金属材料一般制备简介

K2O＞Na2O＞CaO＞(MnO、 FeO、 MgO、 HgO)＞TiO2＞A12O3＞SiO2 标准状况下液态 ：TiCl4、SiCl4等； 标准状况下固体的低沸点氯化物：FeCl3，A1C13； 标堆状况下固态高沸点氯化物：CaCl2、MgC12、MnCl2、FeCl2、KCl、NaCl
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四、粗TiCl4的净化
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3. 物理化学过程 ● 燃料燃烧
焦炭在炉缸区或风口遇热空气燃烧，生成CO2并放出大量热，使炉缸温 度达1800℃～1900℃。随着炉气上升，含氧越来越少，同时炉气温度也不 断降低，发生还原反应CO2＋C＝2CO。热源、还原剂。
● 铁的还原 Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe 由CO、固体C逐步还原 最初还原出来的铁如海绵状，称为海绵铁。 海绵铁下降过程中吸碳，熔点降低，在1200℃左右开始熔化成为铁水。 其他金属氧化物也被还原，被还原出来的锰、硅等元素熔于铁水中。
● 水溶液电解： ※ 电解精炼
电极电位高的稀贵 金属和杂质落入底 部或附于阳极形成 阳极泥，电极电位 低的杂质以离子形 态留在电解液中。
※ 电解提取
从富集后的浸取液 中提取金属或化合 物。不溶性电极， 溶剂可经过再生后 重复使用。
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● 熔盐电解： 铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高导电
回收有价金属Au、Ag、Se、Te等。
2. 原理
阳极：火法精铜铸成阳极板 阴极：纯铜片 电解液：硫酸铜和硫酸的水溶液 铜：阳极铜溶解，电解液中的铜离子在阴极析出→电解铜 稀贵金属：进入阳极泥回收 杂质：留在电解液中
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纯铝的冶金制备
铝与氧的亲和力很强，难以直接还原，故长期以来铝的价格 极高。
当人类发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝之后，铝的价 格大约降低了20倍。
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二、还原熔炼制备高钛渣
选择性还原 用石油焦作还原剂，在一定温度下使Fe等氧化物还原成金属铁等， Ti以TiO2的形式保留在渣中，与液态的Fe等杂质分离，钛得以富集。 产物：高钛渣、生铁
三、高钛渣的选择氯化—得到TiCl4
高钛渣中的杂质： FeO、Fe2O3、SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO 各种氧化物与氯相互作用的能力，从大到小排列如下：
原料成分 Cu、Fe、Zn、Ni等硫化物； Fe、Cu、Zn、Si、Al、Mn、Ca、Mg等氧化物、少量硫酸盐、碳
酸盐和硅酸盐等 。
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二、造锍熔炼—冰铜
1. 高温反应
● 高价化合物的分解
4CuFeS2＝2Cu2S＋4FeS＋2S 2CuS＝Cu2S＋S FeS2＝FeS＋S MeCO3＝MeO＋CO2 MeSO4＝MeO＋SO2 ＋O2 2CuO＝Cu2O＋O2
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纯金属制备—冶金
1. 火法冶金 利用高温使原料熔化，进行物理化学反应，从矿石中提取和提纯金属。 用气体或固体还原剂还原为金属，如： Cr2O3＋Al→Al2O3＋Cr
● 提炼冶金：由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造锍、精炼等单
元过程按照需要所构成的冶金方法。
● 氯化冶金：依靠不同金属氯化物的物理化学性质不同，来有效实现金属的
● 炉渣
FeO、SiO2、CaO、Al2O3 少量 Cu2S和Cu2O。
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三、冰铜转炉吹炼—粗铜
● 铁、镍、铅等硫化物被氧化 与加入的石英造渣 → 转炉渣
● 白冰铜（Cu2O)吹炼氧化 → 粗铜
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四、粗铜的火法精炼—火法精铜
1. 粗铜中杂质
砷、锑、铅、锡、锌、铁、钴、镍等杂质； 硒、碲、锗、金、银等稀贵金属
NaAl（OH）4：进入溶液 Fe2O3·H2O、CaO·SiO2等：组成赤泥
4. 脱硅 浸出液中含有一定量的SiO2 （硅酸钠）
向粗铝酸钠溶液中加入石灰，用蒸气加热，在5～7大气压下，经2小时 的搅拌压煮后，绝大部分的氧化硅成为固体从溶液中析出。
5. 精铝酸钠溶液分解
Na2O·Al2O3＋H2O＝2Al(OH)3↓＋2NaOH（种子搅拌或碳酸化）
Al(OH)3：洗涤、煅烧、晶型转变
Al2O3
送电解
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二、金属铝的制备—氧化铝电解
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固体氧化铝粉末不导电，为使其导电必须变为熔融状态。但氧化铝熔 点很高（2050℃），因此采用冰晶石（Na3AlF6）作熔剂，形成的冰晶 石和氧化铝熔体可在1000℃以下进行电解。
● 阳极反应
2Al3＋＋6e＝2Al
苏打
铝土矿
石灰石
蒸发
破碎 湿磨 回转窑 浸出 赤泥 洗涤 水
粗铝酸钠溶液
赤泥洗水
脱硅
硅渣 精铝酸钠溶液
种子搅拌分解或碳酸化分解 氢氧化铝分离
CO2 母液
洗涤氢氧化铝
氢氧化铝
焙烧
氧化铝
烧结法生产氧化铝的工艺流程图
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3. 浸出（稀碱溶液）
Na2O·Al2O3＋4H2O＝2 NaAl（OH）4 Na2O·Fe2O3＋2H2O＝Fe2O3·H2O↓＋NaOH
分离、提取和精炼。
● 喷射冶金：利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的
冶金过程。
● 真空冶金：在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼，金属液在真空下
脱氧、脱气等。
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2. 湿法冶金 低温下用溶剂处理矿石，在水溶液或非水溶液中进行氧化、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。包括浸取、固－液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或 化合物四个过程。
● 脱氧及合金化
锰铁、硅铁和铝。将FeO还原成Fe，脱氧产物上浮到钢液表面的渣中。 向钢液中加入所需的合金元素，将钢的化学成分调整到要求。
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纯铜的制备
一、原料
主要是铜矿石，其次是工业和生活中的铜及其合金的废件。
黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu3FeS2）、辉铜矿（Cu2S）、铜蓝（CuS）； 孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]、硅孔雀石[CuSiO3·2H2O]、赤铜矿（Cu2O）和胆矾 （CuSO4·5H2O）等。
根据矿石中各种矿物性 质的不同（如比重、磁性、 表面性质等），通过物理、 或物理化学的方法把各种 矿物分离的过程。
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重选
根据有用矿物与脉石比重、粒度不同，在运动介质中的沉降速度不同 介质：水、空气、重液、悬浮液。
● 重介质选矿：介质比重 小于主金属矿物，大于脉石矿物
● 跳汰选矿：介质比重 小于主金属矿物，大于脉石矿物
● 浸取：选择性溶解 。选择溶剂，使一种或几种有价金属溶解进入溶液，与
其他不溶物质分离。
● 固－液分离 ：过滤、洗涤或离心分离等。
● 溶液富集 ：利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的
冶金过程。
● 提取：采用电解、化学置换、氢还原等方法来提取金属或化合物。Al、W
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3. 电冶金 利用电化学原理从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属。
● 各种化合物间的反应
10Fe2O3＋FeS＝7 Fe3O4＋SO2 3Fe3O4＋FeS＝10FeO＋SO2 Cu2O＋FeS＝Cu2S＋FeO Cu2S＋Cu2O＝6Cu＋SO2 2Cu＋FeS＝Cu2S＋Fe
2. 造锍产物 ● 冰铜
Cu2S 少量 FeS 少量 PbS、ZnS、Ni3S2、
Au、Ag、Sb、Te、Se
● 石灰石分解与造渣 CaCO3＝CaO＋CO2 ；mSiO2＋pAl2O3＋nCaO＝nCaO·pAl2O3·mSiO2 熔渣吸收焦炭燃烧留下的灰分及未完全还原的氧化物（如FeO、MnO、
HgO等）；CaO还促使FeS转变为CaS而熔于渣中。
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二、炼钢
除去生铁中多余的碳、硫、磷等有害杂质，合金化。
采出的矿石往往块度很大。使矿石中的有用矿物和脉石、杂质分离。 为了控制一定的粒度，还需筛分和分级。
● 颚式破碎机 ● 圆锥破碎机 ● 辊碎机 ● 冲击式破碎机 筛分是将混合矿粒用条筛或振动筛按粒度分为两种或多种级别的过程。 磨矿一般在水中进行，不能进行筛分，而采用分级，螺旋分级机、水力旋流器。
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2. 选矿
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选矿
除少数单金属高品位矿石可经破碎直接进行冶炼提取和 提纯金属外，大多数矿物需经过选矿来提高矿石品位后再进 行冶炼。
冶金对金属含量有要求，如铜不小于3～5％，锌不小于 20％……；
节约原料、燃料消耗，提高技术、经济指标； 避免有害杂质在冶炼过程中进入金属影响金属质量 避免使冶炼过程复杂化。
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1. 矿石的破碎与细磨、筛分与分级
2. 精炼原理
●空气+铜→氧化亚铜 氧化亚铜+其它杂→质铜 杂质形成氧化物而被除去
● 铜液中残存7～8%的氧化亚铜 在还原阶段在熔体表面覆盖一层木炭，并吹入 还原性气体（CH4、CO、H2等）
氧化亚铜→铜
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五 精铜电解精炼—电解铜
1. 目的
火法精铜，含铜仅达99.5％，不能满足工业要求。 电解精炼：除去Fe、As、Sb、Pb等杂质；
● 摇床选矿：横向运动的床面与矿粒间的摩擦力、纵向水流的冲力
轻矿物
洗水
给矿
重矿物
重矿物
隔膜式跳汰机示意图
轻矿物
图4摇床选矿示意图
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磁选
磁力、 机械力
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浮选
药剂处理过的矿粒在两 相界面选择性附着
通空气。不被水润湿矿 粒随气泡浮到矿浆上面； 易被水润湿矿物粒子留 在矿浆中。
矿物表面不同的润湿性 可用浮选药剂在很大范 围内调整。
一、生铁冶炼
1. 原料 矿石、熔剂、焦炭等
脉石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO，其中SiO2最多。有害元素硫、磷、铅、
锌、砷等含量愈低愈好。
溶剂：目的是除去矿石中的脉石。熔剂和脉石反应生成熔点低、相对密度
小的熔渣，浮于铁水上面，便于除去。最常用的是石灰石（CaCO3）
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2. 主设备—高炉
率、低熔点的熔盐（通常为几种卤化物的混合物）作为电解质在熔盐中 进行电解。
※ 阴极反应 Mn++ne＝M
※ 阳极反应 通常用碳作为阳极。 例如电解MgCl2时，阳极的反应为：2Cl－＝Cl2＋2e； Al2O3在冰晶石中电解时，阳极上生成CO2：2O2－＋C＝CO2↑＋4e 。
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钢铁的冶金制备
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● 阴极反应
3O2－＋1.5C－6e＝1.5 CO2↑
● 总反应
Al2O3＋1.5C＝2Al＋1.5 CO2↑
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钛的冶金制备
一、含钛矿物及精矿成分 金红石：TiO2 钛铁矿：FeTiO3 钙钛矿：CaTiO3 钛硅酸钙：CaO·TiO2·SiO2 钛精矿中主要杂质：
FeO、Fe2O3、SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO
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一、烧结法生产氧化铝
1. 铝土矿主要成分
Al2O3、Fe2O3、SiO2 少量的TiO2。
2. 回转窑烧结反应
Al2O3＋Na2CO3= Na2O·Al2O3＋CO2 Fe2O3＋Na2CO3= Na2O·Fe2O3＋CO2 SiO2＋Na2CO3= Na2O·SiO2＋CO2 TiO2＋CaCO3= CaO·TiO2＋CO2 SiO2＋2CaCO3= 2CaO·SiO2＋CO2
首先获得纯金属
问题
种类多 自然界中大多以化合物的形态存在
性质各异
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冶金原料
矿物、矿石与选矿 矿物：有一定化学成分和物理属性的天然元素和化合物。
岩石与矿石
由一种或多种矿物组成的集合体称为岩石。 岩石中，一种或几种矿物相对集中到一定程度，目前 技术经济条件下可以利用时，这种矿物的集合体就称为矿石。 矿石中除含有有用矿物外，一般还含有大量的脉石矿 物和杂质，其中有用矿物又包括主金属矿物、伴生有价金属 矿物，主金属在矿石中的含量称为矿石品位。
各种氯化物沸点 利用沸点不同 精馏提纯
精馏前氧化除钒
在TiCl4中 溶解度极低
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镁、钠还原四氯化钛—海绵钛
钛的氧化物很难被还原，不能得到纯度高的海绵钛。 惰性气体保护还原。
● 氧化
直接向高温金属熔池中吹入工业纯氧，或利用氧化性炉气和铁矿石供氧。 首先与铁发生氧化反应：2[Fe]＋=2（FeO） 然后熔体中Si、Mn、P、C等杂质与（FeO）反应，生成杂质氧化物和Fe。 氧化物不熔于金属，而上浮进入熔渣或炉气中。
● 造渣脱磷和脱硫
2P＋5 FeO＋4CaO＝5Fe＋4CaO·P2O5（进入熔渣） FeS＋CaO＝FeO＋CaS（进入熔渣）
材料合成与制备—金属材料
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内容
1. 金属材料一般制备简介 2. 先进凝固技术制备金属材料
定向凝固、快速凝固、金属玻璃等
3. 金属薄膜制备 4. 金属基复合材料制备新技术 5. 新型金属材料特种制备
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金属材料一般制备简介
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零部件，板、带（片）、箔、丝、杆、管、型 材， 薄膜，粉末………
纯金属、合金、金属间化合物、金属基复合材料……