金属材料的制备-冶金-年修改版103

1、金属材料的制备-冶金目 录1.1、冶金工艺1.2、钢铁冶炼1.3、有色金属冶炼1.1 冶金工艺一、火法冶金、火法冶金的基本过程矿石准备选矿 焙烧 烧结(球化)不加添加剂的焙烧，也称煅烧：I、分解矿石，如石灰石化学加工制成氧化钙，同时制得二氧化碳气体；II、活化矿石，目的在于改变矿石结构，使其易于分解，例如：将高岭土焙烧脱水，使其结构疏松多孔，易于进一步加工生产氧化铝；1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程矿石准备选矿 焙烧 烧结(球化)III、脱除杂质，如脱硫、脱除有机物和吸附水等；IV、晶型转化，如焙烧二氧化钛使其改变晶型，改善其使用性质。1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程矿石准备选矿 焙烧

2、 烧结(球化)高炉炼铁生产前，将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，烧结成块的过程。 目的：促进反应的发生1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼气体还原剂还原用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。固体碳还原用固体碳作还原剂还原金属氧化物。金属热还原用位于 GT 图下方的曲线所表示的金属作还原剂，还原位于GT 图上方曲线所表示的金属氧化物（氯化物、氟化物）以制取金属。1.1 冶金工艺1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼注意纵坐标是负数，越靠下，表示G0 的程度越大，自发进行的趋势越强。 1.1 冶金工艺、火法冶金的

3、基本过程 冶炼氧势图用于判断氧的走向：从上往下走除了氧势图，实际生产中还有碳、硫、氯、磷势图1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼火法冶金常用的燃料固体燃料煤和焦碳，其可燃成分为C气体燃料煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2液体燃料重油等，其可燃成分主要为CO和H21.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼火法冶金常用的还原剂固体还原剂煤、焦碳等，其有效成分为C；气体还原剂CO和H2等液体还原剂Mg、Na等C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼还原剂的选择1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 冶炼除去有害

4、杂质，生产出具有一定纯度的金属； 当金属中的杂质含量超过一定限度时，其物理、化学和机械性能会发生变化。生产出含有各种规定量的合金元素的金属，使其具有一定的物理、化学和机械性能；如合金钢的生产回收其中具有很高经济价值的稀贵金属“杂质”。如：粗铅、粗铜中的金、银及其他稀贵金属。1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 精炼利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异，形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留下来。1.1 冶金工艺、火法冶金的基本过程 精炼、火法冶金的主要方法 提炼冶金（不一定完全包括以下步骤）焙烧烧结（促进氧化还原反应）还原熔炼（还原出金属、含巨多

5、杂质）氧化熔炼（烧掉一部分杂质）造渣（用造渣剂把杂质变成渣后排出）造锍（把要提取的贵金属杂质以硫化物的形态富集于锍中。）精炼1.1 冶金工艺、火法冶金的主要方法 氯化冶金氯化冶金就是将矿石（或冶金半成品）与氯化剂混合，在一定条件下发生化学反应，使金属转变为氯化物再进一步将金属提取出来的方法。1.1 冶金工艺20世纪20年代，氯化冶金除了应用于镁的提取之外，还以氯化离析法用于提取有色重金属（主要是铜）。50年代以来，氯化冶金广泛用于稀有金属冶金中。 1.1 冶金工艺、火法冶金的主要方法 喷射冶金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。可用于金属的脱氧、脱硫

6、、脱磷、脱硅以及脱除其他元素.1.1 冶金工艺、火法冶金的主要方法 真空冶金在低于标准大气压条件下进行的冶金作业。可以实现大气中无法进行的冶金过程，能防止金属氧化，分离沸点不同的物质，除去金属中的气体或杂质，增强金属中碳的脱氧能力，提高金属和合金的质最。1.1 冶金工艺、火法冶金的主要方法 火法冶金的优点：简单粗暴，成本较低。 火法冶金的主要缺点：A、污染（粉尘、有毒气体）B、无法冶炼低品位矿石C、很难冶炼高熔点金属二、湿法冶金难熔化或微粉状的矿石低浓度矿石（金、铀）相似金属的分离（铪-锆）、（镍-钴）1.1 冶金工艺湿法冶金是指利用溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和

7、、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；主要过程：浸取、固-液分离、溶液的富集、从溶液中提取金属或化合物； 1.1 冶金工艺1.1 冶金工艺堆浸法将细菌溶液喷洒到预先堆置好的矿石堆上，有选择性地溶解（浸出）矿石中的目标金属成分，使金属形成离子或络合离子并使之转入溶液。1.1 冶金工艺就地浸出（地下浸出）I、无需采掘、装、运、提升等工序。II、基础建投资少，建设周期短，生产成本低等优点。III、特别是该方法基本不破坏或很少破坏山林与农田，不产生尾矿、废石，环境友好。1.1 冶金工艺1.1 冶金工艺全部的氧化铝、氧化铀、约74的锌、12的铜及多数稀有金属

8、都是用湿法冶金方法生产的；最大优点：环境的污染较小，能处理低品位的矿石。1.1 冶金工艺三、电冶金1.1 冶金工艺利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程称为电冶金；电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解三方面内容。三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 ：不同于火法冶金，电热冶金是直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包括电弧熔炼、电阻熔炼、等离子熔炼和感应熔炼等。三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 等离子冶金等离子是固体、液体、气体以为的第四种存在状态。温度极高的情况下，电子挣脱原子核的束缚，处于游离态。等，表示正负相等，为电中性。三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 等离子

9、冶金在一个紧缩的空间产生电弧，同时将惰性气体（氩），从一个小孔以高速喷射出，穿过这个空间而成为等离子射流。热量高度集中，可以达到非常高的温度。已有等离子枪的工作温度约在500020000之间。 三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 等离子冶金三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 电磁熔炼以电磁热流体力学理论为基础，研究冶金过程和材料制备的科学。它是借助电流、磁场所形成的电磁力，对冶金（材料制备）过程中金属的表面形态、流动、传质、化学反应、结晶等过程施加影响，以便控制其变化或反应过程。三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 电磁熔炼A 形状控制：电磁铸造、金属薄膜的电磁成行，电磁塑性成型，悬浮熔炼等B

10、驱动金属液体：电磁搅拌，电磁泵C 抑制流动：磁力制动，抑制波动D 悬浮：非金属夹杂物的电磁分离E 热量生成：感应熔炼，电磁加热、电弧熔炼、等离子熔炼等F 组织控制：晶粒细（粗）化，非晶金属制备三、电冶金1.1 冶金工艺电热熔炼 电磁熔炼细化晶粒1.1 冶金工艺水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。三、电冶金熔盐电解：利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水溶液或熔体中析出的冶金方法。1.2 钢铁冶炼1.2 钢铁冶炼1.2 钢铁冶炼一、生铁冶炼炼铁的原料炼铁的原料高炉 高炉冶炼特点：高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。可以数十年不停机。高炉 （高炉）Blast

11、furnace为什么要吹气？I、加速炭的燃烧，提高炉内温度。II、产生CO气体，促成（气相+固相）还原反应。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2固态的C也可以直接对铁矿石进行还原，但是固相-固相之间的反应，依靠原子扩散来进行，速度非常慢。为什么要吹气？物理化学过程 完全燃烧（发生在氧过剩的地区） CO2CO2 不完全燃烧（发生在碳过剩的地区） C+1/2O2=CO还发生以下反应： CO1/2O2CO2 CO2C焦 = 2CO H2OCH2C O物理化学过程 产品和副产品 生铁产品和副产品炉渣产品和副产品煤气将含尘量降到102

12、0毫克/m3。可作为工业上的燃料。一般高炉煤气总量的1/3左右用于自身热风炉的加热，其余可供动力、炼焦、炼钢、烧结、轧钢等部门使用。1.2 钢铁冶炼二、钢冶炼钢与生铁的区别1.2 钢铁冶炼二、钢冶炼（1）脱碳 脱碳反应是炼钢过程最重要的反应，其目的是将金属原料中的碳去除至要求的成分范围。 碳的氧化分两种方式：直接氧化和间接氧化。 直接氧化 2C + O2 2CO 间接氧化 Fe + O2 2FeOC + FeO Fe + CO 脱碳产生的CO气泡有利于钢液的搅拌沸腾，使成分均匀化，并能有效的清除钢液的气体和非金属夹杂。 （2）硅、锰的氧化 直接氧化 Si + O2 SiO22Mn + O2 2

13、MnO 间接氧化（主要是间接反应） Si + 2FeO SiO2 + 2FeMn + FeO MnO + Fe形成炉渣 （3）脱磷 磷在钢中以磷化铁（Fe2P）形态存在，在炼钢过程中，与炉渣的FeO和CaO相化合生成磷酸钙。 Fe2P + 5FeO + 4CaO (CaO)4P2O5 + 9Fe （放热反应） 低温脱磷有利，因为是放热反应；高碱度和强氧化性的炉渣也是脱磷的重要条件。CaO的数量既要保证把炉渣中的SiO2结合成2CaOSiO2，还要足够的量把全部磷结合成(CaO)4P2O5。 （4）脱硫 硫以FeS形式存在，当渣中有足够的CaO时 FeS + CaO FeO + CaS CaS不

14、溶解于钢液，形成渣相浮于钢液表面。但上述反应是可逆的，FeO过量时，反应向左进行，使硫重新回到钢液。为此，加入C，反应产物中没有FeO FeS + CaO + C Fe + CaS + CO（5）脱氧 脱氧是指用脱氧剂除去钢液中残留的氧化亚铁中的氧，还原出铁，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集上浮到钢液表面对氧的亲和力大于铁氧亲和力的元素都能脱氧，常用的脱氧剂有：锰铁、硅铁和铝等 脱氧过程的反应式 Me + FeO MeO + Fe碳脱氧 FeO + C Fe + CO锰脱氧 Mn + 2FeO MnO + Fe MnO不溶于钢液，把氧由钢液向渣中输送 MnO与SiO2、FeO结合形成低熔点化合物，

15、便于上浮 在凝固过程中Mn和S形成MnS，比FeS的熔点高得多，因而降低钢中S的有害作用。 硅脱氧 硅是强脱氧剂，它的脱氧产物是固体的SiO2. Si + 2FeO SiO2 + Fe 硅的脱氧能力与温度和炼钢方法和脱氧制度有关 温度低有利于脱氧（放热反应） 碱性法中比酸性法中强，因形成的SiO2与碱性氧化物作用生成稳定的复合氧化物，减少了自由SiO2的数量 当先用Mn进行预脱氧时，由于先生成的MnO2和SiO2的结合，也减少自由SiO2的数量，增加Si的脱氧能力。 常见的炼钢方法平炉炼钢该法的特点是容量大，我国平炉多为30-320吨，最大为500吨。主要不足是炼一炉钢需6-10小时。目前正在

16、由氧气顶吹炼钢工艺取代。 电弧炉电弧炉炼钢：依靠电极把电流引入熔炼室，在电极和金属炉料之间产生电弧使炉料熔化。电弧炉氧气顶吹转炉1.2 钢铁冶炼氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉炼钢法的缺点： I、吹炼前期化渣较慢； II、后期熔池钢水成份、温度、氧化性不均匀（吹的是铁液，无加热装置） 。炉外精炼及钢锭生产炉外精炼的基本任务1）均匀钢水成分和温度2）精准控制钢水成为和温度3）脱C、O、P、S4）去除钢中气体（H、N）5）去除夹杂物及控制夹杂物形态炉外精炼的基本手段1）渣洗 ；2）真空；3）搅拌；4）喷吹；渣洗1）概念由炼钢炉产生的钢水在钢包内通过钢液对合成渣的冲洗，进一步提高钢水质量的一种炉外精炼方法。

17、2）主要作用降低钢中的氧、硫和夹杂物含量。3）熔渣成分常用的合成渣系为CaO-Al2O3碱性渣系CaO=50-55%，Al2O3=40-45%，SiO25%，C0.10%，FeO1%4）熔渣的性质要求较高的碱度、较高的还原性、较低的熔点、良好的流动性适宜的密度、表面张力、电导率、扩散系数真空1.概念真空（处理）是指利用抽真空的方法降低钢水处理容器中的气体压力，达到去除钢中气体和非金属夹杂物。2.主要作用脱气（H2、N2）、脱氧、脱碳3.基本原理搅拌1.概念搅拌是指向流体系统提供能量，使该系统内产生运动，以达到钢水精炼的目的。2.主要作用脱气（O2、N2、H2）、去夹杂、均匀成分和温度3.搅拌方

18、法气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌气体搅拌电磁搅拌喷吹1.概念喷吹是根据流态化和气力传输原理，用氩气或其他气体作载体，将不同类型的粉剂喷入钢水中进行精炼的技术。2.主要作用脱P、脱S、脱O、合金化等3.基本原理通过气体将反应物料的固体粉粒吹入熔池深处，既可以加快物料的熔化和溶解，也可以增加反应界面，同时还强烈搅拌熔池，从而加速传输过程和反应过程。喂丝1.概念喂丝是将各类金属元素及附加料制成的粉剂，按一定配比，用薄带钢包覆，制成具有一定断面的包芯线，通过机械的方法加入钢液深处进行精炼的技术。2.主要作用脱O、脱S、控制夹杂物、合金化3.主要优点1）合金收得率高2）合金微调精准3）合金收得率高4.常见

19、包芯线Si-Ca、RE、Al、Mg、C、Ti-Fe等1.3 有色金属冶炼有色金属重金属轻金属贵金属稀有金属 重金属一般指比重大于5.0的金属包括铜、铅、锌、镍、锡等十多种金属1.3 有色金属冶炼一、铜的冶炼为什么不用高炉炼铜？从矿床开采出来的铜矿石中，铜的品位很低(0.5-2%)，不能直接用于冶炼，需经选矿富集成精矿再去冶炼。铜精矿的含铜量可达15-35%。 1.3 有色金属冶炼一、铜的冶炼硫化矿物：黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu3FeS2）、辉铜矿（Cu2S）、铜蓝（CuS）等。氧化矿物有：孔雀石（CuCO3Cu(OH)2）、硅孔雀石（CuSiO32H2O）、赤铜矿（Cu2O）、胆矾（

20、CuSO45H2O）等。火法冶金工艺：用于处理硫化铜矿。湿法冶金工艺：用于处理氧化矿。 火法炼铜先制得硫化物（造锍） 再将其氧化得到粗铜（转炉吹炼） 进行火法精炼（阳极炉） 电解精炼（阴极铜）Cu2S-FeS二元系相图熔炼温度 锍是怎么形成的？冰铜的吹炼造渣反应 2FeS+3O22FeO+SO2 +Q FeO+SiO22FeOSiO2+Q 6FeO+O26Fe3O4+Q 3Fe3O4+FeS+5SiO25（2FeOSiO2）+SO2 -Q 并得到冰铜（Cu2S熔体）造铜反应 冰铜的氧化反应及造粗铜 2Cu2S+3O22Cu2O+2SO2 Cu2S+2Cu2O2Cu+SO2 含硫量0.003%吹

21、炼终止冰铜的吹炼造渣反应 2FeS+3O22FeO+SO2 +Q FeO+SiO22FeOSiO2+Q 6FeO+O26Fe3O4+Q 3Fe3O4+FeS+5SiO25（2FeOSiO2）+SO2 -Q 并得到冰铜（Cu2S熔体）造铜反应 冰铜的氧化反应及造粗铜 2Cu2S+3O22Cu2O+2SO2 Cu2S+2Cu2O2Cu+SO2 含硫量0.003%吹炼终止硫化物氧化反应的G0-T关系硫火法精炼火法精炼扒渣 浇铸为电极板电解火法精炼产出的精铜品位一般为99.299.7%，含有0.30.8%的杂质。电解精炼的目的是：I、降低铜中的杂质含量，从而提高铜的性能，使其达到各种应用的要求；II

22、、回收其中的有价金属，尤其是贵金属和稀散金属。湿法炼铜铜 矿溶 剂铜离子置换法溶 解电沉积氢还原铜 1.3 有色金属冶炼湿法炼铜1.3 有色金属冶炼先用溶剂将矿石中的Cu及其化合物溶解并转入溶液，再利用萃取电积、置换电积、氢还原或热分解等方法将溶液中的铜提取出来的过程。常 用的溶剂：酸性溶剂、碱性溶剂浸出方法：就地浸出、堆浸、槽浸、搅拌浸出从溶液中提取铜的方法：废铁置换、萃取、加热分解二、铝的冶炼1.3 有色金属冶炼电 缆门 窗密度小强度高包 装二、铝的冶炼1.3 有色金属冶炼拿破仑波拿巴1769-1821拿破仑三世是一个喜欢炫耀自己的人。他常常大摆宴席，宴请天下宾客。每次宴会，餐桌上的用具几

23、乎全是用银制成的，唯有他自己用的那一个碗是铝制品.二、铝的冶炼1.3 有色金属冶炼铁碳铝8001900氧的走向用火法炼铝的难度非常大二、铝的冶炼1.3 有色金属冶炼铝具有两个特点：化学活性很强，电负性大。因此，铝的生产过程是先得到氧化铝，然后进行熔盐电解。这种方法成为工业上成熟的大规模炼铝方法。 二、铝的冶炼1.3 有色金属冶炼Al2O3、冰晶石（Na3AlF6）及其它氟化盐作为电解质，其中插入碳素阴、阳极。阴极：Al3+(络合)+3eAl阳极：2O2-+C-4eCO2总体： 2Al2O3+3e4Al+3CO2Al2O3熔点高，很难直接溶化。用冰晶石熔盐电解是因为氧化铝的熔点（2050）太高，

24、对电解设备的耐高温性能要求过高。当用冰晶石（熔点1010）作熔剂时，氧化铝溶解于其中（溶解度约10%），将与氧化铝形成低熔点共晶（T共 = 938），这时可在1000以下进行电解。通常的电解温度是950-970 为什么用冰晶石？ 除冰晶石外，还要加入氟化铝、氟化钙、氟化镁等物质，对改善电解质性质和提高电流效率有积极作用。 熔融铝液中一般包含气体元素（H）、氧化物、金属间化合物、碱金属和碱土金属（如Na，Li，Ca等）等。这些夹杂损害冷热成形性以及力学和化学性能，在铸造之前必须尽可能彻底地将这些夹杂物从熔体中除掉，即精炼。 精 炼：铝液中气体和夹杂物的去除过程。吸附精炼非吸附精炼精 炼 指在熔体中加入吸附剂（各种气体、液体和固体精炼剂等），与熔体中的气体和固态夹杂物发生物理化学的、物理或机械的作用，达到除气、除渣的方法。 属于吸附精炼的方法有：吸附精炼吹气精炼氯盐精炼熔剂精炼熔体过滤（包括陶瓷管过滤和氧化铝球过滤，滤掉夹杂物）NaCl, KCl, Na3AlF6, CaF, BaCl, MgCl2吹气精炼 吹气精炼是指向熔体中不断吹入气泡，在气泡上浮过程中将氧化物夹