材料工程基础-第1章金属材料的制备--冶金
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金属材料的制备-冶金
目录
1.1、冶金工艺 1.2、钢铁冶炼 1.3、有色金属冶炼
1.1 冶金工艺
一、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。（干法冶金）
➢ 工艺过程：
矿石准备 冶炼
选矿、干燥 、焙烧、球
化或烧结
氧化还原提 取金属
精炼
除去杂质 提纯金属
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1.1 冶金工艺
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ③精炼
利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异， ◆ 形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；
◆ 或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留下
来。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
◆ 化学法 基于杂质与主金属化学性质的不同，加
入某
种反应剂使之形成某种难溶于金属
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼 • 氧势图用于判断氧的走向：从上往下走
• 除了氧势图，实际生产中还有碳、硫、氯、 磷势图
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
火法冶金常用的燃料
固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2 液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
2x y
M
2＋O2＝
2 y
M
xO
y
把上式的rGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为 氧势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能 与温度的关系图。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
rGθ rH TrS
（1）斜率是反应的熵变 的负值
（2）转折点一定是在该 温度有反应物或产物的相 变 注意纵坐标是负数，越靠下， 表示ΔG<0 的程度越大，自 发进行的趋势越强。
目的：促进反应的发生
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
气体还原剂还原 用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 固体碳还原 用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 金属热还原 用位于 G－T 图下方的曲线所表示的金属作还原 剂，还原位于G－T 图上方曲线所表示的金属氧化 物（氯化物、氟化物）以制取金属。
I、对原料的适应性强，可处理各种不同类型的原料， 甚至液态粗金属；
II、作业温度比其他火法冶金过程低； III、分离效率高，综合利用好。在高品位矿石资源逐 渐枯竭的情况下，对储量很大的低品位、成分复杂难 选的贫矿来说，氯化冶金将发挥它的作用。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金 尚有三个问题待解决： I、氯化剂的利用效率和氯化剂的再生返回利用是关 键性问题； II、继续解决氯化冶金设备的防腐蚀； III、环境保护
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
氧势图（Ellingham）的形成原理
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备
选矿 焙烧 烧结(球化) 不加添加剂的焙烧，也称煅烧： I、分解矿石，如石灰石化学加工制成氧化钙，同时 制得二氧化碳气体； II、活化矿石，目的在于改变矿石结构，使其易于分 解，例如：将高岭土焙烧脱水，使其结构疏松多孔， 易于进一步加工生产氧化铝；
1.1 冶金工艺
的化合物析出或造
渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相
间分
配比的不同。
◇ 利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金
属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精
炼（区域熔炼）。
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程
中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分
离——蒸馏精炼、升华精炼。
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备 选矿 焙烧 烧结(球化)
III、脱除杂质，如脱硫、脱除有机物和 吸附水等； IV、晶型转化，如焙烧二氧化钛使其改变晶型，改善 其使用性质。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备 选矿 焙烧 烧结(球化)
高炉炼铁生产前，将各 种粉状含铁原料，配入 适量的燃料和熔剂，加 入适量的水，经混合和 造球后在烧结设备上使 物料发生一系列物理化 学变化，烧结成块的过 程。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ③精炼
◆ 除去有害杂质，生产出具有一定纯度的金属； 当金属中的杂质含量超过一定限度时，其物 理、化学和机械性能会发生变化。
◆ 生产出含有各种规定量的合金元素的金属，使其具 有一定的物理、化学和机械性能；如合金钢的生产
◆ 回收其中具有很高经济价值的稀贵金属“杂质”。 如：粗铅、粗铜中的金、银及其他稀贵金属。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金
氯化冶金就是将矿石（或冶金半成品）与氯化剂 混合，在一定条件下发生化学反应，使金属转变 为氯化物再进一步将金属提取出来的方法。 氯化冶金主要包括：氯化过程
氯化物的分离过程 从纯氯化物中提取金属
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金
优点：
✓ 还原剂和被还原金属生成化合物的标准吉布斯自由能及生成 热应有足够大的差值，以便尽可能不由外部供给热量并能使 反应完全地进行；
✓ 还原剂在被提取金属中的溶解度要小或容易与之分离； ✓ 形成的炉渣应易熔，比重要小，以利于金属和炉渣的分离； ✓ 还原剂纯度要高，以免污染被还原金属； ✓ 应尽量选择价格便宜和货源较广的还原剂。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
①提炼冶金（不一定完全包括以下步骤）
焙烧 烧结（促进氧化还原反应） 还原熔炼（还原出金属、含巨多杂质） 氧化熔炼（烧掉一部分杂质） 造渣（用造渣剂把杂质变成渣后排出） 造锍（把要提取的金属以硫化物的形态富 集于锍中，贵金属及其他有价成分也随之富 集于其中，脉石则熔合成渣而与锍分离。） 精炼
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
火法冶金常用的还原剂
固体还原剂 煤、焦碳等，其有效成分为C； 气体还原剂 CO和H2等 液体还原剂 Mg、Na等 ➢ C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能 ➢ C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
还原剂的选择
目录
1.1、冶金工艺 1.2、钢铁冶炼 1.3、有色金属冶炼
1.1 冶金工艺
一、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。（干法冶金）
➢ 工艺过程：
矿石准备 冶炼
选矿、干燥 、焙烧、球
化或烧结
氧化还原提 取金属
精炼
除去杂质 提纯金属
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1.1 冶金工艺
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ③精炼
利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异， ◆ 形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；
◆ 或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留下
来。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
◆ 化学法 基于杂质与主金属化学性质的不同，加
入某
种反应剂使之形成某种难溶于金属
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼 • 氧势图用于判断氧的走向：从上往下走
• 除了氧势图，实际生产中还有碳、硫、氯、 磷势图
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
火法冶金常用的燃料
固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2 液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
2x y
M
2＋O2＝
2 y
M
xO
y
把上式的rGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为 氧势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能 与温度的关系图。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
rGθ rH TrS
（1）斜率是反应的熵变 的负值
（2）转折点一定是在该 温度有反应物或产物的相 变 注意纵坐标是负数，越靠下， 表示ΔG<0 的程度越大，自 发进行的趋势越强。
目的：促进反应的发生
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
气体还原剂还原 用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 固体碳还原 用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 金属热还原 用位于 G－T 图下方的曲线所表示的金属作还原 剂，还原位于G－T 图上方曲线所表示的金属氧化 物（氯化物、氟化物）以制取金属。
I、对原料的适应性强，可处理各种不同类型的原料， 甚至液态粗金属；
II、作业温度比其他火法冶金过程低； III、分离效率高，综合利用好。在高品位矿石资源逐 渐枯竭的情况下，对储量很大的低品位、成分复杂难 选的贫矿来说，氯化冶金将发挥它的作用。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金 尚有三个问题待解决： I、氯化剂的利用效率和氯化剂的再生返回利用是关 键性问题； II、继续解决氯化冶金设备的防腐蚀； III、环境保护
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
氧势图（Ellingham）的形成原理
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备
选矿 焙烧 烧结(球化) 不加添加剂的焙烧，也称煅烧： I、分解矿石，如石灰石化学加工制成氧化钙，同时 制得二氧化碳气体； II、活化矿石，目的在于改变矿石结构，使其易于分 解，例如：将高岭土焙烧脱水，使其结构疏松多孔， 易于进一步加工生产氧化铝；
1.1 冶金工艺
的化合物析出或造
渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相
间分
配比的不同。
◇ 利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金
属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精
炼（区域熔炼）。
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程
中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分
离——蒸馏精炼、升华精炼。
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备 选矿 焙烧 烧结(球化)
III、脱除杂质，如脱硫、脱除有机物和 吸附水等； IV、晶型转化，如焙烧二氧化钛使其改变晶型，改善 其使用性质。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程
①矿石准备 选矿 焙烧 烧结(球化)
高炉炼铁生产前，将各 种粉状含铁原料，配入 适量的燃料和熔剂，加 入适量的水，经混合和 造球后在烧结设备上使 物料发生一系列物理化 学变化，烧结成块的过 程。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ③精炼
◆ 除去有害杂质，生产出具有一定纯度的金属； 当金属中的杂质含量超过一定限度时，其物 理、化学和机械性能会发生变化。
◆ 生产出含有各种规定量的合金元素的金属，使其具 有一定的物理、化学和机械性能；如合金钢的生产
◆ 回收其中具有很高经济价值的稀贵金属“杂质”。 如：粗铅、粗铜中的金、银及其他稀贵金属。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金
氯化冶金就是将矿石（或冶金半成品）与氯化剂 混合，在一定条件下发生化学反应，使金属转变 为氯化物再进一步将金属提取出来的方法。 氯化冶金主要包括：氯化过程
氯化物的分离过程 从纯氯化物中提取金属
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金
优点：
✓ 还原剂和被还原金属生成化合物的标准吉布斯自由能及生成 热应有足够大的差值，以便尽可能不由外部供给热量并能使 反应完全地进行；
✓ 还原剂在被提取金属中的溶解度要小或容易与之分离； ✓ 形成的炉渣应易熔，比重要小，以利于金属和炉渣的分离； ✓ 还原剂纯度要高，以免污染被还原金属； ✓ 应尽量选择价格便宜和货源较广的还原剂。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
①提炼冶金（不一定完全包括以下步骤）
焙烧 烧结（促进氧化还原反应） 还原熔炼（还原出金属、含巨多杂质） 氧化熔炼（烧掉一部分杂质） 造渣（用造渣剂把杂质变成渣后排出） 造锍（把要提取的金属以硫化物的形态富 集于锍中，贵金属及其他有价成分也随之富 集于其中，脉石则熔合成渣而与锍分离。） 精炼
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
火法冶金常用的还原剂
固体还原剂 煤、焦碳等，其有效成分为C； 气体还原剂 CO和H2等 液体还原剂 Mg、Na等 ➢ C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能 ➢ C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
还原剂的选择