金属材料及制备加工工艺

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➢ 炼钢的常见工艺：
碱性平炉炼钢：以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和 矿石供氧；以气体或液体燃料供热。
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电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧 高温(通常5000℃一6000℃)加热和熔化金属，金属熔化后 加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、 锰、磷等元素的氧化。 当碳、磷含量合格时， 扒去氧化性炉渣．再 加入石灰、萤石、电 石、硅铁等造渣剂和 还原剂，形成高碱度 还原渣，脱去钢中的 氧和硫。
➢ 工艺过程：
离子 浸取
固液 分离
溶液 富集
金属或化 合物提取
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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。
冰铜
粗铜
纯铜
电解精炼
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火法精炼
➢ 铜的湿法冶炼：
溶剂
置换法
溶解
铜矿
铜离子
电沉积
铜
氢还原
目前，湿法冶炼的发展出现新的契机，基于环保的要 求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。
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铝的冶炼
由于铝的化学性质活泼，不能通过各种化学处理直 接还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。
后来，人类发现电解法很容易制备金属铝，铝的价 格大约降低了20倍。
炼铁的目的就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原 出的铁与脉石分离。
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生铁冶炼
➢ 原料：脉石、熔剂（如CaCO3用于造渣）以及焦炭等。 ➢ 主要反应过程：
CO2 ＋ C ＝ 2CO Fe2O3 － Fe3O4 － FeO － Fe
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➢ 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
NaAlO2
矿石（Al2O3）
1100 ℃
Al2O3•Na2O
NaAlO2
Al（OH）3
Al（OH）3
煅烧 950~1000℃
Na2CO3 NaOH CO2
Al2O3
900 ℃
Al3＋＋3e → Al AlO33- - 6e → Al2O3
Al .
合物的方法。
➢ 工艺过程：
矿石准备
选矿、焙 烧球化或
烧结
矿石百度文库炼
金属化合物 的还原
精炼提纯
除去杂质 提纯金属
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➢ 工艺方法分类：
提取 冶金
火法冶金
喷射 冶金
氯化 冶金
真空 冶金
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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。
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。
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。
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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
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氧气顶吹转炉炼钢： 熔池搅拌；放热升温；无需燃料。已成为现代冶炼
碳钢和低合金钢的主要方法。
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第三节 有色金属冶炼
铜的冶炼
铜在地壳中的含量只有0.01％，在自然界中大多以硫 化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜 矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。
➢ 铜精矿的火法冶炼：
精铜矿
熔炼
第一篇 金属材料及制备加工工艺
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
金属材料的制备－冶金 铸造 金属的压力加工 金属材料热处理 金属的焊接 工程材料
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第一章 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
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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。
（MnO） （P2O5）
＋〔Fe〕
（CO）
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造渣除P、S： 由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。
2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaO·P2O5 FeS + CaO = FeO + CaS
脱氧：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。
合金化：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金 化处理。
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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。
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第二节 钢铁冶炼
Fe在地壳中的含量为5％左右，在金属中仅次于铝， 除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素 化合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存 在。
铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物 (SiO2、MnO2 等)，这些统称为脉石。
电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝 的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝 得到纯铝。
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萤石
选矿 生产冰晶石 或氟化物
纯冰晶石
铝矿石 生产氧化铝
纯氧化铝
电解制铝 再熔或精炼
碳素材料 电极生产 阳极糊或 其它产品
电能
铝锭
铝的生产流程示意图
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铝冶炼的主要过程：
矿石（Al2O3）
NaOH 165 ℃0.35Pa
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。
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➢ 炼钢的基本过程：
铁元素的氧化： 2〔Fe〕＋｛O2｝＝2（FeO）
铁元素的再还原：
｝ 〔Si〕
〔Mn〕 〔P〕
＋ (FeO ）
〔C〕
｝ （SiO2）