金属冶金概述

1、第七章第七章 冶金工程基础冶金工程基础材料工程基础材料工程基础第一节第一节 金属冶金概述金属冶金概述第七章冶金工程基础第七章冶金工程基础金属的分类1. 冶金工业的分类方法： 黑色金属（铁.铬.锰） 有色金属（除以上三种）2. 根据密度的大小分类： 轻金属（小于4.5g/cm3）如:铝.钾.镁.钠 重金属（大于4.5g/cm3）如:铁.铜.银.汞3. 根据地壳中的含量： 常见金属 如:铁.铜.锡 稀有金属 如:钽.锆.铌黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属金金属属材材料料铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢 工具钢工具钢 特殊性能用钢特殊性能用钢( (不锈钢及耐热钢不

2、锈钢及耐热钢) )轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛钛) ) 重金属重金属( (铜铜, ,锌锌, ,铅铅, ,镍镍) ) 贵重金属贵重金属( (金金, ,银银) )稀有金属稀有金属( (钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) ) 放射金属放射金属( (镭铀钍镭铀钍) )结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料难熔金属难熔金属( (钛锆铪钒铌钽钼钨钛锆铪钒铌钽钼钨) ) 稀土金属稀土金属( (钪、钇及镧系元素钪、钇及镧系元素) ) 铟，铟， 钨，钨， 锗，锗， 稀土，稀土， 钼，钼， 钛，钛， 钒钒工业的牙齿工业的牙齿战争金属战争金属工业味精工业味精空间金属空间金属最高熔点最高熔点蓝蓝铜铜矿矿磁

3、磁铁铁矿矿金属元素金属元素在自然界，在自然界，少数不活少数不活泼金属以泼金属以游离态存游离态存在，多数在，多数金属以化金属以化合态存在。合态存在。1、冶金的基本概念 1）冶金的概念 (冶金的目的或任务） 冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。 2）冶金包括： 提取冶金： 物理冶金：研究提取金属，存在化学反应研究提取金属，存在化学反应研究金属材料成型过程研究金属材料成型过程冶炼冶炼钛钛合合金金、金属的冶炼的实质及过程、金属的冶炼的实质及过程自然界中的金属大都以化合态存在自然界中的金属大都以化合态存在用化学的方法把化合态的金

4、属变成游离态用化学的方法把化合态的金属变成游离态要考虑的问题要考虑的问题矿石的矿石的富集富集合适的冶合适的冶炼方法炼方法如何如何精炼精炼金属冶炼的三金属冶炼的三大过程大过程、冶金工业发展历史人类社会发展史：原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会 人类使用材料的历史：人类使用材料的历史：石器石器青铜器青铜器铁器铁器工业化工业化( (钢铁钢铁)信息社会信息社会( (多种新材料多种新材料) )中国冶金的辉煌历史现代冶金过程冶炼过程 现代冶金过程轧钢过程4、冶金方法分类金属冶金按其原理可划分为四大基本类型 ：火法冶金（又称干法冶金）湿法冶金、电冶金粉末冶金。物理冶物理冶金金提取冶金提取冶金第二节第二节

5、火法冶金火法冶金第七章冶金工程基础第七章冶金工程基础一、基本概念概念：火法冶金是指利用高温（超过金属熔点温度）从矿物中提取金属或其他化合物的方法；顾名思义，这种生产工艺常利用火来加热得到高温。因这种工艺没有水溶液的参与，所以也叫干法冶金。典型的火法冶炼：炼钢，炼铜适用性：富集矿、硫化物矿特点：1）污染严重 2）对矿物品质要求高 3）生产成本低，易于大规模生产使用 4）产品纯度低，不易实现其它伴生金属的回收。二、二、 火法冶金主要工艺过程火法冶金主要工艺过程 ：除脉石、除脉石、得精矿得精矿富集和分富集和分离的过程离的过程除去杂除去杂质提纯质提纯金属金属1、矿石准备选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选

6、、磁选等。 精矿2. 干燥、焙解: 分解水化物或氢氧化物及碳酸盐，除去其中的水份、二氧化碳及有机物等。3、焙烧：除硫 焙砂4. 烧结：粉矿（精矿）球团烧结 块状物料。 烧结块不宜直接不宜直接加入鼓风加入鼓风炉炉2、熔炼煤、焦炭煤、焦炭溶解度、密度差溶解度、密度差原料原料 熔熔化化两种或以上互两种或以上互不相溶的液体产物不相溶的液体产物矿石（精矿、焙砂矿石（精矿、焙砂或烧结或烧结块）块）熔剂、氧化、还原剂、燃料熔剂、氧化、还原剂、燃料粗金属、金属富集物、粗金属、金属富集物、熔渣（脉石、灰分）熔渣（脉石、灰分）化学反应化学反应石灰石石灰石硅石硅石1、还原熔炼：以还原反应为主（氧化物矿）还原气氛熔炼

7、 MeO+C=Me+CO2； MeO+CO=Me+CO2； C+CO2=2CO2、氧化熔炼：以氧化反应为主（硫化物矿）。 MeS+O2=Me+SO2； MeS+1.5O2=MeO+SO2； MeS+MeO=MeS+MeO Me为杂质金属元素 闪速熔炼、熔池熔炼、漩涡熔炼、热风熔炼、富氧熔炼、自热熔炼3、精炼 将冶炼得到的金属进一步去除杂质，提高纯度的过程称为精炼。精炼包括：1）化学方法：氧化精炼：利用杂质对氧的亲和力大于主金属元素 Me+MeO=Me+MeO 硫化精炼：利用杂质对硫的亲和力大于主金属元素 MeS+Me=MeS+Me2）物理方法：区域提纯：改变温度，利用杂质和主金属熔化-结晶发生

8、相变规律不同精馏：利用物质沸点不同，进行多次蒸发、冷凝而除去杂质 3）电化学方法：电解提纯炼钢吹氧，粗炼钢吹氧，粗铜除铁铜除铁粗铅粗铅除铜、除铁除铜、除铁杂质元素变成杂质元素变成氧化物与脉石氧化物与脉石造渣除去造渣除去二、二、 火法冶金主要工艺过程火法冶金主要工艺过程 ：除脉石、除脉石、得精矿得精矿富集和分富集和分离的过程离的过程除去杂除去杂质提纯质提纯金属金属第三节第三节 湿法冶金湿法冶金第七章冶金工程基础第七章冶金工程基础一、基本概念定义：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

9、分离的冶金过程。典型的湿法冶炼：湿法炼锌（已占到世界锌产量的80%）适用性：贫矿、氧化物矿、海水、废渣、选矿尾矿特点： 1）污染可控 2）可用于对贫矿、废渣等的金属提取 3）生产效率低1、矿石准备1. 选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等。 2. 干燥、焙解: 3. 焙烧:矿石(精矿)加热(熔点)化学变化。包括有：硫酸化焙烧、如湿法提Cu、Zn等： MeS+1O2=MeO+SO2 SO2+O2=SO3 MeO+SO3=MeSO4氯化焙烧、矿石（精矿）+氯化剂可溶性氯化物（稀有金属冶金）如 TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO 4. 烧结：粉矿（精矿）球团烧结 块状物料。除硫、生成硫

10、除硫、生成硫酸盐、可溶性酸盐、可溶性化合物化合物二、二、 湿法冶金工艺过程湿法冶金工艺过程 ：高高温温加加压压浸浸出出超超细细振振动动研研磨磨浸浸出出外外力力场场的的作作用用强强化化催催化化剂剂活活化化浸浸出出沉沉降降分分离离过过滤滤分分离离蒸蒸馏馏沉沉淀淀结结晶晶溶溶液液萃萃取取离离子子交交换换膜膜分分离离将金属组分溶将金属组分溶解变为溶液解变为溶液蒸蒸汽汽压压难难熔熔固固体体过过饱饱和和萃取萃取用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的流程图用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的流程图第四节第四节 电冶金电冶金第七章冶金工程基础第七章冶金工程基础 ：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的利用电能从矿

11、石或其它原料中提取、回收、精炼金属的 冶金过程。冶金过程。 ： 也可看成是一也可看成是一种干法冶金技种干法冶金技术术 也可看成是一也可看成是一种湿法冶金技种湿法冶金技术术 电解过程：实则为一个氧化还原过程阳极：电流流出端 发生氧化反应：Me-2e=Me2+（金属溶解）阴极：电流流入端 发生还原： Me2+ +2e=Me（金属析出）一、电化学冶金一、电化学冶金电解精炼电解精炼电解提取电解提取电解精炼：以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应，电解精炼：以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应，这一过程称为这一过程称为电解精炼电解精炼或可溶性阳极电解；或可溶性阳极电解；电解

12、提取：使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行电解提取：使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行还原、分解的过程，称为还原、分解的过程，称为电解提取电解提取。依据所使用电解质的物理状态分为两种类型：1）水溶液电解：适用电负性比氢大的金属元素电极电位较正的金属2）熔盐电解：原则上适用于所有金属电极电位较负的金属氢氢负电位金属负电位金属 正电位金属正电位金属金属的电负性：金属的电负性：铝、镁、钛等碱、铝、镁、钛等碱、 碱土金属碱土金属铜、镍、钴、金、银等铜、镍、钴、金、银等原因：电负性小的金属盐的水溶液，其原因：电负性小的金属盐的水溶液，其分解电压比水的大，电解时只是使水电

13、分解电压比水的大，电解时只是使水电解析出氢和氧，而金属并不会析出。解析出氢和氧，而金属并不会析出。二、电热学冶金 电热冶金具有加热速度快、调温准确、温度高（可到2000以上），可以在各种气氛、各种压力或真空中作业，以及金属烧损少等优点。 1、电弧熔炼 2、电阻炉熔炼（高熔点金属） 3、电阻电弧熔炼 4、感应熔炼 5、电子束熔炼 6、等离子熔炼第五节第五节 粉末冶金粉末冶金第七章冶金工程基础第七章冶金工程基础 概念：粉末冶金最初是指在金属的熔点温度以下采用金属矿物或金属及合金粉末生产制备相应金属与合金材料或制品的冶金工艺过程。又称为“金属陶瓷法”。 对于难熔金属而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。

14、粉末粉末冶金过程冶金过程制粉制粉成型成型烧结烧结后续处理后续处理四种冶金方法的特点对比优点优点缺点缺点适用性适用性火法火法处理精矿能力大，能够利用处理精矿能力大，能够利用硫化物矿中硫的燃烧硫化物矿中硫的燃烧热，生产规模大，效率高。热，生产规模大，效率高。污染严污染严重，纯度低重，纯度低钢铁钢铁重有色金属硫化物矿重有色金属硫化物矿湿法湿法污染可控；原材料要求低，污染可控；原材料要求低，使用范围广；可使用范围广；可回收贵金属，稀有金属回收贵金属，稀有金属相对工艺相对工艺过程复杂过程复杂处理多金属矿，低品处理多金属矿，低品味矿，难选矿味矿，难选矿火法不能使用的氧化火法不能使用的氧化矿物原料矿物原料电电冶金冶