金属材料的制备参考幻灯片

第一节冶金工艺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。一、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火法冶金矿石准备：选矿：去除矿石中大量无用的脉石或有害矿物，以获得含有较多金属元素的精矿。干燥：去除矿石中的水分，干燥温度一般在400～600℃。焙烧：在一定的气氛下，将矿石加热到一定温度（低于熔点），使之发生物理化学变化以适应下一步冶金过程的要求。烧结和球团：选矿得到的细精矿不宜直接使用，需先加入溶剂再高温烧结成块，或添加粘结剂压制成型或滚成小球再烧结成球团。第一节冶金工艺概述火法冶金冶炼：将处理好的矿石，在高温下通过氧化还原生成粗金属和炉渣的过程。还原冶炼：使金属氧化物在高温熔炼炉还原性气氛下被还原成熔体金属的冶炼方法。加入的炉料：富矿、烧结矿、球团矿；造渣用的石灰石、石英石的溶剂；还加入焦炭、煤，既作为发热剂，产生高温，也作还原剂，使金属化还原。第一节冶金工艺概述火法冶金造锍冶炼：属氧化冶炼。主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿。生产上利用铜、镍、钴对硫的亲和力大于铁，而对氧的亲和力远小于铁的性质在熔炼过程中，使铁的硫化物不断氧化成氧化物随后与脉石造渣而除去。氧化吹炼：在氧化性气氛下进行冶炼，吹入氧气使生铁液中的硅、锰、碳、磷、硫等杂质被氧化炼成合格的钢水。第一节冶金工艺概述火法冶金精炼：对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的过程。物理精炼法熔析精炼：利用某些杂质金属或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性质，改变温度，使原来成分均匀的粗金属分相，形成多相体系，而将杂质分离到一种固体或液体中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。多用于提纯熔点较低的金属（Sn、Pb、Zn、Sb等），以去除熔点较高并与主金属形成二元共晶的杂质。第一节冶金工艺概述火法冶金物理精炼法精馏精炼：利用物质沸点不同，交替进行多次蒸发和冷凝去除杂质。适用于相互溶解或部分溶解的金属熔体。区域精炼：又称为区域熔炼或区域提纯，指根据金属液体混合物在冷凝结晶过程中偏析（即杂质在固液相中分配比例不同，将杂质富集到液相或固相中从而与主金属分离）的原理，通过多次熔融和凝固，达到精炼的目的。第一节冶金工艺概述火法冶金化学精炼法氧化精炼：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精炼方法。硫化精炼：用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质的精炼方法。氯化精炼：通入氯气或氯化物使杂质形成氯化物而与主金属和分离的精炼方法。碱法精炼：向粗金属加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣而被除去的精炼方法。第一节冶金工艺概述二、湿法冶金定义：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。大部分溶剂为水溶液，也称为水法冶金。工艺过程：浸出（固液）分离（金属或化合物）提取（溶液净化）富集第一节冶金工艺概述湿法冶金浸出：也称为浸取，是对矿石进行选择性溶解的过程。即借助于浸出剂从矿石、精矿等固体物料中提取所需金属可溶性成分，从而与其他不溶物质分离的过程。浸取剂不同：酸浸出、碱浸出、盐浸出化学过程不同：氧化浸出、还原浸出。浸出过程压力的不同：常压浸出、加压浸出。浸出方式：就地浸出、渗滤浸出、搅拌浸出、热球磨浸出、流态化浸出第一节冶金工艺概述湿法冶金固-液分离：是将浸出液与残渣分离成液相和固相，同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子洗涤回收的过程。沉降分离法：借助于重力的作用使固相沉积将液相与固相分离的方法过滤分离法：在压力的作用下，利用多孔介质拦截浸出液相中的固体离子，使液相与固相分离的方法。第一节冶金工艺概述湿法冶金第一节冶金工艺概述富集：对分离的溶液进行净化。一般浸出溶液中除欲提取的金属外，还有其他金属和非金属杂质，必须将他们分离出来才能最终提取所需的金属。方法：结晶、蒸馏、沉淀置换、溶液萃取、离子交换、膜分离等提取：通过电解、化学、置换、还原等方法从净化的溶液中获得金属或化合物方法三、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、感应熔炼、电子束熔炼等。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炼方法。包括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。适用于电极电位较负的金属，如Al、Mg、Ti、Be、Li、Ta、Nb等溶液电解：以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离子还原为金属析出（电解提取、不溶阳极电解），使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极（电解精炼、可溶阳极电解）的冶金过程。适用于电极电位较正的金属，如Cu、Ni、Co，Au、Ag等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、Al2O3、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）：42.8%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→烧结、造块（烧结矿或球团矿）→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（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：发热剂，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CO2CO2+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。由于量少，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，反应主要在高炉下部1000℃以上进行一、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，MnO反应式为：MnSiO3+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炉渣碱度：渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度之比。常用（CaO）和(SiO2)摩尔分数之比表示。铁矿石中硅的氧化物以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℃与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的过程。炉渣与熔融金属液不互熔，又比其轻，能浮在熔体表面，便