物的分解4CuFeS22Cu2S4FeS2S2CuSCu2SSFeS2FeSSMeCO3MeOCO2MeSO4MeOSO2O22CuOCu2OO2各种化合物间的反应10Fe2O3FeS7Fe3O4SO23Fe3O4FeS10FeOSO2Cu2OFeSCu2SFeOCu2SCu2O6CuSO22CuFeSCu2SFe,2.造锍产物冰铜Cu2S少量FeS少量PbS、ZnS、Ni3S2、Au、Ag、Sb、Te、Se炉渣FeO、SiO2、CaO、Al2O3少量Cu2S和Cu2O。,25,26,27,28,29,三、冰铜转炉吹炼粗铜,铁、镍、铅等硫化物被氧化与加入的石英造渣转炉渣,白冰铜（Cu2O)吹炼氧化粗铜,30,四、粗铜的火法精炼火法精铜,1.粗铜中杂质砷、锑、铅、锡、锌、铁、钴、镍等杂质；硒、碲、锗、金、银等稀贵金属,2.精炼原理空气+铜氧化亚铜氧化亚铜+其它杂质铜杂质形成氧化物而被除去铜液中残存78%的氧化亚铜在还原阶段在熔体表面覆盖一层木炭，并吹入还原性气体（CH4、CO、H2等）氧化亚铜铜,31,五精铜电解精炼电解铜,1.目的火法精铜，含铜仅达99.5，不能满足工业要求。电解精炼：除去Fe、As、Sb、Pb等杂质；回收有价金属Au、Ag、Se、Te等。,2.原理阳极：火法精铜铸成阳极板阴极：纯铜片电解液：硫酸铜和硫酸的水溶液铜：阳极铜溶解，电解液中的铜离子在阴极析出电解铜稀贵金属：进入阳极泥回收杂质：留在电解液中,32,纯铝的冶金制备,铝与氧的亲和力很强，难以直接还原，故长期以来铝的价格极高。当人类发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝之后，铝的价格大约降低了20倍。,33,一、烧结法生产氧化铝,1.铝土矿主要成分Al2O3、Fe2O3、SiO2少量的TiO2。,2.回转窑烧结反应Al2O3Na2CO3=Na2OAl2O3CO2Fe2O3Na2CO3=Na2OFe2O3CO2SiO2Na2CO3=Na2OSiO2CO2TiO2CaCO3=CaOTiO2CO2SiO22CaCO3=2CaOSiO2CO2,34,3.浸出（稀碱溶液）Na2OAl2O34H2O2NaAl（OH）4Na2OFe2O32H2OFe2O3H2ONaOHNaAl（OH）4：进入溶液Fe2O3H2O、CaOSiO2等：组成赤泥,4.脱硅浸出液中含有一定量的SiO2（硅酸钠）向粗铝酸钠溶液中加入石灰，用蒸气加热，在57大气压下，经2小时的搅拌压煮后，绝大部分的氧化硅成为固体从溶液中析出。,5.精铝酸钠溶液分解Na2OAl2O3H2O2Al(OH)32NaOH（种子搅拌或碳酸化）,Al(OH)3：洗涤、煅烧、晶型转变Al2O3送电解,35,二、金属铝的制备氧化铝电解,36,固体氧化铝粉末不导电，为使其导电必须变为熔融状态。但氧化铝熔点很高（2050），因此采用冰晶石（Na3AlF6）作熔剂，形成的冰晶石和氧化铝熔体可在1000以下进行电解。,阳极反应2Al36e2Al阴极反应3O21.5C6e1.5CO2总反应Al2O31.5C2Al1.5CO2,37,钛的冶金制备,一、含钛矿物及精矿成分,金红石：TiO2钛铁矿：FeTiO3钙钛矿：CaTiO3钛硅酸钙：CaOTiO2SiO2钛精矿中主要杂质：FeO、Fe2O3、SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO,38,二、还原熔炼制备高钛渣,选择性还原用石油焦作还原剂，在一定温度下使Fe等氧化物还原成金属铁等，Ti以TiO2的形式保留在渣中，与液态的Fe等杂质分离，钛得以富集。产物：高钛渣、生铁,三、高钛渣的选择氯化得到TiCl4,高钛渣中的杂质：FeO、Fe2O3、SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO各种氧化物与氯相互作用的能力，从大到小排列如下：K2ONa2OCaO(MnO、FeO、MgO、HgO)TiO2A