金属材料的制备_冶金_年修改版(PPT103页)

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。
• 20世纪20年代，氯化冶金除了应用于镁的 提取之外，还以氯化离析法用于提取有色 重金属（主要是铜）。50年代以来，氯化 冶金广泛用于稀有金属冶金中。
燃料
焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。 粒度：大型高炉 40~60mm； 中型高炉 25~40mm； 小型高炉 15~25mm；
喷吹燃料： 固体（无烟煤与烟煤粉） 液体（重油、煤焦油） 气体（天然气或焦炉煤气）
熔剂
熔剂主要使用石灰石(calcite) 和白云石(dolomite)；
熔剂的要求： ➢ 有效成分含量高（CaO+MgO）； ➢ 有害杂质S、P低； ➢ 粒度均匀，强度好，粉末少。
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
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：
1.1 冶金工艺
• 全部的氧化铝、氧化铀、约74％的锌、 12％的铜及多数稀有金属都是用湿法冶 金方法生产的；
• 最大优点：环境的污染较小，能处理低 品位的矿石。
1.1 冶金工艺
方法
优点
缺点
火法 冶金
1. 高温下反应速度快，单位设 备生产率和劳动率高；
2. 能充分利用硫化精矿本身的 能源，容易实现自热熔炼， 产品单位能耗低；
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 火法冶金的优点：简单粗暴，成本较低。 火法冶金的主要缺点： A、污染（粉尘、有毒气体） B、无法冶炼低品位矿石 C、很难冶炼高熔点金属
1.1 冶金工艺
二、湿法冶金 ➢难熔化或微粉状的矿石 ➢低浓度矿石（金、铀） ➢相似金属的分离（铪-锆）、（镍-钴）
• 湿法冶金是指利用溶剂的化学作用，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；
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
③喷射冶金
利用气流输送将冶金用粉末 物料通过喷枪直接吹入金属 熔池内部，使金属得到精炼 的工艺。可用于金属的脱氧、 脱硫、脱磷、脱硅以及脱除 其他元素.
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
④真空冶金
在低于标准大气压条件下进行的 冶金作业。可以实现大气中无法 进行的冶金过程，能防止金属氧 化，分离沸点不同的物质，除去 金属中的气体或杂质，增强金属 中碳的脱氧能力，提高金属和合 金的质最。
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
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ②电磁熔炼 以电磁热流体力学理论为基础，研究冶金过程和 材料制备的科学。它是借助电流、磁场所形成的 电磁力，对冶金（材料制备）过程中金属的表面 形态、流动、传质、化学反应、结晶等过程施加 影响，以便控制其变化或反应过程。
1.1 冶金工艺
三、电冶金
㈠电热熔炼 ②电磁熔炼
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。
3. 硫及金属产物能很好的富集 金银等贵金属。
1. 存在高温含尘烟气污染问 题，治理费用高；
2. 难以处理低品味原料； 3. 工作场地劳动卫生条件差。
湿法 冶金
1. 适于处理高、低品味原料， 比如可处理铜低品味原料；
2. 能处理复杂矿物原料； 3. 多金属综合回收利用效果好
；
4. 较少烟尘污染问题。
I 、炼钢生铁：作为平炉、转炉热装炼钢的原料。一般含 Ｓi 0.6 ~ 1.6%，S<0.07%。约占生铁产量的80～90％。 II、铸造生铁：也叫灰口铁，其铸造及切削加工性能良 好。用于铸件生产。其特点是含Ｓi 较高，在1.25 ~ 4.25% 之间。 II、特殊生铁：如锰铁、硅铁、锰铁（含Mn 10～25％） 等，为高炉冶炼的铁合金，用作炼钢脱氧剂。要求含P、S 尽量低。它仅占生铁产量的1～3％。
㈠炼铁的原料
磁铁矿（Fe3O4）
赤铁矿（Fe2O3）
褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
菱铁矿（FeCO3）
㈠炼铁的原料
矿石(ore)→破碎(crush)→筛分 (screen)→富矿(high-grade ore)→混匀(mix)→高炉；
矿石→破碎→筛分→贫矿 (lean ore)→磨矿 (grinding)→筛分→选矿 →造块→人造富矿→高炉
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2
ຫໍສະໝຸດ Baidu固态的C也可以直接对铁矿石进行还原，但是固相-固相之 间的反应，依靠原子扩散来进行，速度非常慢。
㈢物理化学过程
完全燃烧（发生在氧过剩的地区） C＋O2＝CO2
不完全燃烧（发生在碳过剩的地区） C+1/2O2=CO
熔剂的作用： ➢ 助熔，改善流动性，使渣铁容易分离； ➢ 脱硫（焦炭和矿石中S）。
㈡高炉
高炉冶炼特点： 高炉是连续的、大规模 的高温生产过程，机械 化和自动化水平较高。 可以数十年不停机。
㈡高炉
为什么要吹气？
（高炉）Blast furnace
为什么要吹气？
I、加速炭的燃烧，提高炉内温度。 II、产生CO气体，促成（气相+固相）还原 反应。
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
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。
• 主要过程：浸取、固-液分离、溶液的 富集、从溶液中提取金属或化合物；
1.1 冶金工艺
1.1 冶金工艺
1.1 冶金工艺
堆浸法 将细菌溶液喷洒到预先堆置好的矿石堆上，有选择性 地溶解（浸出）矿石中的目标金属成分，使金属形成 离子或络合离子并使之转入溶液。
1.1 冶金工艺
就地浸出（地下浸出） I、无需采掘、装、运、提升等工序。 II、基础建投资少，建设周期短，生产成本低等优点。 III、特别是该方法基本不破坏或很少破坏山林与农田， 不产生尾矿、废石，环境友好。
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
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
◆ 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
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
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（把要提取的贵金属杂质以硫化物的 形态富集于锍中。） 精炼
1. 生产能力低，设备庞大，设 备费用高，单位车间面积的
生产能力远低于火法冶金；
2. 能耗大； 3. 存在废水、废渣的污染和治
理问题。
1.1 冶金工艺
三、电冶金
• 利用电能从矿石或其他原料中提取、回 收、精炼金属的冶金过程称为电冶金；
• 电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解 和熔盐电解三方面内容。
1.1 冶金工艺
细化晶粒
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈡水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金 方法。
㈢熔盐电解：利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水溶液 或熔体中析出的冶金方法。
1.2 钢铁冶炼
1.2 钢铁冶炼
鞍本 集团 武钢集团 攀钢集团
首钢集团 上海宝钢集团
1.2 钢铁冶炼
一、生铁冶炼
生铁是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素 组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可 分为炼钢生铁和铸造生铁。
三、电冶金
㈠电热熔炼 ： 不同于火法冶金，电热冶金是直接用电加热生产金属的一 种冶金方法。包括电弧熔炼、电阻熔炼、等离子熔炼和感 应熔炼等。
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ①等离子冶金
等离子是固体、液体、气体以为的第四种存在状态。 温度极高的情况下，电子挣脱原子核的束缚，处于 游离态。等，表示正负相等，为电中性。
A 形状控制：电磁铸造、金属薄膜的电磁成行，电磁 塑性成型，悬浮熔炼等
B 驱动金属液体：电磁搅拌，电磁泵 C 抑制流动：磁力制动，抑制波动 D 悬浮：非金属夹杂物的电磁分离 E 热量生成：感应熔炼，电磁加热、电弧熔炼、等离
子熔炼等 F 组织控制：晶粒细（粗）化，非晶金属制备
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ②电磁熔炼
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。
还发生以下反应： CO＋1/2O2＝CO2 CO2＋C焦 = 2CO H2O＋C＝H2＋C O
㈢物理化学过程
铁氧化物还原顺序 遵循逐级还原的原则 T > 570℃:
Fe2O3→Fe3O4→FeO →Fe
T < 570℃: Fe2O3→Fe3O4→Fe (FeO →Fe3O4+Fe)
㈣产品和副产品 ①生铁
✓ 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
三、电冶金
㈠电热熔炼 ①等离子冶金
在一个紧缩的空间产生电弧，同 时将惰性气体（氩），从一个小 孔以高速喷射出，穿过这个空间 而成为等离子射流。
热量高度集中，可以达到非常高 的温度。已有等离子枪的工作温 度约在5000～20000℃之间。
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ①等离子冶金