冶金工程前沿系列讲座课程总结

冶金工程前沿系列讲座作业

姓名：赵东伟学号：S2******* 专业：冶金工程

学院：冶金工程研究院

第一讲外场对钢液凝固组织的影响（王静松老师）外场主要包括电磁场、外加电场以及超声波。

电磁场：电磁场对钢液进行电磁搅拌，即在炼钢过程中，对钢水施加一个交变电磁场，当磁场以一定速度切割钢液时，会产生感应电势，这个电势可以在钢液中产生感应电流，截流钢液与磁场的相互作用产生电磁力，从而驱动钢液运动，达到搅拌钢液的目的。

施加电磁搅拌以后, 钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加，促进了铸型内钢液过热的耗散，使得钢坯内的温度分布趋于均匀，降低了凝固前沿的温度梯度，这不仅抑制了柱状晶的发展，同时易于在钢液内部同时形核，有利于等轴晶凝固组织的形成，使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用得以提高。电磁搅拌对钢坯凝固过程中的热流量、内部温度分布、凝固前沿的温度梯度等都具有非常显著的影响。施加电磁搅拌, 一方面加快了铸型内钢液的过热热量耗散,使得铸型的平均热流量增加，同时也使铸型内温度分布趋于均匀，降低了凝固前沿的温度梯度。根据成分过冷理论，当凝固前沿的温度梯度相对较低的情况下,有利于抑制柱状晶的发展，同时趋于均匀的钢液温度分布，易于同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成。这说明电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一。

外加电场：由于电场的影响使团簇外电层结构发生畸变，该原子团或团簇就长大成为尺度更大的团簇，按照传统凝固理论的观点，原子团或团簇尺度越大，其形核或结晶需要克服的位垒或势垒就越小，从而形核率也就越高。形核率提高会增大等轴晶区，减少柱状晶区，使金属的凝固组织得到均匀细化。

通过添加外加电场可以改善钢锭的凝固组织, 缩小柱状晶区, 扩大等轴晶区及细化晶粒可提高钢锭凝固质量，该部分从改善、细化金属凝固组织的方法出发引出金属凝固过程中施加电脉冲处理的国内外研究的进展。

在钢铁冶金过程中运用电流或电脉冲技术处理钢液，其中鞍钢利用电场对中间罐钢液进行处理的工业化生产试验，改善和细化了连铸坯凝固组织，中心缩孔和裂纹等质量缺陷得到明显改善。尽管其微观作用机理尚在探讨，但其改善和细化金属凝固组织减少质量缺陷的良好效果已倍受冶金研究者们关注，鞍钢运用电脉冲处理技术，在连铸生产中处理中间罐的钢液，开展了电脉冲改善连铸坯凝固组织的工业化生产试验研究.并取得了良好好的效果。

超声波：超声波处理钢液是一种细化金属凝固组织、改善金属性能的技术，受到国内

外科研工作者普遍关注。目前这方面的研究主要集中在低熔点纯金属及其合金方面，主要是因为这些金属熔点较低，便于将超声波引入到金属熔体中，并且效果也比较明显。而对成分比较复杂的钢铁材料，进行超声处理的试验研究报道则相对较少，这主要是因为钢铁材料的熔点比较高，难以有效地将超声波引入到钢铁熔体中。

当钢液中加入稀土铈，在凝固前的钢液中引入超声波，超声波处理使高碳钢凝固组

织明显的细化。钢液中的稀土硫氧化物固体在超声空化作用下变成更多更小的颗粒，在钢液凝固过程中增加了结晶形核的核心数量，使高碳钢的凝固组织细化。在钢液凝固过程中进行超声波处理，初生树枝晶被超声波击碎形成均匀细小的等轴晶，高碳钢凝固组织也会发生显著变化。

第二讲稀有金属冶金（朱鸿民老师）稀有金属是指在地壳中

含量极少, 分布较散、提炼较难、用途重要的金属。现在各国都重视资源战略。对用

于发展高新技术及国防军工材料的合金元素统称为战略合金元素。他们是指：铬Cr、镍Ni、钼Mo钒V、钨W钻Co钽Ta、铌Nb钛Ti及铈Ce-镧La等。稀有金属以其独特的

性能和作用,是原子能、航空航天、半导体、电子技术、特种钢材、超级合金以及导弹火箭、军火工业等众多关乎国计民生和国防安全方面所必需的金属材料。为此, 对稀有金

属特殊的战略需要迫使世界各国将稀有金属作为及其重要的战略物资进行大量储备。

经过这节课的学习，我对稀冶这个专业又有了更深的认识。通过朱老师对钨冶金、钛冶金等的介绍，也让我认识到，各个专业，各个学科，甚至各个领域的相通之处。同时，朱老师给我们传达的最重要的一个观念就是，要有思想，要有创新，这对我们在以后的学习工作中将受益匪浅。

稀有金属常见的制备方法有：氢还原法，水溶液电解，熔融盐电解，碘化物热分解，金属热还原法，萃取法，离子交换法等。这也是冶金行业中，几乎所有的金属的冶炼方法，只是具体到某一种元素时，因其特性不同，冶炼方法有所不同。

1、氢还原法氢还原法是制备稀有金属使用的最早的方法。早期的钨、钼、锗、铼等金属常用此方法制备。

目前国内外采用多种制备超细钨粉的方法，其中最引人注目的是六氯化钨氢还原法。赵秦生等人以金属钨粉或钨废料为原料，在通氢气情况下加热反应器，氯化段的温度加热到800C保温，还原段加热至1000C。待温度升至所需温度，保温一小时，使水份得以有效除去。然后在外管继续通氢的情况下，内管停止通氢，改通氩气，以赶除内管中的氢气。待内管中的氢气赶完，可将氯气随同氨气一道通入内管。此时氯气即与原料钨反应，生成气态的六氯化钨与五氯化钨的混合物。此氯化钨随氩气从内管流入还原段外管，与已预热了的外管氢气相遇，发生气相反应，按下式生成超细钨粉：

WCl6+3H2=W J +6HCI T。

在制备钼粉工艺中，氢气还原法[2]是制备钼粉的传统方法，它是以钼酸铵为原料，通过焙烧、两阶段还原成钼粉的。此方法制备钼粉的成本比较低，并且，易进行工业化规模生产，产出的钼粉纯度较高，其粒径一般在微米级，达不到纳米级超细钼粉。

在氢还原法制备的过程中，应注意大部分的稀有金属的熔点较低，具有挥发性，所以在制备的过程中须控制好温度。

2、水溶液电解法

水溶液电解已有一百多年历史，是一种重要的有色冶金方法。稀有金属中的镓、铟和和铊可以从水溶液中电解制得，其电解质分别为镓酸钠、硫酸铟或草酸铟复盐和硫酸铊溶液。从电解池中析出的金属可于氢气下压制成金属棒或块。也有相关资料报道可以从水溶液中电解积铼，其电解质为高铼酸钾溶液，电解积铼得到光辉的金属层，色泽随着时间变化而稍变暗。

3、熔融盐电解法

熔融盐电解也是制备稀有金属常用的方法。锂、铍和希土族的金属可以用这种方法生产，有时钍、铀也可以用这种方法来制备。电解质主要为氯化物或氟化物复盐等。电解制备稀有金属比较经济，操作也比较简单，但不易获得纯品。

当前，工业上钛的冶炼方法主要是Kroll 法（克劳尔法）。但这种方法生产成本高，使得钛的应用有所限制。如能从熔融盐中直接电解得到钛，就可减少成本。然而，从熔融盐中电解得到的固态钛很可能是树枝状晶，需要再经过真空电弧重熔。如果能得到液态钛，上述问题即可迎刃而解。但因钛的熔点高，高温活性大，保持其液态是非常困难的[6]。因此从熔融盐中电解炼钛的技术仍在探索中。

4、碘化物热分解法

碘化物热分解法是制备稀有金属最著名的方法。该法是利用纯碘化物在高温下分解，获得海绵状纯金属，再于真空或惰性气体下压制面金属棒或矿。可用于制备铪、锆、钍、钛等纯金属。该方法虽然能制得纯度很高的金属，但是成本很高，不宜大量生产。5、金属热还原法

金属热还原法是一种重要的生产稀有金属的方法，可分为金属卤化物还原和金属氧化物还原。目前大多数的金属，如：铍、钛、锆、钍、铀、铌、钽和希土元素都用这种方法来制备，尤其是目前制备钛、锆、铪、铌、钽等难熔金属的最常方法。用作还原剂的金属有镁、钙、钠、钾、锂、铝等。还原时将卤化物或氧化物和还原剂混合置入装置中，在高温下还原。反应完毕后，可得到纯金属。还原过程中不能有空气和氮气存在，因为大多