第一篇 金属材料的制备及加工工艺
主要内容 第一章 金属材料的制备—冶金 第二章 金属材料加工基础
第一章 金属材料的制备—冶金
本章主要内容： 1.1 冶金工艺概述 1.2 钢铁冶炼 1.3 有色金属冶炼 重点：钢铁冶炼工艺 难点：无
1.1 冶金工艺概述 冶金的定义： 冶金是关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。 冶金的原因： 自然界中大多数金属元素都不是单独存在，而是以各种化合物或盐类的形式存在于各类矿物中，因此要进行冶金。
冶金工序： 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。 冶金工艺： 火法冶金、湿法冶金、电冶金等。
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。 工艺过程： 选矿、焙烧球化或烧结 矿石准备 金属化合物的还原 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
工艺方法分类： 火法冶金 提取 冶金 真空 喷射 氯化
湿法冶金 定义：湿法冶金是指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
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或电解提取金属的一种冶金方法。
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。
1.2 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。
1.2.1 生铁冶炼 一、概述 Fe在地壳中的含量及存在形式 5% 氧化物 脉石： MnO2 、SiO2 1.2.1 生铁冶炼 一、概述 Fe在地壳中的含量及存在形式 5% 氧化物 脉石： MnO2 、SiO2 炼铁的目的：使铁从铁的氧化物中还原，并与脉石分离。
二、炼铁的原料 1、铁矿石 （1） 铁矿石的工业类型 赤铁矿（Fe2O3） 磁铁矿（Fe3O4） 褐铁矿（2Fe2O3·3H2O） 菱铁矿（FeCO3） （2）对铁矿石的质量要求：
①含铁量愈高愈好 ②还原性好 ③粒度 ④脉石的成分 ⑤杂质含量要少 ⑥一定的强度
2、熔剂 （1）熔剂的种类 碱性熔剂 酸性熔剂 （2）熔剂的主要作用 ①降低脉石的熔点 熔剂与高熔点的脉石形成低熔点、流动性好的硅酸 盐矿渣，易于排除。 ②去硫 硫易与钙结合生成CaS进入渣中
3、燃料（焦炭） （1）燃料的作用 （2）对燃料的要求 ①提供热量 ②还原剂 ①含碳量高 ②有害杂质、水分、灰分、挥发分的含量低 ③足够的机械强度 ④气孔率大、粒度均匀
二、主要装置—高炉
三、主要反应过程 1、燃料的燃烧 2、 铁的还原 C + O2 = CO2 CO2 + C = 2CO 间接还原 3Fe2O3+CO=2 Fe3O4+CO2 Fe3O4 +CO=3FeO +CO2 FeO +CO=Fe +CO2 直接还原 FeO +C=Fe +CO
3、铁的增碳 最初还原出来的铁似海绵，含碳量低，熔点高，下降过程中吸收碳，熔点降低，1200℃开始熔化。 4、其它元素的还原 锰的还原：高炉中的锰是由矿石带进的，以MnO2, Mn2O3, Mn3O4的形式存在，锰的还原过程也是顺序由高价还原成低价，最后还原成金属锰。
磷的还原：磷是以Ca3(PO4)2的形式存在于矿石中，在1200~1500℃可被固态碳还原： 硅的还原：硅是以SiO2的形式存在于脉石中，由于SiO2很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，只有少量的SiO2在1450℃以上的高温被焦炭还原进入生铁。 磷的还原：磷是以Ca3(PO4)2的形式存在于矿石中，在1200~1500℃可被固态碳还原： Ca3(PO4)2 +5C=3CaO+2P+5CO
去硫：硫是钢铁材料中最有害元素之一。主要由焦炭带入，占到60~80%。硫主要以硫化铁的形式存在，与石灰石中的氧化钙反应生成硫化钙进入炉渣。 FeS+CaO=CaS+FeO 造渣：造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与熔剂的熔合过程。
四、高炉产品 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。
1.2.2 钢的冶炼 炼钢实质是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到规定的水平的过程。 1.2.2 钢的冶炼 炼钢实质是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到规定的水平的过程。 降碳及杂质元素的方法是利用纯氧等氧化剂将杂质元素氧化成气体或炉渣。
1、炼钢的基本过程 （1）脱碳：脱碳反应是炼钢的最主要反应。 直接氧化：2C+O2=2CO 间接氧化: 2Fe+O2=2FeO C+FeO=Fe+CO
（2）硅、锰的氧化 直接氧化：Si+O2=SiO2 2 Mn+O2=2MnO 间接氧化： Si +2FeO=2Fe+ SiO2 Mn +FeO=Fe+MnO 造渣 SiO2与FeO，MnO与SiO2反应形成炉渣。 SiO2+2FeO =2FeO •SiO2 SiO2+2MnO=2MnO•SiO2
（3）脱磷 磷在钢中是以磷化铁(Fe2P)形态存在，在炼钢过程中与炉渣中的氧化铁和氧化钙结合生成磷酸钙。 2Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4·P2O5+9Fe （4）脱硫 硫是以硫化铁的形式存在，当渣中有足够的氧化钙时： FeS+CaO=FeO+CaS
｝ （5）脱氧 脱氧是用脱氧剂除去钢液中残留的氧化铁中的氧，还原出铁，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集上浮到钢液表面。 〔Si 〕 〔Mn〕 〔Al〕 〔C〕 ｝ ＋(FeO） （SiO2） （MnO） (Al2O3） （CO） ＋〔Fe〕
2、常见的炼钢方法 碱性平炉炼钢：以液态生铁或铁块和废钢为原料；利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。
电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温(通常5000℃一6000℃)加热和熔化金属。
氧气顶吹转炉炼钢：以生铁液为原料；高压工业纯氧供氧；无需燃料。已成为现代冶炼碳钢和低合金钢的主要方法。
1.3 有色金属冶炼 一、铜的冶炼 炼铜原料 硫化矿：黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu3FeS2)、辉铜矿(Cu2S)、铜蓝(CuS) 1.3 有色金属冶炼 一、铜的冶炼 炼铜原料 硫化矿：黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu3FeS2)、辉铜矿(Cu2S)、铜蓝(CuS) 氧化矿：孔雀石(CuCO3·Cu(OH)2)、硅孔雀石(CuSiO3·2H2O)、赤铜矿(Cu2O)、胆矾(CuSO4·5H2O)
炼铜方法 火法炼铜：主要处理硫化铜矿 精铜矿 熔 炼 粗 铜 冰 铜 火法精炼 电解精炼 纯 铜 火法炼铜的基本流程
①造锍熔炼（冰铜的形成） 基本原理：造锍熔炼的目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部以Cu2S进入冰铜，部分铁以FeS的形式也进入冰铜，大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次，使冰铜与炉渣分离。 主要反应：
②冰铜转炉吹炼 冰铜吹炼的实质是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，使冰铜中的FeS氧化变成FeO与加入的石英熔剂造渣，而Cu2S则经过氧化后又与Cu2S相互反应变成粗铜。 造渣反应： 造铜反应：
③粗铜的火法精炼 目的：进一步除去铜中的少量杂质。 原理：与炼钢相似。 氧化过程 还原过程
④铜的电解精炼 火法精炼铜作为阳极，电解铜作为阴极，引入直流电后，阳极铜进行电化学溶解，纯铜在阴极上析出，铜中的杂质或进入阳极泥，或保留在电解液中，从而实现铜和杂质的分离。
湿法炼铜：主要处理氧化铜矿 铜 矿 溶 剂 铜离子 置换法 溶 解 电沉积 氢还原 铜
二、铝的冶炼 炼铝原料 铝冶金特点 铝土矿：主要化学成分为Al2O3，另外还有SiO2、Fe2O3、TiO2和少量的CaO、MgO等。 明矾石，霞石，高岭土 铝冶金特点 不能从矿石中直接得到粗金属 包括两个环节：氧化铝的制取和氧化铝的电解
氧化铝的制备 湿碱法（拜尔法） ①铝土矿的浸出
②晶种分解 ③氢氧化铝的煅烧 ④母液的蒸发与苛化
干碱法（烧结法） 氧化铝的电解 熔盐电解：用氧化铝、冰晶石及其他氟化盐等作为电解质的电解过程。 为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？ 降低电解温度 电解质熔体与金属铝的分层
电解反应 阴极反应： 阳极反应： 总反应：
NaAlO2 Al2O3•Na2O Al（OH）3 Al2O3 Al 铝冶炼的主要过程： Al3＋＋3e → Al AlO33- - 6e → Al2O3 矿石（Al2O3） NaAlO2 Al2O3•Na2O Al（OH）3 Al2O3 Al NaOH Na2CO3 煅烧 950~1000℃ 165 ℃0.35Pa 1100 ℃ CO2 900 ℃
铝的生产流程示意图 纯冰晶石 铝 锭 萤 石 铝 矿 石 生产氧化铝 纯氧化铝 电 解 制 铝 碳素材料 阳 极 糊 或 其 它 产 品 铝 锭 萤 石 铝 矿 石 生产氧化铝 纯氧化铝 电 解 制 铝 碳素材料 阳 极 糊 或 其 它 产 品 电极生产 选 矿 再熔或精炼 电 能 生产冰晶石 或 氟 化 物 铝的生产流程示意图
作业 1、火法冶金、湿法冶金和电冶金的主要特点是什么？ 2、简述炼钢的基本过程。 3、炼钢过程的实质是什么，在炼钢过程中发生哪些基本冶金反应? 4、工业上如何从铝矾土矿中提取出金属铝？ 5、为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？ 6、简述火法炼铜的基本过程。