1、第一篇第一篇 金属材料的制备及加工工艺金属材料的制备及加工工艺主要内容主要内容第一章第一章 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金第二章第二章 金属材料加工基础金属材料加工基础第一章第一章 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金本章主要内容本章主要内容：1.1 1.1 冶金工艺概述冶金工艺概述1.2 1.2 钢铁冶炼钢铁冶炼1.3 1.3 有色金属冶炼有色金属冶炼重点重点：钢铁冶炼工艺：钢铁冶炼工艺难点难点：无：无1.1 1.1 冶金工艺概述冶金工艺概述冶金的定义：冶金的定义： 冶金是关于矿产资源的冶金是关于矿产资源的开发利用开发利用和金属材料和金属材料生产生产加工加工过程的工程技术。过程的工程技
2、术。冶金的原因：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，以各种化合物或盐类的形式存在于各类矿物中，因此要进行因此要进行冶金冶金。冶金工序：冶金工序： 首先通过各种方法将金属元素从矿物中首先通过各种方法将金属元素从矿物中出来，出来，接着对粗炼金属产品进行接着对粗炼金属产品进行和和，然后然后，才能得到所需成分、，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。组织和规格的金属材料。冶金工艺：冶金工艺： 火法冶金、湿法冶金、电冶金火法冶金、湿法冶金、电冶金等。等。火法冶金火法冶金 ：火法冶金是指利用高温从矿石
3、中提取金属：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。或其化合物的方法。 ：选矿、焙烧选矿、焙烧球化或烧结球化或烧结金属化合物金属化合物的还原的还原除去杂质除去杂质提纯金属提纯金属 ：提取提取冶金冶金真空真空冶金冶金喷射喷射冶金冶金氯化氯化冶金冶金湿法冶金湿法冶金：湿法冶金是指利用一些化学湿法冶金是指利用一些化学溶剂溶剂的化学作的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等中和、水解和络合等反应反应，对原料、中间产物或，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行二次再生资源中的金属进行提取和分离提取和分离的冶金过的
4、冶金过程。程。 ：电冶金电冶金：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、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。精炼金属的冶金过程。 ： 1.2 钢铁冶炼钢铁冶炼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。件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。 1.2.1 生铁冶炼生铁冶炼一、概述一、概述Fe在地壳中的在地壳中的含量含量及及存在形式存在形式 5% 氧化物氧化物脉石脉石： MnO2 、SiO2炼铁的目的炼铁的目的：使铁从铁的氧化物中还原，并与脉：使铁从铁的氧化物中还原，并与脉石分离。石分离。二、炼铁的原
5、料二、炼铁的原料1、铁矿石、铁矿石（1） 铁矿石的工业类型铁矿石的工业类型 赤铁矿赤铁矿（Fe2O3） 磁铁矿磁铁矿（Fe3O4） 褐铁矿褐铁矿（2Fe2O33H2O） 菱铁矿菱铁矿（FeCO3）（2）对铁矿石的质量要求：）对铁矿石的质量要求：含铁量愈高愈好含铁量愈高愈好还原性好还原性好粒度粒度脉石的成分脉石的成分杂质含量要少杂质含量要少一定的强度一定的强度2 2、熔剂、熔剂（1）熔剂的种类）熔剂的种类 碱性熔剂碱性熔剂 酸性熔剂酸性熔剂（2）熔剂的主要作用）熔剂的主要作用降低脉石的熔点降低脉石的熔点 熔剂与高熔点的脉石形成低熔点、流动性好的硅酸熔剂与高熔点的脉石形成低熔点、流动性好的硅酸 盐
6、矿渣，易于排除。盐矿渣，易于排除。去硫去硫 硫易与钙结合生成硫易与钙结合生成CaS进入渣中进入渣中3、燃料（焦炭）燃料（焦炭）（1）燃料的作用）燃料的作用提供热量提供热量还原剂还原剂（2）对燃料的要求）对燃料的要求含碳量高含碳量高有害杂质、水分、灰分、挥发分的含量低有害杂质、水分、灰分、挥发分的含量低足够的机械强度足够的机械强度气孔率大、粒度均匀气孔率大、粒度均匀二、主要装置二、主要装置高炉高炉三、主要反应过程三、主要反应过程1、燃料的燃烧、燃料的燃烧 C + O2 = CO2 CO2 + C = 2CO2、 铁的还原铁的还原间接还原间接还原 3Fe2O3+CO=2 Fe3O4+CO2 Fe3
7、O4 +CO=3FeO +CO2 FeO +CO=Fe +CO2直接还原直接还原 FeO +C=Fe +CO3、铁的增碳、铁的增碳最初还原出来的铁似海绵，含碳量低，熔点高，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，下降过程中吸收碳，熔点降低，1200开始熔开始熔化。化。4、其它元素的还原、其它元素的还原锰的还原：锰的还原：高炉中的锰是由矿石带进的，以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，最后还原成过程也是顺序由高价还原成低价，最后还原成金属锰。金属锰。硅的还原：硅的还原：
8、硅是以硅是以SiO2的形式存在于脉石中，的形式存在于脉石中，由于由于SiO2很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，只有少量的只有少量的SiO2在在1450以上的高温被焦炭以上的高温被焦炭还原进入生铁。还原进入生铁。磷的还原：磷的还原：磷是以磷是以Ca3(PO4)2的形式存在于矿的形式存在于矿石中，在石中，在12001500可被固态碳还原：可被固态碳还原： Ca3(PO4)2 +5C=3CaO+2P+5CO去硫：去硫：硫是钢铁材料中最有害元素之一。主要硫是钢铁材料中最有害元素之一。主要由焦炭带入，占到由焦炭带入，占到6080%。硫主要以硫化铁。硫主要以硫化铁的形式存在，
9、与石灰石中的氧化钙反应生成硫的形式存在，与石灰石中的氧化钙反应生成硫化钙进入炉渣。化钙进入炉渣。 FeS+CaO=CaS+FeO造渣：造渣：造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与熔剂的熔合过程。熔剂的熔合过程。四、高炉产品四、高炉产品主要产品）主要产品）： 分为炼钢生铁和铸造生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁。产品）产品）：含含SiO2、CaO和和Al2O3的铝硅的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。酸盐，主要用于生产水泥。产品）产品）：含含26左右的左右的CO，用作燃料。，用作燃料。1.2.2 钢的冶炼钢的冶炼炼钢炼钢实质实质是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质是把炼钢生铁水或
10、生铁块中的碳及杂质元素降到规定的水平的过程。元素降到规定的水平的过程。降碳及杂质元素的降碳及杂质元素的方法方法是利用纯氧等氧化剂将杂是利用纯氧等氧化剂将杂质元素氧化成气体或炉渣。质元素氧化成气体或炉渣。1、炼钢的基本过程、炼钢的基本过程（1）脱碳：脱碳反应是炼钢的最主要反应。）脱碳：脱碳反应是炼钢的最主要反应。直接氧化：直接氧化：2C+O2=2CO间接氧化间接氧化: 2Fe+O2=2FeO C+FeO=Fe+CO（2）硅、锰的氧化）硅、锰的氧化直接氧化：直接氧化：Si+O2=SiO2 2 Mn+O2=2MnO 间接氧化：间接氧化： Si +2FeO=2Fe+ SiO2 Mn +FeO=Fe+M
11、nO造渣造渣 SiO2与与FeO，MnO与与SiO2反应形成炉渣。反应形成炉渣。 SiO2+2FeO =2FeO SiO2 SiO2+2MnO=2MnOSiO2（3）脱磷）脱磷磷在钢中是以磷化铁磷在钢中是以磷化铁(Fe2P)形态存在，在炼钢形态存在，在炼钢过程中与炉渣中的氧化铁和氧化钙结合生成磷过程中与炉渣中的氧化铁和氧化钙结合生成磷酸钙。酸钙。 2Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4P2O5+9Fe（4）脱硫）脱硫硫是以硫化铁的形式存在，当渣中有足够的氧硫是以硫化铁的形式存在，当渣中有足够的氧化钙时：化钙时： FeS+CaO=FeO+CaS（5）脱氧）脱氧脱氧是用脱氧剂除去钢液中残留的
12、氧化铁中的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。集上浮到钢液表面。Si MnMnAlAlC C(FeO(FeO）（SiOSiO2 2）（MnOMnO）(Al(Al2 2O O3 3）（COCO）FeFe 2、常见的炼钢方法、常见的炼钢方法碱性平炉炼钢：碱性平炉炼钢：以液态生铁或铁块和废钢为原料；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。利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。电弧炉炼钢：电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧
13、高温的电弧高温(通常通常5000一一6000)加热和熔化金加热和熔化金属。属。氧气顶吹转炉炼钢：氧气顶吹转炉炼钢：以生铁液为原料；高压工业以生铁液为原料；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。合金钢的主要方法。1.3 有色金属冶炼有色金属冶炼一、铜的冶炼一、铜的冶炼炼铜原料炼铜原料l硫化矿硫化矿：黄铜矿：黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿、斑铜矿(Cu3FeS2)、辉铜矿辉铜矿(Cu2S)、铜蓝、铜蓝(CuS)l氧化矿氧化矿：孔雀石：孔雀石(CuCO3Cu(OH)2)、硅孔雀石、硅孔雀石(CuSiO32H2O)、赤铜矿、赤铜矿
14、(Cu2O)、胆矾、胆矾(CuSO45H2O)炼铜方法炼铜方法l火法炼铜：主要处理火法炼铜：主要处理硫化铜矿硫化铜矿火法炼铜的基本流程火法炼铜的基本流程造锍熔炼（冰铜的形成）造锍熔炼（冰铜的形成）基本原理基本原理：造锍熔炼的目的在于首先使炉料中的：造锍熔炼的目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部以铜尽可能全部以Cu2S进入冰铜，部分铁以进入冰铜，部分铁以FeS的的形式也进入冰铜，大部分铁氧化成形式也进入冰铜，大部分铁氧化成FeO与脉石矿与脉石矿物造渣；其次，使冰铜与炉渣分离。物造渣；其次，使冰铜与炉渣分离。主要反应主要反应：冰铜转炉吹炼冰铜转炉吹炼冰铜吹炼的冰铜吹炼的实质实质是在一定压力下将空气送
15、到液是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，使冰铜中的体冰铜中，使冰铜中的FeS氧化变成氧化变成FeO与加与加入的石英熔剂造渣，而入的石英熔剂造渣，而Cu2S则经过氧化后又则经过氧化后又与与Cu2S相互反应变成粗铜。相互反应变成粗铜。造渣反应造渣反应：造铜反应造铜反应：粗铜的火法精炼粗铜的火法精炼目的目的：进一步除去铜中的少量杂质。：进一步除去铜中的少量杂质。原理原理：与炼钢相似。：与炼钢相似。 氧化过程氧化过程 还原过程还原过程铜的电解精炼铜的电解精炼 火法精炼铜作为阳极，电解铜作为阴极，引入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，纯铜在阴直流电后，阳极铜进行电化
16、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。在电解液中，从而实现铜和杂质的分离。l湿法炼铜：主要处理湿法炼铜：主要处理氧化铜矿氧化铜矿溶溶 解解二、铝的冶炼二、铝的冶炼炼铝原料炼铝原料l铝土矿：主要化学成分为铝土矿：主要化学成分为Al2O3，另外还有，另外还有SiO2、Fe2O3、TiO2和少量的和少量的CaO、MgO等。等。l明矾石，霞石，高岭土明矾石，霞石，高岭土铝冶金特点铝冶金特点l不能从矿石中直接得到粗金属不能从矿石中直接得到粗金属l包括两个环节：氧化铝的制取和氧化铝的电解包括两个环节：氧化铝的制取
17、和氧化铝的电解氧化铝的制备氧化铝的制备l湿碱法（拜尔法）湿碱法（拜尔法）铝土矿的浸出铝土矿的浸出晶种分解晶种分解母液的蒸发与苛化母液的蒸发与苛化氢氧化铝的煅烧氢氧化铝的煅烧l干碱法（烧结法）干碱法（烧结法）氧化铝的电解氧化铝的电解 l熔盐电解：用氧化铝、冰晶石及其他氟化盐等熔盐电解：用氧化铝、冰晶石及其他氟化盐等作为电解质的电解过程。作为电解质的电解过程。l为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？降低电解温度降低电解温度电解质熔体与金属铝的分层电解质熔体与金属铝的分层l电解反应电解反应 阴极反应：阴极反应： 阳极反应：阳极反应： 总反应：总反应：AlAl3
18、33e Al3e AlAlOAlO3 33- 3- - 6e Al- 6e Al2 2O O3 3矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧煅烧 9501000165 0.35Pa1100 CO2900 铝冶炼的主要过程铝冶炼的主要过程：纯冰晶石纯冰晶石铝铝 锭锭萤萤 石石铝铝 矿矿 石石生产氧化铝生产氧化铝纯氧化铝纯氧化铝电电 解解 制制 铝铝碳素材料碳素材料阳阳 极极 糊糊 或或其其 它它 产产 品品电极生产电极生产选选 矿矿再熔或精炼再熔或精炼电电 能能生产冰晶石生产冰晶石或或 氟氟 化化 物物铝的生产流程示意图铝的生产流程示意图作业作业1、火法冶金、湿法冶金和电冶金的主要特点是什么？、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。、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、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基本冶金反应?4、工业上如何从铝矾土矿中提取出金属铝？、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？、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。、简述火法炼铜的基本过程。
