金属材料的冶炼

第1章金属材料的冶炼1.1冶金工艺1.2钢铁冶金1.3典型有色金属冶金重庆理工大学材料科学与工程学院第1章金属材料的制备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。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，然后浇铸成锭，轧制成材，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。主要讲解钢铁冶炼和有色金属冶炼。概述金属冶金按其原理可划分为：火法冶金(又称干法冶金)、湿法冶金、电冶金三大基本类型。一火法冶金1、矿石准备：选矿、烧结、焙烧2、冶炼：还原冶炼、造锍熔炼、氧化吹炼3、精炼：物理精炼、化学精炼第1章金属材料的制备冶金工艺1.1冶金工艺为了保证供给高炉的铁矿石中铁含量均匀，并且保证高炉的透气性，需要把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料。铁矿粉造块的目的：◆综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类。◆去除有害杂质，回收有益元素，保护环境。◆改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求。铁矿粉造块的方法：烧结法和球团法。铁矿粉造块后的产品：分别为烧结矿和球团矿。（供高炉炼铁生产的主要原料）烧结第1章金属材料的制备冶金工艺烧结是钢铁生产工艺中的一个重要环节，它是将铁矿粉、粉（无烟煤）和石灰、高炉炉尘、轧钢皮、钢渣按一定配比混匀。经烧结而成的有足够强度和粒度的烧结矿可作为炼铁的熟料。利用烧结熟料炼铁对于提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性保证高炉运行均有一定意义。烧结法第1章金属材料的制备冶金工艺球团法把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序，如图所示。返回第1章金属材料的制备冶金工艺焙烧在一定气氛下，将矿石加热到一定温度，使之发生物理化学变化，所产物料能适应下一冶炼过程的要求。例如：铁矿石的焙烧；硫化物精矿的焙烧。返回第1章金属材料的制备冶金工艺冶炼：将处理好的矿石，用气体或固体还原剂还原为金属的过程。还原冶炼MeO+C=Me+COMeO+CO=Me+CO2CO2+C=2CO造锍熔炼：主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿，常伴生有大量的铁的硫化物FeS。利用铜、镍、钴对硫的亲和力与铁相近，而对氧的亲和力却远小于铁的物理化学性质，使铁的硫化物不断氧化成铁的氧化物，随后与脉石造渣除去FeS+O=FeO+S氧化吹炼：氧化去除杂质返回第1章金属材料的制备冶金工艺精炼：去除杂质，提高纯度物理精炼熔析精练：利用溶解度不同，将杂质分离到一种固体或液体中。精馏精炼：利用沸点不同，交替多次蒸发冷凝去除杂质。区域精练：利用偏析，多次熔融和凝固精炼金属。化学精练：发生化学反应氧化、硫化、氯化、碱性精炼等。返回第1章金属材料的制备冶金工艺熔析精练实例以粗铅熔析除铜为例来进行分析讨论。图为Cu-Pb二元系平衡状态图。图中共晶点相当于在326℃时铅量为99.94%，铜量为0.06%。共晶成分接近于纯铅成分。从图中可以看出，在铅的熔点附近，铅中只可能溶解少量的铜，因此可用熔析法将粗铅中的铜除至一定程度。第1章金属材料的制备冶金工艺粗金属熔析精炼的温度是在略高于主体金属的熔点下进行的。粗金属熔析精炼的方法，分为液体金属缓慢冷却的凝固法和固体金属缓慢加热的熔化法。粗铅的凝固法是将液体粗铅缓慢冷却，当温度略高于铅的熔点时，铜便结晶析出，上浮到熔体铅的表面上。粗铅的熔化法是将固体粗铅缓慢加热，当温度略高于铅的熔点时，铅便从粗铅中熔出，铜呈固体上浮到熔体铅的表面上。分层后，如前所述采用不同的物理方法使其分离。粗铅熔析除铜所得到的铜含铅要高于0.06％。第1章金属材料的制备冶金工艺精馏精炼：利用沸点不同，交替多次蒸发冷凝去除杂质实例含有铅和镉的粗锌在标准大气压下进行精馏精炼，是基于锌、铅、镉的正常沸点不同而实施的。锌的沸点为1180K，镉的沸点为1040K，铅的沸点为1798K。如果将含有铅和镉的粗锌加热到1273K时，粗锌中的锌和镉就沸腾呈蒸气状态挥发，而铅以及其它沸点较高的杂质（如铁、铜等）差不多完全呈液体状态。在温度为1273K时，铅的蒸气压133.32Pa，铁和铜的蒸气压更小（分别为133.32×10-4和133.32×10-6Pa）。这样，便可实现锌、镉与铅和其它沸点较高组元的分离。蒸发过程中，蒸气压高的进入蒸汽，而蒸气压低的铁等则留在残液或残渣中，实现了分离。挥发分离出来的锌、镉蒸气，经冷凝后成为液体合金，其中通常含有5%（原子）的镉。为了使锌与镉分离，还须进行分馏。第1章金属材料的制备冶金工艺如图(1)所示，当熔体X冷却至温度t1时，CS=Cb，Cl=C0且CS＜Cl。体系温度继续降低，固溶体组成沿固相线BE变化；熔体组成沿液相线Af变化。此时先凝固部分（固相）与后凝固部分（液相）有不同的组成—即化学偏析。在液态金属凝固过程中，杂质将发生偏析，其在固相中的平衡浓度小于平衡液相中杂质的含量，而大部分聚集在液相中，以致在最后凝固的固相中的含量最高；而由于从熔区右边熔化而熔入的杂质大于熔区左边凝固面进入固相的杂质，因此，熔区中该杂质的浓度Cl随着熔区向右移动在不断地增加，相应地析出的固相杂质浓度亦从左到右逐步增加(见图13-1)。到最后一个熔区范围内，则是定向凝固，杂质浓度急剧增加区域精练：利用偏析，多次熔融和凝固精炼金属。第1章金属材料的制备冶金工艺二湿法冶金利用溶剂，借助化学反应，将原料中的金属进行提取和分离的冶金过程。过程1.浸出：选择性溶解，从固体物料中提取有价值的金属可溶性组分。2.固-液分离：将浸出液与残渣分离成液相和固相。3.溶液净化：分离掉杂质，净化和富集溶液。4.提取金属或化合物：利用电解、化学置换和加压氢还原等方发提取金属或化合物。在有色金金属、稀有金属及贵金属的冶金中占重要地位。第1章金属材料的制备冶金工艺堆浸出：氰化法提金（氰化法提金由含金矿石在氰化溶液中的浸出、含金贵液与浸渣的分离、浸金的沉淀和金泥的熔炼四个步骤组成。这种提金法的缺点是氰化物是剧毒物质，易污染环境，在实践中一定要严格做好环境的保护与治理工作。）地浸：将溶液通过注液钻孔注入到天然埋葬条件下的矿体中，有选择地溶浸有用目标成分，如铀。地浸的程序和操作方式如图所示：渗滤浸出：将矿石堆在可以底部排液的渗滤池中，顶部喷淋，对矿石浸泡并浸出。图1地浸矿体图2地浸打钻孔布置图图3浸出时的操作示意图返回第1章金属材料的制备冶金工艺三电冶金电热冶金：利用电能获得高温冶炼电化学冶金：利用电化学反应提取金属1.水溶液电解（1）电解精炼（2）电解提取思考：两者的区别？2.熔盐电解：铝、镁、钠等金属的电位比氢负得多，不能从水溶液中电解析出。思考：这些金属水溶液的电化学反应式？第1章金属材料的制备冶金工艺第1章金属材料的制备钢铁冶炼铁矿石炼铁炼钢铸锭轧制钢材铸造生铁一炼铁：铁矿石（化合态）→铁单质（游离态）（1）基本反应原理：3CO+Fe2O3=====2Fe+3CO2利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁。高温1.2钢铁冶金第1章金属材料的制备钢铁冶炼（2）原料：铁矿石，燃料，熔剂铁矿石脉石和硫磷杂质铁化合物Fe3O4(磁铁矿石)Fe2O3(赤铁矿石)2Fe2O3·3H2O(褐铁矿石)FeCO3(菱铁矿石)焦炭：燃料、还原剂、高炉料柱骨架作用熔剂：石灰石作用生成低熔点的熔渣第1章金属材料的制备钢铁冶炼（3）设备：高炉鞍钢2000立方米高炉外景图高炉结构图第1章金属材料的制备钢铁冶炼（4）炼铁时高炉中的物理化学过程：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）高温高温铁氧化物的还原反应：第1章金属材料的制备钢铁冶炼锰氧化物的还原反应：(MnO)+C＝[Mn]+CO进入炉渣部分进入生铁硅氧化物的还原反应：SiO2十2C＝Si十2CO进入炉渣1450℃溶入生铁磷酸盐的还原反应：1450℃1200~1500℃大部分溶入生铁第1章金属材料的制备钢铁冶炼（5）炼铁的主要产品和副产品：（6）高炉炼铁的录像片段：烧结矿与焦炭，上料，铸锭生铁炼钢生铁：Si＜1.5%碳以渗碳体形式存在铸造生铁：2.75＜Si＜3.25碳以石墨形式存在铁合金：如硅铁、锰铁，用作炼钢时的脱氧剂炉渣：制造水泥、渣砖、高温陶瓷等材料高炉煤气：作为燃料促进生铁中碳的石墨化，使铁水有良好的填充性能，增强铸件的韧性和耐冲击韧度，易于切削加工。并有利于抗震减磨。脱硫反应：铁水滴入炉缸穿过渣层时发生反应进入炉渣溶入生铁铁的溶碳过程：铁熔滴顺焦炭块流向炉缸，碳进入铁水熔滴，达到饱和。含碳量可达到4%左右。第1章金属材料的制备钢铁冶炼二炼钢：生铁→钢(1)基本过程：①降：降低含碳量②除：除去硫、磷等杂质③调：调节合金元素的含量（2)基本反应原理：利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂（用纯氧气、铁矿石或氧化皮）把生铁中过多的碳和其它杂质氧化除去。第1章金属材料的制备钢铁冶炼(3)炼钢的原料：生铁，氧气，生石灰，硅铁和锰铁（4）炼钢的主要反应过程（5）炼钢方法及设备：方法：碱性平炉、电弧炉和氧气顶吹转炉炼钢设备：电炉，平炉，转炉转炉的结构图120吨转炉炼钢时的情景（6）炼钢的录像片段：炼钢，炼钢炉产量比炼钢的主要反应过程①产生氧化剂：2Fe+O2=2FeO（氧气）②除硅，锰，碳等杂质：③造渣：硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。第1章金属材料的制备钢铁冶炼Si+2FeO=SiO2+2FeMn+FeO=MnO+FeC+FeO=CO+FeCaO+SiO2=CaSiO32P+5FeO+CaO=5Fe+4CaO·P2O5放热反应(稳定化合物）FeS+CaO=FeO+CaS吸热反应（溶于渣中，而不溶于钢液）放热反应、炼钢初期、碱性炼钢炉炼钢的全过程、CO的逸出利于气体和非金属夹杂物的去除、均匀钢液的成分和温度放热反应、炼钢初期、酸性炉渣炼钢的主要反应过程④脱氧扩散脱氧：向渣面上加入硅铁粉、碳粉等脱氧剂。其必要条件是炉内尽可能保持还原性气氛，主要应用于电炉。优点是脱氧后钢液较纯净。第1章金属材料的制备钢铁冶炼FeO+Mn=2Fe+MnO3FeO+2Al=3Fe+Al2O3(生成的氧化物进入炉渣排出）2FeO+Si=2Fe+SiO2沉淀脱氧：将硅铁，锰铁，铝等脱氧剂加入到钢液中。主要应用于转炉。优点是速度快，缺点是钢液中可能存有非金属加杂物。第1章金属材料的制备钢铁冶炼氧气转炉电弧炉特点生产率高、钢材质量好、可炼品种多、原料适应性强、成本低、投资少和见效快炉温和热效率高；炉内气氛可控，有利于去除有害元素和非金属夹杂，有利于钢的合金化和成分控制；有利于环保；熔炼过程1、装料（废钢-生铁-吹氧-造渣剂）2、吹炼3、脱氧和出钢1、补炉（炉料以废钢为主）2、装料（石灰-小块料-大块料-中块料-小块料）3、熔化4、氧化5、还原（脱氧和脱硫、调节钢液成分和温度）6、脱氧和出钢钢的质量1、钢中氮、氢等气体含量少2、硫、磷等有害杂质含量少3、残余元素和非金属夹杂物含量少1、能最大限度地去除磷和硫2、夹杂物少3、成分容易控制4、高温下易吸收氢气和氮气第1章金属材料的制备钢铁冶炼（7）钢液的炉外精炼定义：把一般炼钢炉内要完成的精炼任务移至炉外另一装置中进行。即在转炉、电弧炉内进行粗精炼，而在钢包或专用容器中进行最终精炼。任务：脱碳、脱硫、脱磷、脱氧、去气、去除非金属夹杂物或改变其形态；调整和均匀钢液成分、温度；添加特殊元素以及细化经历等。方法：1）合成渣洗法：钢液从一定高度注入盛有合成渣的钢包，借助于钢液的冲击力搅拌钢液。促使充分发生反应，加快精炼的进行，使氧和硫进入合成渣。目的：降低钢中氧、硫