材料工程基础-第一章

第一章金属冶金教学目标:１．了解什么是金属冶金？进一步习得一些常见的冶金工艺方法；２．掌握钢铁冶金的工艺流程；３．掌握有色金属冶金的工艺流程。定义:金属冶金是研究如何从矿山或其他原料中提取金属或金属化合物，并制成具有一定性能的金属材料的工程技术。金属的分类：现代工业中把金属分为黑色金属和有色金属两大类，如铁、铬、锰属于黑色金属，其余的金属都属于有色金属。那么金属的冶金也可以分为钢铁冶金和有色冶金。金属冶金第一节冶金工艺冶金工艺：火法冶金、湿法冶金和电冶金。1.1、火法冶金1、原料准备火法冶金是指在高温下矿石经过熔炼、精炼反应及熔化过程，使其中的金属与杂质分开，以获得较纯金属的工艺方法。火法冶金的基本过程分为：原料准备、冶炼和精炼三部分。矿石400~600℃干燥氧化还原或其他化学反应焙烧达到熔炼要求碳酸盐或氢氧化物还要进行煅烧，使得其变成金属氧化物，然后再进行上述步骤烧结和球团冶炼原料冶炼是指将处理好的矿石或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿石中的金属与杂质分离，形成金属液和熔渣的过程。按照冶炼的条件不同可分为：还原冶炼、造锍冶炼、氧吹冶炼等。还原冶炼是一种使金属氧化物料在高温熔炼还原气氛下被还原成金属熔体的冶炼方法。MeO+C＝Me+COMeO+CO＝Me+CO2CO2+C＝2CO2、冶炼造锍冶炼是属于氧化冶炼，主要用于处理硫化铜矿石和硫化镍矿石。利用铜、镍对硫的亲和力近似于铁，而对氧的亲和力远小于铁的物理化学性质，在氧化程度不同的造锍冶炼中使铁的硫化物不断氧化成铁的氧化物，进而使得品位的提高。氧化吹炼是在氧化气氛下进行冶炼，吹入氧气使得铁液中的硫、磷等杂质元素被氧化，或造渣、挥发与主体金属分离而获得粗金属。精炼是指进一步处理冶炼所得到的粗金属，以提高纯度。按照精炼的条件不同可分为：物理精炼法和化学精炼法。物理精炼法：熔析精炼、精馏精炼和区域精馏。熔析精炼是指利用杂质金属和其化合物在主金属中的溶解度随温度的降低而显著减少的特性，逐渐改变温度使粗金属中发生分相，形成多相系，将杂质分离到某一固相或液相中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。主要用于锡、铅、锌等金属。3、精炼精馏精炼是指利用物质沸点的不同，交替进行多次蒸发、冷凝除去杂质的精炼方法。精馏精炼适用于相互溶解或部分溶解的金属液体。区域精炼是利用金属液体混合物在冷凝结晶过程中的偏析现象，将杂质富集到液相或固相中，与主金属分离，获得精炼主金属的方法。化学精炼法：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼和碱性精炼。氧化精炼是利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化挥发除去的化学精炼方法。其主要原理是应用不同元素对氧的亲和力不同。硫化精炼是采用加入硫或硫化物去除粗金属中的杂质的化学精炼方法。主要考虑主金属与杂质金属对硫的亲和力。氯化精炼是向粗金属熔体中通入氯气或加入氯化物使杂质生产氯化物使杂质生产氯化物而与主金属分离的化学精炼方法。碱性精炼是向粗金属熔体中加入碱使杂质氧化并与碱结合生产渣而被除去的化学精炼法。主要用于粗铜除镍，粗铅除砷、锑等。1.2、湿法冶金湿法冶金是在常温或低于100℃以下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属分离和提取出来的过程。湿法冶金浸出分离富集提取酸性、碱性和盐性氧化和还原常压和加压就地、渗虑、搅拌和球磨过滤分离和沉降分离结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶液萃取、离子交换、膜分离电解、化学置换、还原1.3、电冶金电冶金是利用电能提取和精炼金属的方法，按照电能形式可分为电热冶金和电化学冶金。电冶金电热冶金电弧熔炼电阻熔炼电阻-电弧熔炼等离子熔炼感应熔炼电子束熔炼电化学冶金溶液电解熔盐电解第二节钢铁冶炼钢铁的冶炼包括两个部分：矿石生铁生铁钢2.1生铁的冶炼2006年-2013年钢材价格走势2015年-2016年钢材价格走势2016年8月23日——世界第四大铁矿石生产商表示，铁矿石市场经历了数年的价格下跌之后已经开始复苏，因过剩的低成本供应已经被吸收。燃料的作用C发热剂还原剂料柱骨架渗碳剂熔剂炉渣高炉炼铁的冶炼过程铁的还原温度大于570℃：3Fe2O3→2Fe3O4→6FeO→6Fe温度小于570℃：3Fe2O3→2Fe3O4→6FeFeO+CO=Fe+CO2CO2+C=2CO其他元素的还原①Si的还原SiO2+2C=Si+2CO②Mn的还原MnO2→Mn2O3→Mn3O4→Mn3O4→Mn④③P的还原Ca3(PO4)2+5C=3CaO+2P+5COS的还原石灰石的分解与造渣CaCO3=CaO+CO2mSiO2+pAl2O3+nCaO=mSiO2·pAl2O3·nCaO高炉炼铁产品生铁炼钢生铁铸造生铁铁合金炉渣水渣渣棉干渣煤气炉尘高炉炼铁的技术指标：1、高炉有效容积利用系数2、焦比3、燃烧比4、冶炼强度5、生铁合格率6、生铁成本7、炉龄高炉炼铁技术：1、高炉大型化自动化2、高炉冶炼低硅生铁3、高炉使用金属炉料4、高炉喷吹还原气体非高炉炼铁技术：直接还原炼铁和熔融还原炼铁2.2钢的冶炼钢和生铁的主要区别？什么是炼钢？从生铁到钢需要哪些工艺步骤？项目钢生铁含碳量≤2%，一般为0.04-1.7%＞2%，一般为2.5-4.3%含Si、Mn、P、S量较少较多熔点1450-1530℃1100-1150℃力学性能强度、塑性、韧性好硬而脆，耐磨性好铸造性能较好好锻造性能好差焊接性能好差可加工性能好好热处理性能好差钢和生铁的主要区别炼钢的基本任务：脱碳、去P和S、去气和去除非金属夹杂物、脱氧与合金化、调整温度、浇注。炼钢的基本方法：平炉炼钢、转炉炼钢、电炉炼钢。转炉构造模型图解电弧炉构造模型图解电炉的优点有：炉内气氛容易控制、物料加热快、加热温度高、温度容易控制等。包括电弧炉、感应炉、电渣炉等。炼钢原料金属料非金属料氧化剂铁液废钢合金钢造渣剂冷却剂增碳剂和燃料氧气铁矿石氧化皮炼钢的基本原理及过程元素的氧化、造渣除磷和硫、脱氧及合金化、炉外精炼、钢的浇铸。元素的氧化2[Fe]+2[O]=2(FeO)2(FeO)+[Si]=(SiO2)+2Fe(FeO)+[Mn]=(MnO)+[Fe]5(FeO)+2[P]=(P2O5)+5[Fe](FeO)+[C]=(CO)+[Fe]造渣脱磷、硫2P+5FeO+3CaO=5Fe+(3CaO·P2O5)2P+5FeO+4CaO=5Fe+(4CaO·P2O5)[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS)脱氧及合金化沉淀脱氧法扩散脱氧法真空脱氧法镇静钢沸腾钢半镇静钢炉外精炼脱氢、脱氧、脱碳、非金属夹杂物的形态控制，成分调整（添加合金）、钢液成分、温度的微调及均匀化、脱磷钢的浇铸模铸法连铸法作业P321、什么是火法冶金？简述火法冶金的工艺过程。3、简述火法冶金中精炼的方法有哪些？复习1、金属冶金的工艺？2、湿法冶金的步骤？3、铁矿石的分类？铁的还原？4、钢和生铁的区别？第三节有色金属冶炼冶金工艺：火法冶金、湿法冶金和电冶金。有色金属分类有色重金属有色轻金属贵金属稀有金属密度在4.5以上的，铜、锌、铅、锡等密度在4.5以下的，铝、镁、钙等锂Li、铷Rb、铯Cs、铍Be、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨1.3.1铜冶金一、铜的性质与用途（1）性质：玫瑰红色；延展性好；导电、导热性好；液态时易溶解某些气体；熔点1083℃，沸点2310℃，常温比重8.96g/cm3。常温干燥空气中不易氧化，但在有CO2存在的潮湿空气中易生成CuCO3·Cu(OH)2即铜绿，有毒；Cu在185℃时开始与氧作用，低于350℃时生成Cu2O，高于350℃时生成CuO。（2）用途：在电器工业、机械制造业、国防及其他方面，如建材、热工、冷却、和民用等方面有广泛应用。铜的主要矿物矿物类别矿物名称化学分子式%Cu密度／g·cm-3颜色自然矿物自然铜Cu1008.9红色硫化矿物辉铜矿铜蓝黄铜矿斑铜矿硫砷铜矿黝铜矿Cu2SCuSCuFeS2Cu4FeS4Cu3AsS4（Cu,Fe)12Sb4S1379.866.734.663.549.025.05.5-5.84.6-4.74.1-4.35.064.454.6-5.1灰黑色红蓝色黄色红蓝色灰黑色灰黑色氧化矿物赤铜矿黑铜矿孔雀石蓝铜矿硅孔雀石胆矾Cu2OCuOCuCO3·Cu(OH)22CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2OCuSO4·5H2O88.879.957.568.236.225.57.145.8-6.14.053.772.0-2.22.29红色灰黑色亮绿色亮蓝色蓝绿色蓝色（2）炼铜方法及其工艺流程有两大类型：火法冶金：适于硫化矿，经过造锍熔炼→吹炼→火法精炼→电解精炼铜精矿的火法冶炼：火法炼铜适于硫化矿过程：造锍熔炼→吹炼→火法精炼→电解精炼(1)造锍熔炼①基本原理造锍熔炼目的：a）使矿石中铜尽可能形成Cu2S，与部分铁形成的FeS熔化，混合成冰铜，大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣排出。b）使冰铜与炉渣分离。为此需有两个保证：①炉料内有足够的硫以形成冰铜②炉渣中SiO2接近饱和，使冰铜，炉渣不致混熔。②熔炼过程化学反应高温下化学反应分两大类：高价硫化物，碳酸盐、硫酸盐的热分解，各种化合物相互作用。具体如下：1)高价硫化物，碳酸盐、硫酸盐的热离解：4CuFeS2→2Cu2S+4FeS+S2↑2Cu3FeS3→3Cu2S+2FeS+1/2S2↑FeS2→FeS+1/2S2↑CaCO3→CaO+CO2↑ZnSO4→ZnO+SO2↑+1/2O2↑S+O2→SO2↑产物CO2和SO2进入烟气中2)各种化合物的相互作用及造锍、造渣：3Fe3O4+FeS→10FeO+SO2↑Cu2O+FeS→Cu2S+FeOZnO+FeS→ZnS+FeO造锍：Cu2S+FeS→Cu2S·FeS造渣：FeO+SiO2→2FeO·SiO22CaO+SiO2→2CaO·SiO2(2)冰铜转炉吹炼该法实质是往液体冰铜吹入一定压力的空气，使其中FeS氧化变成FeO，与加入的石英熔剂造渣，Cu2S则氧化后，又与Cu2S反应变成粗铜。氧化反应的热量能使整个反应在1200～1400℃。主要反应阶段为造渣及造铜阶段。（4）铜的电解精炼是将火法精炼铜作阳极，电解铜作阴极（又称始极片）相间的装在电解槽中，用硫酸铜和硫酸溶液作电解液，引入直流电后，阳极铜发生电化学溶解反应，在阴极上析出，铜中杂质和有价元素，或者进入阳极泥或者落在电解液中。1.3.2铝冶金由于铝的化学性质活泼，不能通过各种化学处理直接还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。后来，人类发现电解法很容易制备金属铝，铝的价格大约降低了20倍。电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到纯铝。一、铝的性质和用途性质：银白色，密度：2.7g/cm3，熔点：660.24℃导电、导热性好非磁性材料具有良好的塑性和韧性，具有良好的抗蚀性易与卤素元素、S、C化合，生成相应的卤化物（AlCl3）、硫化物(Al2S3）和碳化物(Al4C3)用途：纯铝：电器工业中用作电线、电缆、导电板，电工制品铝合金：交通运输、军事工业上用作汽车、装甲车、坦克、飞机及舰艇部件；建筑工业作门窗框架；轻工业中用作包装品、生活用品和家具二、氧化铝的生产（1）拜耳法：典型的湿法冶金，在氧化铝生产中占绝对优势。实质是在不同条件下，控制反应向不同方向进行：Al2O3·3H2O(或Al2O3·H2O)+NaOH→（浸出/分解）NaAl(OH)4+赤泥→（晶种分解/蒸发、苛化）Al(OH)3→（煅烧）Al2O3。（2）碱石灰烧结法适于处理铝硅比小于4的铝土矿1）实质：是铝土矿与足量Na2CO3、石灰配成炉料，在1200℃下烧结，生成可溶于水的铝酸钠（Na2O·Al2O3）。其中SiO2与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙（2CaO·SiO2），用稀碱溶液浸出Na2O·Al2O3，与2CaO·SiO2分离。溶液脱Si后通入CO2气体进行碳酸化分解，析出Al(OH)3及碳分母液，用过滤机将两者分离。氢氧化铝经洗涤后，最终送煅烧，分解成