材料制备与成型加工及工艺材料科学与工程基础

• 陶瓷的制备原理及方法
陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。 它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉 末成型后，经特定的工艺使其致密化，赋予其一定 的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶 瓷是一种多晶多相的聚集体。
制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶 瓷制备的一般工艺过程如图5—8所示。
火法精炼 或电解精炼 纯铜金属
目的：① 去除杂质 ② 提取贵金属
• 铝的制备
Al2O3的 制备
① 湿碱法：铝矿石 + NaOH溶液
2NaAlO2水溶液
稀释、过滤、结晶
950~1000℃
加Al(OH)3晶核
Al(OH)3 煅烧
Al2O3
② 干碱法： 铝矿石 + CaCO3 + Na2CO3
1100℃ 烧结
氧化后钢液中存在较多FeO，必须除去
脱氧(还原)
2FeO + Si —→ SiO2 + Fe FeO + Mn —→ MnO + Fe 3FeO + Al —→ Al2O3 + 3Fe
造渣除渣：与炼铁类似
• 钢的制备方法
钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电 炉炼钢，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（LD法）。
③造渣 熔剂（石灰、萤石、白云石）
钢：C%<2.11%，含少量Si、Mn、S、P
炼钢反应原理：
杂质氧化
2Fe + O2 —→ 2FeO Si + 2FeO —→ SiO2 + 2Fe Mn + FeO —→ MnO +Fe
C + FeO —→ Fe + CO↑
2P + 5FeO —→ P2O5 +5Fe
材料科学与工程基础
材料的制备与成型加工及工艺
本章主要对金属材料（Metals）、无机非金 属材（Inorganic Nonmetallic）、高分子材料 （Polymer）的制备原理及方法，成型加工性作 主要阐述。
第五章 内容目录
5-1 材料制备原理及方法 5-2 材料的成型加工性
5-1 材料制备原理及方法
生铁Fe（C%>2.11%）
有害杂质入渣除去 有益元素进入铁水
铁的制备原理
① 还原反应 直接还原 FeO + C = Fe + CO
பைடு நூலகம்
高炉下部高温区进行
CO间接还原
F3 O e 4 C O 5 7 C 03 F e 4 C2O
F 2 O e 3 C O 5 7 C 02 F 3 O e 4 C2O
• 非铁合金的制备
①铜的制备
火法炼钢法 在高温下使铜矿石或含铜原料 (精矿、焙烧或烧结块)先熔炼成冰铜，再将其 吹成粗铜。
制备原理
湿法冶铜法 用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石 中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。
湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石 的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵 溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液， 而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。
5-1-1 金属材料的制备
金属材料的制备主要介绍铁的制备、 钢的制备 、非 铁合金（铜的制备、铝的制备 ）的制备
• 铁的制备
磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、 褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3·mH2O)
① 还原 还原剂 焦碳（C）或CO
② 造渣 熔剂
石灰石(CaCO3) 目的 锰矿石(脱O、脱S)
F 3 O e 4 C O 5 7 C 03 F eC O 2O
Fe C O O 5 7 C 0F e C2O
② 造渣反应
造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭中灰 分作用，生成一种多氧化物的熔体。造渣过程是一个 复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要求， 控制熔剂数量和熔炼过程，促使需要的元素进入铁水， 让有害杂质进入渣中而除去。
• 铜的制备方法 火法炼铜法
硫化铜、氧化铜矿 熔炼 Fe等杂质随熔渣除去
冰铜(Cu2S)x·(FeS)y
吹炼
Cu2S + 3/2 O2 —→ Cu2O + SO2 Cu2O +FeS —→ Cu2S +FeO
2 Cu2O + Cu2S —→ 6Cu + SO2
粗铜（Cu%=98.5~99.5%）
含少量金、银、铋、锡、铅、硒 、碲、溶解气体
烧结块
加水稀释 沉淀杂质
NaAlO2水溶液
通入CO2
Al(OH)3
950~1000℃ 煅烧
Al2O3
Al2O3自焙电解
900℃ 电解
Al3+ + 3e → Al 阴极、铝纯度达99.7%
2AlO33- –6e → Al2O3+ 3/2 O2
阳极
5-1-2 无机非金属材料的制备
传 统 上 无 机 非 金 属 材 料 （ inorganic nonmetallic materials）主要包括陶瓷 (ceramics)、玻璃(glass) 、水泥(cement)和耐火材料(firebrick)四大类.这里 主要从这四种材料出发。介绍无机非金属材料的制 备原理和一般的制备方法。
是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害的杂质，再 根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素， 炼出具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。
整个炼钢过程是氧化和还原过程，关键是清除钢 水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣。
炼钢过程：
铁水、生铁块、废钢、铁合金 C%>2.11%、Si、Mn、S、P杂质含量较高 ① 杂质氧化 氧化剂（O2、FeO） ②脱氧（还原） 脱氧剂 (硅、锰、铝及铁合金 )
炉渣的成分是CaO、Al2O3、SiO2、和MgO。 高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣的形 成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意义。
铁的制备过程在高炉中进行
高炉内型构造
高炉炼铁生产
高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操作 等生产过程组成。
• 钢的制备
钢的制备基本原理： 所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就
氧气转炉炼钢原料 氧气转炉炼钢原料有金属料(铁 水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料(石灰、萤 石和白云石)；氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮)； 冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂(硅、锰、 馅及铁合金)。
氧气顶吹转炉炼钢 纯氧顶吹转炉炼钢生产工艺： 倾倒兑铁水，加废钢→直立加渣料→准备吹炼→吹炼 →停吹→一倾倒炉渣→直立加二批渣料→继续吹炼→ 倾倒取样→脱氧出钢→浇注