材料工程基础课件-第一章(1-3节) 材料的熔炼

高碳钢
钨铬钢
>0.6%
镍铬钢
矿石的品位
矿石品位指单位体积或单位重量矿石中有用组分或有用矿物 的含量。矿产品位是衡量矿床经济价值的主要指标。一般以 重量百分比表示（如铁、铜、铅、锌等矿）；克／吨表示 （如金、银等矿）；克／立方米表示（如砂金矿等）；克／
升表示（如碘、溴等化工原料矿产）。
铁矿石的品位
• 钢中氮含量高时，在250-450℃温度范围，钢的强度 升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加， 钢的焊接性能变坏。
• 钢的表面会发蓝，称之为“蓝脆”。
熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质 在熔池中进行电解。
第二节 钢铁冶金
钢铁基础知识 • 黑色金属：包括铁、铬、锰三种。但后两种在实际
生产中很少单独使用，故黑色金属就泛指钢、铁。
• 有色金属：除铁、锰、铬以外的八十三种金属都叫 做有色金属。 • 贵金属：金、银和铂、钯、铑、钌、铱、锇（铂族） • 稀有金属： 通常指在自然界中含量较少或分布稀 散的金属。
巴西淡水河谷
65%
71%
2007年 2006年12月
பைடு நூலகம்
宝钢 巴西淡水河谷 9.50% 9.50%
2006年 2006年6月
宝钢
必和必拓 19% 19%
2005年 2005年12月 日本新日铁
力拓 71.50% 71.50%
2008年 154美元/吨
Mt Tom Price Iron Ore Mine, Hamersley Province, Western Australia 西澳Hamersley省Mt Tom Price铁矿
脱氧
• 凡是对氧的亲和力大于铁氧亲和力的元素 都能脱氧。常用的脱氧剂?
• 常用的脱氧剂有C、Mn、Si，Al等。
钢中的气体
• 钢中气体主要是指氢与氮，它们可以溶解于液态和固 态纯铁和钢中。
• 当钢中含有过量的氢时，会发生 “氢脆”现象。即钢 热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被 拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧 性的降低，即发生“氢脆”现象。
机械性能 质硬而脆 无韧性
机械加工 可铸不可锻
钢
0.03%－2%
Si、Mn、S、P （较少）
坚硬、韧性大、 可塑性好。 可铸、可锻、 可压延
生铁与钢的比较
生铁
炼钢生铁 （白口铁）
铸造生铁 （灰口铁、铸铁）
球墨铸铁
合金生铁： 如锰铁、硅铁
钢
碳素钢
合金钢
低碳钢
钨钢
C%<0.3%
中碳钢
锰钢
0.3%-0.6%
高炉的冶炼物理化学过程：
1） 燃烧过程：C＋O2——CO2↑ CO2在上升过程中：CO2＋C——CO↑
2）溶剂分解：CaCO3——CaO＋CO2↑ 3） 铁的还原：FeO＋CO——CO2＋Fe(间接还原)
FeO＋C——Fe＋CO （直接还原） 4）增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳－扩散过程， 使铁水 被C所饱和。 5）其他元素的还原:
FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃的热加工 过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界 破裂，即发生“热脆”现象。
硫在钢中以FeS的形式存在，进游离的CaO结合 成稳定的CaS，生成的CaS不溶于钢液，形成渣相浮 在钢液表面。 FeS+CaO→ CaS+FeO
钢中的氧
• 在脱碳过程中，向熔池供入了大量的氧气，使钢中 实际氧含量高于平均值。
日本成为一个稀有贵金属的巨型宝库。日本一家研究机构12日 发表报告称，由于越来越多的贵重金属应用在家用电器和半导 体等电子器件上，日本已经成为全球稀有贵金属最大的聚集地 。 尽管相当多的贵金属可以循环利用，但它们随着器材老化和 废旧物品回收等原因逐渐沉积下来，使日本成为一个稀有贵金 属的巨型宝库。 报告中说，目前日本境内大约有6800吨黄金， 相当于全球已探明储量的16%。白银大约有60000吨，相当于全 球已探明储量的22%。 更让人感到惊奇的是，报告中说，金属 铟在日本存储量已经占到全球已探明总储藏量的61%，这是一 种用于制造液晶显示面板必不可少的贵金属。 报告中说：“尽 管这些稀有贵金属可能会以终端电子产品的形式销往全世界， 但是，相当多一部分贵金属通过废物回收利用等方式又返回了 日本。”报告指出：“可以毫不夸张地说，日本已经成为一个 全球稀有贵重金属的大本营。” --- 2008年发表文章
金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶 金以及真空冶金等。
化工生产过程：“攻头、保尾、控中间”
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。
➢ 工艺过程：
矿石准备
选矿、焙 烧球化或
烧结
矿石冶炼
金属化合物 的还原
精炼提纯
除去杂质 提纯金属
湿法冶金
➢ 定义：湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用， 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。
Mn，Si 部分被还原，被还原后进入铁水中 Al不被还原 ，只能和熔剂形成渣 6）去S: FeS＋CaO——CaS＋FeO 7）P： Ca3(PO4) 2＋C － CaO＋P＋CO 所以在铁水中： C饱和，溶有部分的Mn，Si，S以及全部的P。
➢ 炼铁产品及副产品：
生铁（主要产品）： 分为炼钢生铁和铸造生铁。 炉渣（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主
铁矿的品位定级：含铁45%以上称之为富矿，（赤铁矿达 70%）；35%至45%为低品矿；25%至35%为贫矿；25%以
下为超贫矿。 我国约有97%的铁矿储备的品位低于35%，属于贫矿甚至是 超贫矿。超贫铁矿在过去是没有什么开采价值的，因为开采
成本高于销售的铁矿价格。但是……
全球铁矿石资源
估计地质储量在8000亿吨以上，而探明储量为4000多亿吨。按 现有生产水平，可供应400年。铁矿资源主要集中于十多个国家， 探明储量的90％分布在10个国家和地区。依次是：独联体（探 明储量1140亿吨，其中俄罗斯800多亿吨）、巴西（680亿吨）、 中国（500亿吨）、加拿大（360亿吨以上）、澳大利亚（350亿
钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增 加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。
如何脱C？ 采用氧化的方式：
①碳被氧气直接氧化
[C]
1 2
O2
CO
②间接氧化 [C] (FeO) [Fe] CO
造渣除P、S： P的含量高会引起钢的 “冷脆”（从高温降到
0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊 接性能与冷弯性能变差）。 磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而 且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难 消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过 程的重要任务之一。
• 铁是元素周期表上第26位元素，原子量为55.85，在 大气压下于1534℃熔化，2740℃气化。固态铁的密度 是7870Kg/m3。
• 高纯度的铁是很柔软的，没有多少使用价值。但当纯 铁中含有一定量的碳后，就变成我们在各方面使用的 钢铁了。
生铁与钢的比较
铁的合金
生铁
C%
2%－4.3%
其它杂质 Si、Mn、S、P （较多）
➢ 工艺过程：
离子 浸取
固液 分离
溶液 富集
金属或化 合物提取
电冶金
➢ 定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、 精炼金属的冶金过程。 ➢ 工艺分类：
电热熔炼 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方
法。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子熔炼和电磁 熔炼等。 水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶 金方法。
[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe] 2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]
造渣除P、S： S对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，
造成钢的“热脆”性（ 钢的热加工性能变坏）。 当钢中的[S]＞0.020%时，由于凝固偏析，Fe-
我国四大富铁矿基地：河北省武安市、海南昌江县、四川攀枝 花和本溪。我国炼钢需要的铁矿石约75%依靠进口。
全球铁矿石资源
2005—2008年铁矿石价格涨幅一览表
年份 达成协议时间
谈判双方代表
购买方
供应方
铁矿石涨幅 粉矿 块矿
2008年6月
宝钢
力拓 79.88% 96.50%
2008年
2008年2月
日本新日铁、 韩国浦项
• 任务： 1）FeO的还原 2）还原脉石或把脉石与铁水分离
• 溶剂 ：分离脉石，与SiO2、Al2O3形成低熔点的渣 • 燃料： 焦碳和煤粉 • 可以把炼铁归结为：矿石的还原，除脉石，造渣，
或简单称为造渣过程
生铁冶炼
➢ 原料：矿石、熔剂（如CaCO3用于造渣）及焦炭等。 ➢ 主要反应过程：
CO2 ＋ C ＝ 2CO Fe2O3 － Fe3O4 － FeO － Fe
第一章 材料的熔炼
金属材料的制备－冶金
第一节 冶金工艺概述 第二节 钢铁冶炼 第三节 有色金属冶炼（铝、铜）
第一节 冶金工艺概述
绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、 碳化物等化合物的形式存在地壳之中。
因此，要获得各种金属及其合金材料。必须首先通过 各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属 产品进行精练提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成 形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。
要用于生产水泥。 煤气（副产品）：含26％左右的CO，用作燃料。
钢铁冶炼
➢ 炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质 元素，使其化学成分达到钢的要求。