铝冶金课件

冶金原理精品课程
第二节 氯化反应的热力学
一、金属与氯的反应 氯的化学活性很强，所以绝大多数金属很易被氯 气氯化生成金属氯化物。所有金属氯化物的生成自由 能，在一般冶金温度下均为负值，且它们的△G—T 关系多数已经测出，在某些手册，专著中可以方便地 查得。 金属氯化物的—T关系也可用图示表达。为了便 于比较，将它们都换算成与一摩尔氯气反应的标准生 成吉布斯自由能变化。图5-1列出了它们的△G—T关 系。
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所谓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等三个基本过程。在自 然界中金属主要以氯化物、硫化物、硅酸盐、硫酸 盐等形式存在，因此从原料中制取金属氯化物的氯 化过程，显然是氯化冶金最基本和最重要的过程。
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MeO +Cl2 === MeCl2 +O2 C + O2 === CO2 C +1/2O2 === CO2 由（4）×2 +得 （5）
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Mg+Cl2=MgCl2 -）1/2Ti+Cl2=1/2TiCl4
Mg
1 2 TiCi2
MgCl2
1 Ti 2
D G3q
DGMq gCl2
1 2
DGTqiCl 4
DG q MgCl2 DGq TiCl4
DG3q （3）
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由图5-1可见,MgCl2的生成吉布斯自由能曲线在 下面，显然1/2TiCl4的生成吉布斯自由能曲线在上面，
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金属氧化物与氯气反应的—T关系已有人 测出，列于图5-2，图5-3中。从图中可见： SiO2、TiO2 、Al2O3、Fe2O3、MgO在标准状 态下不能被氯气氯化。而许多金属的氧化物如 PbO、Cu2O、CdO、NiO、ZnO、CoO、BiO 可以被氯气氯化。

VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。

➢ G.R表征了凝固过程的冷却速率，影 响微观组织的尺度；
➢ 一个G/R值对应着一个结晶形态，随 G/R减小，凝固结晶形态由平面晶顺 序向胞状晶、树枝晶和等轴晶转变；
➢ 一个G.R值对应着一个结构尺度，随 G.R增大，微观组织尺度减小（细 化）。
G和R对凝固显微结晶形ห้องสมุดไป่ตู้和尺度的影响
➢ 焊接线能量恒定条件下，随焊 接速度增大，熔池结晶速率R将 增大、熔池边界温度梯度尤其 是熔池中心线附近边界温度梯 度G趋于减小，G/R值减小，焊 缝中心更容易出现等轴晶；
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
4.3.3 焊缝凝固组织的调控
在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得 良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能 越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴 晶组织。
的显微结构依次为：平面晶、胞状晶、树枝晶； ➢ 所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； ➢ 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
(a)
(b)
(c)
Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响， (a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti
(a)
(b)
合金元素Zr对7020 Al–Zn–Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影 响[29]：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理

28
开采方法：
为了经济而有效地开发地下资源，需根据矿床所处的 地理位置、埋藏条件以及国民经济发展的需要，进行 可行性的技术经济分析，选择合理的开采方法。
露天开采：如果矿床埋藏得比较浅时可采用露天开采， 以台阶的方式一层一层地向下开采，剥离岩石到达矿 体，然后再以台阶方式开采矿石。露天采矿的步骤主 要包括矿区的地面准备、矿山基本建设、剥离岩石和 每种类型的金属的性质、及其冶炼方法都有其特殊性。 黑色金属：冶炼方法均为火法。 重金属：可分为火法和湿法冶炼。
轻金属：密度小、活性大，多采用熔盐电解法和金属热还原 法生产。
贵金属：一部分可由矿石提取，大部分都是从铜、镍、铅、 锌冶炼厂的副产品（阳极泥）中回收的。
稀有金属：分散、没有富集的矿床，难于开采和冶炼。 有的熔点高，硬度大，耐腐蚀；有的没有形成单独
一、火法冶金
定义： 在高温条件下，使矿石或精矿中的有用矿物部分或全部 在高温条件下进行一系列的物理化学反应，达到提取、 提纯金属与脉石和其它杂质分离的目的。 高温的获得： 燃料、自身反应，电能 地位：火法冶金在金属冶炼中占主导地位。
二、湿法冶金
在低温下（一般低于100℃，现代湿法冶金的高温高 压过程，200℃～300℃）用溶剂来处理矿石和精 矿，并在低温溶液中进行一系列的物理化学反应， 达到提取、提纯金属与脉石和其它杂质分离的目 的。
的矿床，只能从化工厂和冶金厂的废料中提取；有的提取 异常困难；有的含有放射性。所以稀有金属的冶炼方法多 种多样。
定义
冶金：是一门研究如何经济地从矿石或精矿和其它材料中 提取金属，并使之经过加工处理，适用于人类的科学。 广义的冶金包括矿石的开采、选矿、冶炼和金属加工。由 于科学技术的进步和工业的发展，采矿、选矿和金属加工 已形成一门独立的学科。因而目前的冶金是指矿石或精矿 的冶炼。 又称： 化学冶金：主要采用的是化学的方法。 提取冶金：从矿石或精矿中提取金属。 冶金方法是多种多样的，根据冶炼方法的不同，大致可分为 三类：火法冶金、湿法冶金、电冶金。

熔合区中硫的分布
2、组织不均匀性
成分不均匀性在一定程度上决定了组织不均匀性，焊接工艺与焊接方法 也会对熔合区的组织不均匀性产生一定的影响。 ➢ 非对流混合区过渡成分有可能导致其在凝固后形成的组织可能既不
同于母材组织也不同于焊缝组织，甚至可能出现一些不希望得到的 有害组织。如在异种钢焊接过程中可能会形成一个马氏体层，有时 还会形成铁素体带和富奥氏体带等等。 ➢ 在部分熔化区，有时会发生严重的晶界液化。液化的晶界在凝固过 程中可能会发生严重的偏析，甚至会在晶界形成近共晶组织，导致 晶界发生严重的脆化。例如，在2219铝合金焊接过程中的部分熔化 区的晶界经常会出现共晶组织，在铸铁焊接过程中在部分熔化区经 常会观察到白口铁组织。
非对流混合区半岛状形貌a)与成分 分布b)
5.2.2非对流混合区的形成机理
非对流混合区形成示意图
实际上，利用流体力学中流动边界层的理论可以很好的解释非对流 混合区的行为。流动边界层，是指贴近固壁附近的一部分流动区域， 在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近 来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。
边界层的厚度：
X
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
5.20Re 2
0 Re 5105
X X
Re
其中 为流体的密度，kg/m3;
为流体动态粘度，Pa.s;
为运动粘度，m2/s；
X 为到固/液界面的距离，m；
是到固/液界面一定距离后的均匀流速，m/s。
5.2.3非对流混合区的控制措施
非对流混合区对接头性能的影响：
➢ 在适当的氧化环境中，当焊缝金属比基体金属惰性能大时，非 对流混合区是焊接接头中腐蚀速度最快的区域；

Al2O3.2SiO2.2H2O+6NaOH+aq=2NaAlO2+2Na2SiO 3+aq
2NaAlO2+2Na2SiO3+aq = 3 Na2O.Al2O3.nSiO2.nH2O +4NaOH
预脱硅
SiO2造成的危害
造成氧化铝和苛性碱的损失 结疤 影响产品质量
氧化铁水合物在溶出过程中的行为
（1）次生成核 次生成核又叫二次成核，所形成的晶
核成为次生晶核或二次晶核。在晶种分解 过程中，生成晶核表面粗糙，长成向外突 出细小的晶体，在颗粒相互碰撞或流体的 剪切力作用下，这些细小晶体便脱离母晶 而进入溶液中，成为新的晶核。分解温度 在75℃以上时，都无次生晶核形成。
（2）晶体长大 种分过程存在着晶体直接长大的过程，
高压溶出：各组分行为、添加石灰、苛性碱的原因、结疤现象 溶出矿浆稀释、赤泥洗涤： 晶种分解：机理 氢氧化铝分离、洗涤、焙烧 分解母液的蒸发与碳酸钠的苛化
Al2O3/
拜耳循环 高压溶出 溶出矿浆稀释 晶种分解 分解母液的蒸发
40
拜耳法循环图 200
交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到一批 氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。
Al2O3(1或3)H2O+2NaOH+aq＝2NaAl(OH)4+aq
拜耳法循环图
40
200℃
αK＝1.65
Al2O3/
60℃
20
B
30℃
αK＝3.40
％
C
A
D
10
20
Na2O％
拜耳法工艺流程图
主要工序
即在晶种表面结晶并沿平面展开，使晶粒 直径长大。晶体长大的速度取决于分解条 件。溶液的过饱和度大，有利于晶体长大。

【补偿训练】
金属锂是密度最小的金属,等质量的金属,锂能释放出更多的电子,故常用来制
造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间,则下列能冶炼出金属锂的方
法是( )
A.电解法
B.热还原法
C.热分解法
D.铝热法
【解析】选 A。锂的金属性介于钠、镁之间,应该与 Na、Mg 的冶炼方法相同, 即电解法。
探究任务二 铝热反应 【生产情境】 铝热反应是以铝粉和氧化铁为主要反应物的放热反应。当温度超过 1 250 ℃ 时,铝粉激烈氧化,燃烧而放出大量热。这种放热反应的温度可达 3 000 ℃以上。 铝热反应非常迅速,作用时间短。铝热反应原理可以应用在生产上,例如焊接钢 轨、冶炼难熔金属、制作传统的烟火剂等。
2.为什么冶炼镁时不能使用MgO,冶炼铝时不能使用AlCl3? 提示:因为氧化镁熔点太高,不易熔化,所以不用,而氯化镁熔点低,易熔化且 熔化后易电离出自由移动的阴、阳离子,所以用氯化镁;氯化铝是共价化合 物,熔化时不能电离出自由移动的阴、阳离子,所以不能使用,只能用熔点较 高的氧化铝。 3.金属活动性顺序与金属的冶炼方法有什么关系? 提示:大部分金属采用高温热还原法,不活泼金属(如Hg、Ag)采用直接加热 分解法,非常活泼的金属采用电解法。
湿法炼铜:_F__e_+_C_u_S_O__4_=_=_=_F_e_S_O__4+__C_u_
火法炼铜:_C_u_2_S_+_O__2_=_高=_=温_=__2_C__u_+_S_O_2_
【情境·思考】如图是我国古代和现代冶金的两张图片,那么人类使用金属 的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系?
提示:金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活 泼性。金属越活泼,冶炼时所需条件要求越高,在人类历史上出现的相对晚 一些。金属越不活泼,冶炼的方法越简单,人们使用的时间越早,所以有青铜、 铁器等时代的发展历程。