材料工程基础-第1章金属材料的制备--冶金

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◆化学法基于杂质与主金属化学性质的不同，加入某种反应剂使之形成某种难溶于金属的化合物析出或造渣。◆物理法基于在两相平衡时杂质和主金属在两相间分配比的不同。◇利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精炼（区域熔炼）。◇利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分离——蒸馏精炼、升华精炼。1.1冶金工艺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（把要提取的金属以硫化物的形态富集于锍中，贵金属及其他有价成分也随之富集于其中，脉石则熔合成渣而与锍分离。）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。氯化冶金主要包括：氯化过程氯化物的分离过程从纯氯化物中提取金属1.1冶金工艺1.1冶金工艺㈡、火法冶金的主要方法②氯化冶金优点：I、对原料的适应性强，可处理各种不同类型的原料，甚至液态粗金属；II、作业温度比其他火法冶金过程低；III、分离效率高，综合利用好。在高品位矿石资源逐渐枯竭的情况下，对储量很大的低品位、成分复杂难选的贫矿来说，氯化冶金将发挥它的作用。1.1冶金工艺㈡、火法冶金的主要方法②氯化冶金尚有三个问题待解决：I、氯化剂的利用效率和氯化剂的再生返回利用是关键性问题；II、继续解决氯化冶金设备的防腐蚀；III、环境保护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。二、湿法冶金定义：湿法冶金这种冶金过程是用酸、碱、盐类的水溶液，以化学方法从矿石中提取所需金属组分，然后用水溶液电解等各种方法制取金属。1.1冶金工艺二、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①浸取1.1冶金工艺①浸取1.1冶金工艺①浸取搅拌浸取浸取充分，但是产能有限。1.1冶金工艺①浸取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①浸取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浸取就地浸出（地下浸出）地下原地钻孔溶浸采矿方法适用条件苛刻，一般需要同时具备以下条件：I、矿床地质条件：矿体具有天然渗透性能，平缓，连续稳定，并具有一定的规模。II、矿床水文地质条件：矿体赋存于含水层中，在溶浸矿物范围之内应无导水断层、地下溶洞、暗河等。III、矿岩的物理化学条件：要求目的金属矿物易溶于溶浸药剂而围岩矿物不能溶于溶浸药剂。目前国内外仅在疏松砂岩铀矿床应用地下原地钻孔法开采。1.1冶金工艺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㈠电热熔炼：不同于火法冶金，点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1.2钢铁冶炼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。1.2钢铁冶炼一、生铁冶炼㈠炼铁的原料①铁矿石②熔剂，用于除去SiO2CaOHgOAlO3。熔炼时，熔剂和杂质生产密度较低的炉渣，浮于铁水表面③耐火材料。耐火度不低于1580℃的无机非金属材料④燃料。主要是焦炭，提供热量和还原剂1.2钢铁冶炼一、生铁冶炼㈠炼铁的原料①铁矿石1.2钢铁冶炼一、生铁冶炼㈠炼铁的原料①铁矿石对铁矿石的要求：对铁矿石的要求：含铁量愈高愈好；含铁量愈高愈好；30~70%30~70%，贫矿：，贫矿：Fe%Fe%＜＜45%45%富矿：富矿：Fe%Fe%＞＞45%45%还原性好还原性好；；粒度适中粒度适中；通常为；通常为10~25mm10~25mm脉石成分中碱性氧化物含量高脉石