金属材料的制备冶金Word下载.docx

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地球上已发现86种金属元素，除金、银、铂等金属元素能以自然状态存在外，其他绝大多数金属元素都以氧化物（例如Fe2O3）、硫化物（例如CuS）、砷化物（例如NiAs）、碳酸盐（例如FeCO3）、硅酸盐（例如CuSiO3·

2H2O）、硫酸盐（例如CuSO4·

5H2O）等形态存在于各类矿物中。

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炼提纯和合金化处理，然后浇注成锭，轧制成材，才能得到所需成分、结构、性能和规格的金属材料。

1.1.2冶金的方法

冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金和电冶金三大类。

火法冶金

湿法冶金

电冶金

特点

利用高温

溶液化学作用

电能

优点

成本低

适用范围广

处理低品位的矿石，

环境保护，

生产过程实现连续化和自动化

与氧结合紧密的金属，环保

缺点

环境污染

溶剂受限

合适的电解液，有的需要大型仪器

主要反应

还原，氧化

氧化、还原、中和、水解及络合

氧化还原，电解

用途

钢铁及大多数有色金属

有色金属、稀有金属及贵金属，氧化铝、氧化铀

铁合金，废钢，贵金属

1.1.2.1火法冶金

火法冶金：

利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。

特点：

火法冶金是生产金属材料的重要方法，钢铁及大多数有色金属（铝、铜、镍、铅、锌等）材料主要靠火法冶金工艺生产。

用火法冶金方法提取金属的成本较低，所以，火法冶金是生产金属材料的主要方法。

缺点：

火法冶金存在的主要问题是污染环境。

1．火法冶金的基本过程

火法冶金通常包括矿石准备、冶炼和精炼三个过程。

（1）矿石准备

采掘的矿石含有大量无用的脉石，需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。

经过选矿后，有时还需对矿石进行焙烧、球化或烧结等。

（2）冶炼

将处理好的矿石，用气体或固体还原剂还原为金属的过程称为冶炼。

金属冶炼所采用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属等。

以金属热还原法为例，用Ca，Mg，Al，Na等化学性质活泼的金属，可以还原出一些其他金属的化合物。

例如，利用Al可以从Cr2O3还原出金属Cr：

Cr2O3+Al→Al2O3+Cr

同样，利用Mg可以从TiCl4还原出金属Ti：

TiCl4+Mg→MgCl2+Ti

但是活泼金属比较贵，在自然界也是以化合态存在，作为还原剂成本太高,氢气成本高，作为可燃性气体安全系数不高。

CO虽然在自然界存在很少，却可以用廉价的焦炭制取，所以是最佳的还原剂。

（3）精炼

冶炼所得到的金属含有少量的杂质,需要进一步处理以去除杂质，这种对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的处理过程称为精炼。

2．火法冶金的主要方法

火法冶金的主要方法有提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金和真空冶金等。

（1）提炼冶金

提炼冶金是指由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造硫、精炼等单元过程按照需要所构成的冶金方法。

提炼冶金是火法冶金中应用最广泛的方法。

（2）氯化冶金

通过氯化物提取金属的方法称为氯化冶金。

氯化冶金主要依据不同金属氯化物的物理化学性质，来有效实现金属的分离、提取和精炼。

轻金属和稀有金属的提取多采用火法氯化冶金。

（3）喷射冶金

利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的冶金过程称为喷射冶金。

喷射冶金是70年代由钢包中喷粉精炼发展起来的新工艺。

（4）真空冶金

在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼、重熔、铸造等冶金单元操作，以及使金属液在真空下脱氧、脱气、挥发、减免二次玷污等的工艺原理和方法称为真空冶金。

真空冶金是提高金属材料质量，保证高技术所必需的特殊材料生产的重要方法。

1.1.2.2湿法冶金

湿法冶金：

是利用一些溶剂的化学作用，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。

湿法冶金包括浸取、固—液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等四个过程。

1．浸取

浸取是选择性溶解的过程。

通过选择合适的溶剂使被处理过的矿石中包含的一种或几种有价值的金属选择性地溶解进入溶液，从而与其他不溶物质分离。

根据所用的浸取液的不同，可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等。

在选择浸取液时，不仅要考虑它应具有高的浸取率和选择性好，而且要考虑它应易于过滤和回收。

2．固—液分离

固—液分离包括过滤、洗涤或离心分离等操作。

在固—液分离的过程中，一方面要将浸取的溶液与残渣分离，另一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子等回收利用。

3．溶液的富集

富集是对浸取溶液的净化和浓集过程。

富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取、膜分离或其他方法。

4．提取金属或化合物

在金属材料的生产中，常采用电解、化学置换和加氢还原等方法来提取金属或化合物。

例如用电解法从净化液中提取Au，Ag，Cu，Zn，Ni，Co等纯金属；

而Al，W，Mo，V等多数以含氧酸的形式存在于净化液中，一般先析出其氧化物，然后用氢还原或熔盐电解制取金属。

湿法冶金在有色金属、稀有金属及贵金属等生产中占有重要地位。

世界上全部的氧化铝、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。

湿法冶金的最大优点是对环境的污染较小，能处理低品位的矿石。

1.1.2.3电冶金

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个方面。

1．电热熔炼

用电加热生产金属的冶金方法称为电热熔炼。

铁合金冶炼及用废钢炼钢主要采用电热熔炼。

电热熔炼包括电弧熔炼、等离子冶金和电磁冶金等。

（1）等离子冶金

等离子是清洁能源，是电能转换为热能的最有效途径。

等离子弧有非常高的能量密度，为超高温冶金提供了有力条件。

等离子弧可以方便地控制气氛。

无论是在大规模熔炼铁合金或有色金属、快速加热钢液或高炉风口方面，还是在惰性气氛下重熔或熔铸金属方面，都有广阔的发展前景。

（2）电磁冶金

利用电磁感应在金属熔体内产生可控流动的冶金过程称为电磁冶金。

早期利用电磁力对钢包和连铸坯的钢液进行搅拌以改善钢的质量；

近来又发展了悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、电磁铸造等。

电磁冶金对于防止耐火材料污染金属、熔炼难熔及活泼金属具有重要作用。

2．水溶液电解

在电冶金中，应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解；

而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解，如图1-1所示。

（1）电解精炼

以铜的电解精炼为例，将火法精炼制得的铜板作为阳极，以电解产出的薄铜片为阴极，置两极于充满电解液的电解槽中。

在两极间通以低电压大电流直流电。

这时，阳极将发生电化学溶解：

Cu→2e+Cu2+

阳极反应使得电解液中Cu2+浓度增大，由于其电极电位大于零，故纯铜在阴极上沉积：

Cu2++2e→Cu

被精炼的铜中包含的比铜电极电位高的稀贵金属和杂质将以粒子形式落入电解槽底部或附于阳极形成阳极泥，比铜电极电位低的杂质元素以离子形态留于电解液中。

这种方法也可以看作对火法冶炼铜的精炼。

金、银、铜、钴和镍等金属大都采用这种电解方法进行精炼。

（2）电解提取

电解提取是从富集后的浸取液中提取金属或化合物的过程。

这种方法采用不溶性电极，溶剂可以经过再生后作为浸取液重复使用。

3．熔盐电解

铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高导电率、低熔点的熔盐（通常为几种卤化物的混合物）作为电解质在熔盐中进行电解。

熔盐电解时，阴极反应是金属离子的还原：

Mn++ne→M

通常用碳作为阳极。

例如电解MgCl2时阳极的反应如下：

2C1—→C12↑+2e

Al2O3在冰晶石中电解时，阳极将生成CO2：

2O2—+C→CO2↑+4e

第二节钢铁冶炼

钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成供制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。

其基本过程如图1-2所示。

1.2.1生铁的冶炼

生铁是用铁矿石在高炉中经过一系列的物理化学过程冶炼出来的。

高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即使用焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料中的铁从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO3、Fe3O4·

TiO2等）还原为液态生铁。

高炉炼铁的基本过程如图1-3所示。

1.炼铁的原料

炼铁的原料主要包括铁矿石、熔剂及焦炭。

焦炭作为燃料和还原剂，是主要能源；

熔剂，如石灰石，主要用来助熔、造渣；

铁矿石则是冶炼的对象。

这些原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。

（1）铁矿石

铁矿石的工业类型

铁矿石是由一种或几种含铁矿物和脉石所组成。

含铁矿物是具有一定化学成分和结晶构造的化合物，脉石也是由各种矿物加石英、长石等组成并以化合物形态存在的，所以，铁矿石实际是由各种化台物所组成的机械混合物。

自然界含铁矿物很多，而具有经济价值的矿床，一般认为有四类：

赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、褐铁矿（2Fe2O3·

3H2O）和菱铁矿（FeCO3），其基本特性列于表1中。

表1.铁矿物类型

名称

分子式

纯矿含铁量/%

实际含铁量/%

颜色

特性

赤铁矿

Fe2O3

70

30~65

红

质松易还原

磁铁矿石

Fe3O4

72.4

45~70

黑

有磁性，质硬较难还原

和铁矿石

2Fe2O3.3H2O

59.8

37~55

黄褐

较易还原

菱铁矿石

FeCO3

48.3

30~40

淡黄

对铁矿石的要求

a.含铁量愈高愈好

铁矿石中铁的含量在很大的范围内（30％~70%）变动，按其铁含量可分为贫矿[ω（Fe）＜45％]和富矿[ω（Fe）＞45％]两种。

工业上使用的铁矿石，富矿的含铁量较多，杂质较少，可直接进行冶炼，因而其价值较高；

贫矿在冶炼前需要进行选矿，以提高其含铁量，然后制成烧结矿或球团矿，才好进行冶炼，因而其价值较低。

b.还原性要好

铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。

矿石还原性好，有利于降低焦比，提高产量。

改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。

影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。

c.粒度和强度

入炉铁矿石应具有适宜的粒度和足够的强度。

粒度过大会减小煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；

过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；

粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。

因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。

一般要求矿石粒度在5~40mm范围，并力求缩小上下限粒度差。

铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、耐摩擦的强弱程度。

随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。

否则易生成粉末、碎块，一方面增加炉尘损失，另