1第三讲材料的制备方法(2)金属材料制备(1冶金)

NortheasternUniversity金属材料的制备方法（冶金）第3讲材料的制备方法东北大学2006年11月NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金根据金属所具性质的不同，金属的分类方法有多种。在冶金工业上，常把金属分为黑色金属和有色金属。其中铁、铬、锰或它们的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所以习惯上称这类金属为黑色金属。有色金属：其它金属等、、黑色金属：金属CrMnFe金属的分类NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金定义：具有金属特性的多种元素的混合物印刷铅字是锡、铅、锑合金；青铜为铜、锡合金；黄铜为铜、锌合金；生铁是铁和碳的合金，调节碳的比例就可精炼成钢。低共熔混合物（低共熔合金）：当两种金属按一定组成比共熔时，其熔点总比任何一组分金属熔点要低。当组成为某一定值时，熔点最低，此熔点即为最低共熔温度。如铋的熔点为544K，镉的熔点为594K，含40％镉和60％铋的混合物为低共熔混合物，其熔点为413K。合金NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——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。一、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、电冶金以及真空冶金等。NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——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。工艺过程：矿石准备矿石冶炼精炼提纯选矿、焙烧球化或烧结金属化合物的还原除去杂质提纯金属一、冶金工艺概述NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金工艺方法分类：火法冶金提取冶金真空冶金喷射冶金氯化冶金一、冶金工艺概述NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金湿法冶金：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：离子浸取固液分离金属或化合物提取溶液富集一、冶金工艺概述NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金电冶金：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：电热熔炼：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子熔炼和电磁熔炼等。水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。一、冶金工艺概述NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金熔盐电解：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。一、冶金工艺概述NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金应用广泛的金属材料—钢铁（1）铁和铁合金（2）钢铁是怎样炼成的铁矿石和炼铁，炼钢二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金F-18大黄蜂战斗机我军陆战王牌-99式主战坦克二、钢铁冶炼军事上离不开钢铁中国九五式突击步枪海军109驱逐舰NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金神六神五二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金我们的生活中也离不开钢铁广州丫髻沙大桥雷诺汽车生活用品磁悬浮列车二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金自从1980年阿尔温·托夫勒（《第三次浪潮》的作者，美国未来学家）到处鼓吹钢铁是夕阳工业以来，使人们产生了一种错觉，似乎发展信息产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，也不可能继续发展。而二十多年来的事实表明：钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量没有显著增长，但是也没有萎缩；钢铁生产技术和冶金工程科学仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有大幅度提高。为什么非常古老的钢铁有这样强的生命力呢？这首先决定于钢铁的基体特性。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金钢铁的分类钢碳素钢合金钢结构钢工具钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金模具钢黑色金属白口铸铁灰口铸铁钢生铁球墨铸铁可锻铸铁铸造生铁炼钢铸铁合金铸铁铁合金二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金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。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金铁矿石脉石和硫磷杂质铁化合物Fe3O4(磁铁矿石)Fe2O3(赤铁矿石)FeS2(黄铁矿石)FeCO3(菱铁矿石)二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金磁铁矿—Fe3O4二、钢铁冶炼主要矿物是磁铁矿，呈黑色金属光泽，磁性强（复合矿可通过磁选富集铁分），在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及V2O3组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧化作用，磁铁矿易被氧化成赤铁矿，有的仍保留着磁铁矿石的结晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金赤铁矿--Fe2O3颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿物为赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然界中，常形成巨大的矿床，就世界范围而言，其储量最多（占铁矿石总储量的48.3%），是炼铁的最主要铁矿石资源。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金褐铁矿—2Fe2O3.3H2O常为含不同分子结晶水的赤铁矿，褐铁矿吸附着大量水分，加热时失去结晶水和游离水，使矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金菱铁矿—FeCO3它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。当铁矿石含铁量过低，就需要将它们粉碎(0.074－0.044mm)，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在63%-68%之间。由于高炉炼铁需要气流通畅，所以只能加入块矿，精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金黄铁矿—FeS2二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金铁矿石晶体暗红色铁铝榴石晶体产地奥地利立方体黄铁矿晶体产地西班牙祖母绿、黄铁矿、方解石共生产地哥伦比亚二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金钢铁是怎样炼成的二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金钢铁的冶炼历史13世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入称为地窑炉的炉膛内，加热冶炼，因不能获得熔化矿石的高温，仅能制成半熔融状态的铁块，其中混杂有相当多的氧化铁渣，称为海绵铁。其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。第一个发展阶段二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金13世纪末至19世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形-木炭炉。由于炉容增大，采用鼓风技术，使单位时间内燃烧的燃料量增加了，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁冷却后很脆，不能锻造成器具。后来将生铁作原料和矿石、木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（也叫熟铁）。从此钢铁冶炼就开始了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。第二个发展阶段二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金第三个发展阶段19世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁生产的主要方法。在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建产了蓄热式热风炉，鼓风动力采用电力。建立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉的炼钢法。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金生铁（主要产品）：分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。煤气（副产品）：含26％左右的CO，用作燃料。炼铁产品及副产品：炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金1黑色金属的生产1.1高炉冶炼生产过程高炉附属系统：原料系统;送风系统;燃料喷吹系统;除尘系统;渣铁处理系统;二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金原料系统：炼铁原料主要包括铁矿石、焦炭、石灰石（和白云石）、锰矿石和一些铁矿石的替代品。送风系统：送风系统为高炉连续稳定地提供足够的热风，是高炉正常冶炼的前提，单位时间内风量的高低决定了生产率。燃料喷吹系统：为缓解焦煤资源短缺而采用的喷出燃料技术已普及，它包括煤粉制备、储存、空压机、高压泵及一系列管道阀门输送设备及喷枪等。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金除尘系统：从炉顶逸出的含尘高达40-100g/m3的高炉煤气，经过一系列除尘设备，包括粗除尘(如重力除尘)、半精细除尘(洗涤塔)、精细除尘(文氏管、静电除尘器)等，使其含尘量降到15mg/m3以资利用。渣铁处理系统：处理好从渣铁口排放的高温液态渣铁是保证高炉正常生产的重要环节，它包括炉前出铁场及设备，渣铁输送设备、铸铁机，铁水炉外处理设备，水渣场等。大多数高炉采用冲成水渣的方式处理炉渣，作为是制造水泥的原料，或用压缩空气吹成渣棉(可作隔音保温材料)，也可用渣罐车送往弃渣场。二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金鞍钢2000立方米高炉外景图二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金铁氧化物的生成与分解是逐级进行的，当温度＞570℃时，称为高温转变：当温度＜570℃时，称为低温转变：高炉内主要还原剂是CO、C（在喷吹燃料时煤气中H2含量明显增加），还原基本分为间接还原与直接还原两大类。3243OFeOFeFeOFe3243OFeOFeFe高炉内的主要还原反应二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶金①产生还原剂：C+O2=CO2CO2+C=2CO（空气，焦炭）②还原铁矿石：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2（铁矿石）③造渣（除脉石）：CaCO3===CO2+CaOCaO+SiO2=CaSiO3（熔剂：石灰石）炼铁的主要反应过程二、钢铁冶炼NortheasternUniversity第一节金属材料的制备——冶