材料工程基础 第一章

第一章金属材料的制备－冶金第二章铸造第三章金属的压力加工第四章金属的焊接第五章金属材料热处理金属材料的制备与加工工艺第一节冶金工艺概述第二节钢铁冶炼第三节有色金属冶炼第一章金属材料的制备－冶金因此，要获得各种金属及其合金材料．必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精练提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。第一节冶金工艺概述绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地壳之中。金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶金等。冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。火法冶金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：矿石准备冶炼精炼选矿、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第一节冶金工艺概述湿法冶金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分离的冶金过程。工艺过程：浸取固液分离金属或化合物提取溶液净化第一节冶金工艺概述电冶金定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。工艺分类：电热冶金：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。水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。第一节冶金工艺概述电化学冶金：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。包括水溶液电解和熔盐电解熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。第一节冶金工艺概述Fe在地壳中的含量为5％左右，在金属中仅次于铝，除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存在。铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2等)，这些统称为脉石。炼铁的目的就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原出的铁与脉石分离。第二节钢铁冶炼生产基本过程：（高炉的还原过程）（氧化过程）铁矿石→炼铁→炼钢→铸锭（连铸）→轧制→钢材铸造生铁铸造第二节钢铁冶炼1、炼铁的原料：铁矿石、熔剂和及燃料。一、生铁冶炼（1）铁矿石含铁矿物和脉石组成。赤铁矿(Fe2O3)：70%Fe红色磁铁矿(Fe3O4)：72.4%Fe黑色褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)：59.8%Fe黄褐色菱铁矿（FeCO3）：48.3%Fe淡黄色脉石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO等第二节钢铁冶炼一、生铁冶炼褐铁矿菱铁矿赤铁矿磁铁矿对铁矿石的要求：含铁量愈高愈好；30~70%，贫矿：Fe%＜45%富矿：Fe%＞45%还原性好；粒度适中；通常为10~25mm脉石成分中碱性氧化物含量高；杂质含量少；S%＜0.15%，P%＜0.4%，As%＜0.1%有一定强度冶炼前铁矿石的处理：主要通过选矿来提高矿石的品位:A:贫铁矿→破碎→筛分→细磨→选矿→精矿粉→混匀→造块（烧结矿成球团状）→筛分→储藏→过筛→称量→入炉。B:天然富矿→破碎→筛分→混匀→储藏→过筛→称量→入炉一、生铁冶炼1、炼铁的原料冶炼前铁矿石的处理：破碎和筛分；选矿：去掉大部分脉石和无用成分，Fe的品位达到60%或更高（水选、磁选）烧结：精矿、煤粉、石灰石及水混合，在烧结机或烧结炉中烧结。煤粉燃烧，产生1000~1100℃的高温，部分脉石熔融，与石灰石结合成硅酸盐，将精矿粘接在一起。形成坚固、疏松多孔的烧结矿。造块：将水润湿的精矿或精矿和溶剂的混合物，在圆盘或圆筒内滚成直径为10~30mm的球体，再经过干燥焙烧，形成球团矿。一、生铁冶炼1、炼铁的原料（2）熔剂作用：降低脉石熔点，生成熔渣；去硫种类：通常用碱性熔剂石灰石要求：碱性氧化物高（CaO+MgO）＞50%，酸性氧化物低(SiO2+Al2O3）≤3.5%P、S低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致一、生铁冶炼1、炼铁的原料（3）燃料作用：提供热量；还原剂；料柱骨架；渗碳剂要求：含碳量高；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；在常温及高温下要有足够的机械强度；气孔率要大，粒度要均匀常用的燃料：焦炭喷吹用燃料：10~30%，有的达40~50%，包括气体燃料（天然气、焦炉煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）一、生铁冶炼1、炼铁的原料2、高炉设备及工艺过程一、生铁冶炼图5-4高炉内型示意图一、生铁冶炼2、高炉设备及工艺过程炼铁高炉的结构炼铁工业设备图炼铁工业设备图焦炭熔剂铁矿石上料机高炉热风炉鼓风机喷吹燃料罐水渣煤气除尘生铁炉渣特殊生铁炼钢生铁铸造生铁净煤气渣棉建筑材料绝热材料炉尘其它用途空气冷风热风燃料一、生铁冶炼2、高炉设备及工艺过程（1）燃料的燃烧C+O2CO2C+O22COCO2+C2CO3、炼铁的物理化学过程（2）炉料的蒸发、挥发、及分解①水分的蒸发和结晶水的分解105℃以上，吸附水（游离水）可蒸发，对高炉无害。200℃开始，褐铁矿（2Fe2O3.3H2O）分解，400～500℃分解速度最大。约400℃高岭土（Al2O3.2SiO2.2H2O）开始分解，在500～600℃才迅速进行。②燃料挥发分的挥发焦碳中含挥发分0.7～1.3%，在风口被加热到1400～1600℃，这些挥发分进入煤气。由于量小，对煤气成分和冶炼过程影响很小。③碳酸盐的分解主要指CaCO3、MgCO3、FeCO3、MnCO3的分解反应，前两者为主，其反应式为：CaCO3=CaO+CO2-42520KcalMgCO3=MgO+CO2-26470Kcal一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程①CO作还原剂（间接还原）T＞570℃：3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO22Fe3O4＋2CO6FeO＋2CO26FeO＋6CO6Fe＋6CO2T＜570℃：3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO22Fe3O4＋2CO3Fe＋4CO2基本为放热反应，主要在高炉上部800℃以下的低温区进行。（3）铁的还原当T＜570℃时：Fe2O3Fe3O4Fe当T＞570℃时：Fe2O3Fe3O4FeOFe一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程②固体碳作还原剂（直接还原）高炉内固体碳的还原作用化学反应：FeO+CO=Fe+CO2+3250KJCO2+C=2CO—39600KJ综合以上反应结果相当于碳对氧化物的直接还原：FeO+C=Fe+CO—36350KJ吸热反应，在800~1000℃以上进行，反应主要在高炉下部1000℃以上一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程③氢作为还原剂（间接还原）当T570℃：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O当T570℃：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O3Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程铁矿石中锰以MnO2,Mn2O3和Mn3O4的形式存在，还原过程为：MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→Mn。MnO在还原前与SiO2结合生成硅酸盐，大量进入炉渣中，所以，生铁中的锰最终从炉缸内炉渣还原出来，反应式为：MnSiO3=MnO+SiO2-QMnO+C=Mn+CO-Q-QMnSiO3+C=Mn+SiO2+CO-Q高温和提高炉渣碱度有利于锰的还原，约有1/3的MnO能被还原，被还原的锰大约有40%~60%进入生铁。（4）锰的还原一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程铁矿石的硅的氧化物以SiO2的形式存在，二氧化硅还原过程是以固体碳为还原剂进行的直接还原。反应式为：SiO2+2C=Si+2CO-Q该反应为吸热反应，炉温愈高，硅被还原的数量愈多。（5）硅的还原一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程矿石中的磷主要以(CaO)3P2O5[Ca3(PO4)2]的形式存在，磷酸钙在1200~1500℃以固体碳为还原剂发生直接还原反应，反应为：(CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO而SiO2存在，又能与磷酸钙中的CaO相结合，使P2O5游离出来，从而加速磷酸钙的还原，反应为：2(3CaO·P2O5)+3SiO2=3(2CaO·SiO2)+2P2O52P2O5+10C=4P+10CO被还原出来的磷除小部分挥发外都溶入铁中，还原出来的磷与铁结合生成Fe2P或Fe3P并溶于生铁中，因此控制生铁含磷量的唯一方法是控制炉料的含磷量。（6）磷的还原一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程造渣是矿石中废料，燃料中灰分与熔剂熔合过程的产物。与熔融金属液不互熔，又比其轻，能浮在熔体表面，便于排出。mSiO2+pAl2O3+nCaO=nCaO·pAl2O3·mSiO2主要成分；SiO2、Al2O3、CaO,及少量MnO、FeO、CaS等。炉渣具有重要作用：1）熔化各种氧化物，控制生铁合格成分。2）浮在熔融液表面，能保护金属，防止其过分氧化、热量散失或不致过热。因添加剂不同，有酸性、碱性、中性渣。（7）造渣一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程矿石和焦碳等燃料中的硫主要以硫化铁的形式存在，与石灰石中的CaO(MgO)以及固体碳作用，发生的炉渣脱硫主要是在铁水滴入炉缸穿过渣层时进行的，反应为：[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q炉料带入的硫有三个去处，即分别进入生铁、炉渣和随煤气逸出高炉。即：S[铁]=S[料]-S[渣]-S[煤气]降低硫在生铁中含硫量，有以下途径：A、加强原料的准备处理，降低原料带入的流量；B、增强硫的挥发量使更多的硫进入煤气，而随煤气逸出；C、提高硫的分配系数（LS=（S）/[S]），提高脱硫能力。提高脱硫能力的方法：A.提高渣的碱度B.提高炉缸温度（8）脱硫一、生铁冶炼（8）铁的增碳炉料在高炉中下降的过程中，当进入1000~1100℃时，从矿石中还原出的铁与一氧化碳、焦炭相互作用，会溶入大量的碳，使铁的熔点降低，铁在炉身下部和炉腹处开始熔化，熔滴顺焦炭块流向炉缸，在此过程中，碳还会大量进入铁的熔滴，并达到饱和程度，其含碳量可达4%或更高。一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程4、炼铁的主要产品⑴生铁生铁是高炉冶炼的主要产品，一般生铁中W(Fe)为94%左右，W（C）为4%左右，其于Si、Mn、P、S等少量元素。生铁和钢在成分上的差别如下表；成分：CSiMnPS生铁2.110.50.5~2.00.1~0.40.07钢2.110.40.3~0.80.050.05生铁按用途分为三种：①炼钢生铁：占生铁总量的80%~90%,w(si)=0.6%~1.6%,w(s)0.07%。②铸造生铁，又称翻砂生铁，用于铸造生产。主要特点是含si较高，w(si)=2.75~3.25%，占产量的10%~20%。③特殊生铁：如铬铁、硅铁、锰铁[w(Mn)=10~25%]等，为高炉冶炼的铁合金。用于炼钢的脱氧剂和合金元素的添加剂。一、生铁冶炼4、炼铁的主要产品（2）炉渣按冶炼矿石的品位不同，冶炼1t生铁产生渣量0.3~0.8t之间。可用来制造水泥、造砖、矿渣棉等。（3）高炉煤气冶炼1t生铁可产生2000～3000m3的高炉煤气，其中含有质量分数约25%的CO，1%～4%的氢气，少量甲烷等可燃烧气体，其发热值为3000～4000KJ/m3。一座日产2000t生铁的高炉，每日产生的高炉煤气相当于500t标准煤（每千克发热量为293000KJ的煤）。或相当于500t原煤，使用前应除尘，使含尘量降到10～20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。一、生铁冶炼4、炼铁的主要产品5、高炉技术经济指标(1)有效容积利用系数（高炉利用系数）nn=P/VuP—生铁日产量（t/d）Vu—高炉有效容积（m3）每立方米高炉有效容积一昼夜（d）生产生铁的质量（t）单位为：t/m3·dn越