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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、火法冶金定义定义：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。（干法冶金）工艺过程工艺过程：矿石准备矿石准备冶炼冶炼精炼精炼选矿、干燥、焙烧、球化或烧结氧化还原提取金属除去杂质提纯金属工艺过程工艺过程：矿石准备矿石准备冶炼冶炼精炼精炼选矿、干燥、焙烧、球化或烧结氧化还原提取金属除去杂质提纯金属矿石准备矿石准备冶炼冶炼精炼精炼选矿、干燥、焙烧、球化或烧结氧化还原提取金属除去杂质提纯金属㈠、火法冶金的基本过程①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㈠、火法冶金的基本过程①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㈠、火法冶金的基本过程①矿石准备选矿焙烧烧结(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㈠、火法冶金的基本过程②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G－T图下方的曲线所表示的金属作还原剂，还原位于G－T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冶金工艺把上式的rGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与温度的关系图。yx22OMy2OMyx＝＋2为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序，埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：氧势图（Ellingham）的形成原理1.1冶金工艺㈠、火法冶金的基本过程②冶炼STHGrrθr（1）斜率是反应的熵变的负值（2）转折点一定是在该温度有反应物或产物的相变注意纵坐标是负数，越靠下，表示ΔG0的程度越大，自发进行的趋势越强。1.1冶金工艺㈠、火法冶金的基本过程②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㈠、火法冶金的基本过程②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㈠、火法冶金的基本过程②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㈠、火法冶金的基本过程②冶炼还原剂的选择还原剂和被还原金属生成化合物的标准吉布斯自由能及生成还原剂和被还原金属生成化合物的标准吉布斯自由能及生成热应有足够大的差值，以便尽可能不由外部供给热量并能使热应有足够大的差值，以便尽可能不由外部供给热量并能使反应完全地进行；反应完全地进行；还原剂在被提取金属中的溶解度要小或容易与之分离；还原剂在被提取金属中的溶解度要小或容易与之分离；形成的炉渣应易熔，比重要小，以利于金属和炉渣的分离；形成的炉渣应易熔，比重要小，以利于金属和炉渣的分离；还原剂纯度要高，以免污染被还原金属；还原剂纯度要高，以免污染被还原金属；应尽量选择价格便宜和货源较广的还原剂。应尽量选择价格便宜和货源较广的还原剂。1.1冶金工艺㈠、火法冶金的基本过程②冶炼◆除去有害杂质，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㈠、火法冶金的基本过程③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㈠、火法冶金的基本过程③精炼㈡、火法冶金的主要方法①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㈡、火法冶金的主要方法②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㈡、火法冶金的主要方法③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、脱磷、脱硅以及脱除其他元素.1.1冶金工艺㈡、火法冶金的主要方法④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㈡、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、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1.生产能力低，设备庞大，设备费用高，单位车间面积的生产能力远低于火法冶金；2.能耗大；3.存在废水、废渣的污染和治理问题。1.适于处理高、低品味原料，比如可处理铜低品味原料；2.能处理复杂矿物原料；3.多金属综合回收利用效果好；4.较少烟尘污染问题。湿法冶金1.存在高温含尘烟气污染问题，治理费用高；2.难以处理低品味原料；3.工作场地劳动卫生条件差。1.高温下反应速度快，单位设备生产率和劳动率高；2.能充分利用硫化精矿本身的能源，容易实现自热熔炼，产品单位能耗低；3.硫及金属产物能很好的富集金银等贵金属。火法冶金缺点优点方法1.生产能力低，设备庞大，设备费用高，单位车间面积的生产能力远低于火法冶金；2.能耗大；3.存在废水、废渣的污染和治理问题。1.适于处理高、低品味原料，比如可处理铜低品味原料；2.能处理复杂矿物原料；3.多金属综合回收利用效果好；4.较少烟尘污染问题。湿法冶金1.存在高温含尘烟气污染问题，治理费用高；2.难以处理低品味原料；3.工作场地劳动卫生条件差。1.高温下反应速度快，单位设备生产率和劳动率高；2.能充分利用硫化精矿本身的能源，容易实现自热熔炼，产品单位能耗低；3.硫及金属产物能很好的富集金银等贵金属。火法冶金缺点优点方法三、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㈠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㈠电热熔炼①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㈠电热熔炼①等离子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5000～20000℃之间。三、电冶金1.1冶金工艺㈠电热熔炼①等离子冶金三、电冶金1.1冶金工艺㈠电热熔炼②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㈠电热熔炼②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㈠电热熔炼②电磁熔炼细化晶粒1.1冶金工艺㈡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㈢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钢铁冶炼首钢集团上海宝钢集团武钢集团攀钢集团鞍本集团首钢集团上海宝钢集团武钢集团攀钢集团鞍本集团上海宝钢集团武钢集团攀钢集团鞍本集团1.2钢铁冶炼一、生铁冶炼生铁是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。㈠炼铁的原料磁铁矿（Fe3O4）赤铁矿（Fe2O3）褐铁矿（mFe2O3·nH2O）菱铁矿（FeCO3）㈠炼铁的原料矿石(ore)→破碎(crush)→筛分(screen)→富矿(high-gradeore)→混匀(mix)→高炉；矿石→破碎→筛分→贫矿(leanore)→磨矿(grinding)→筛分→选矿→造块→人造富矿→高炉燃料焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。粒度：大型高炉40~60mm；中型高炉25~40mm；小型高炉15~25mm；喷吹燃料：固体（无烟煤与烟煤粉）液体（重油、煤焦油）气体（天然气或焦炉煤气）熔剂熔剂主要使用石灰石(calcite)和白云石(dolomite)；熔剂的要求：有效成分含量高（CaO+MgO）；有害杂质S、P低；粒度均匀，强度好，粉末少。熔剂的作用：助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；脱硫（焦炭和矿石中S）。㈡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。㈡高炉（高炉）Blastfurnace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+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+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？㈢物理化学过程完全燃烧（发生在氧过剩的地区）C＋O2＝CO2不完全燃烧（发生在碳过剩的地区