金屬冶金概述

1、第七章第七章 冶金工程基礎(chǔ)冶金工程基礎(chǔ)材料工程基礎(chǔ)材料工程基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 金屬冶金概述金屬冶金概述第七章冶金工程基礎(chǔ)第七章冶金工程基礎(chǔ)金屬的分類1. 冶金工業(yè)的分類方法： 黑色金屬（鐵.鉻.錳） 有色金屬（除以上三種）2. 根據(jù)密度的大小分類： 輕金屬（小于4.5g/cm3）如:鋁.鉀.鎂.鈉 重金屬（大于4.5g/cm3）如:鐵.銅.銀.汞3. 根據(jù)地殼中的含量： 常見金屬 如:鐵.銅.錫 稀有金屬 如:鉭.鋯.鈮黑色黑色 金屬金屬有色有色 金屬金屬金金屬屬材材料料鑄鐵鑄鐵 鋼鋼 工程構(gòu)件用鋼工程構(gòu)件用鋼機(jī)器零件用鋼機(jī)器零件用鋼 工具鋼工具鋼 特殊性能用鋼特殊性能用鋼( (不銹鋼及耐熱鋼不

2、銹鋼及耐熱鋼) )輕金屬輕金屬( (鋁鋁, ,鎂鎂, ,鈦鈦) ) 重金屬重金屬( (銅銅, ,鋅鋅, ,鉛鉛, ,鎳鎳) ) 貴重金屬貴重金屬( (金金, ,銀銀) )稀有金屬稀有金屬( (鎢鉬釩鈮鈷鎢鉬釩鈮鈷) ) 放射金屬放射金屬( (鐳鈾釷鐳鈾釷) )結(jié)構(gòu)金屬材料結(jié)構(gòu)金屬材料 功能金屬材料功能金屬材料難熔金屬難熔金屬( (鈦鋯鉿釩鈮鉭鉬鎢鈦鋯鉿釩鈮鉭鉬鎢) ) 稀土金屬稀土金屬( (鈧、釔及鑭系元素鈧、釔及鑭系元素) ) 銦，銦， 鎢，鎢， 鍺，鍺， 稀土，稀土， 鉬，鉬， 鈦，鈦， 釩釩工業(yè)的牙齒工業(yè)的牙齒戰(zhàn)爭(zhēng)金屬戰(zhàn)爭(zhēng)金屬工業(yè)味精工業(yè)味精空間金屬空間金屬最高熔點(diǎn)最高熔點(diǎn)藍(lán)藍(lán)銅銅礦礦磁

3、磁鐵鐵礦礦金屬元素金屬元素在自然界，在自然界，少數(shù)不活少數(shù)不活潑金屬以潑金屬以游離態(tài)存游離態(tài)存在，多數(shù)在，多數(shù)金屬以化金屬以化合態(tài)存在。合態(tài)存在。1、冶金的基本概念 1）冶金的概念 (冶金的目的或任務(wù)） 冶金是研究如何經(jīng)濟(jì)地從礦石或其他原料中提取金屬或金屬化合物，并采用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的科學(xué)。 2）冶金包括： 提取冶金： 物理冶金：研究提取金屬，存在化學(xué)反應(yīng)研究提取金屬，存在化學(xué)反應(yīng)研究金屬材料成型過(guò)程研究金屬材料成型過(guò)程冶煉冶煉鈦鈦合合金金、金屬的冶煉的實(shí)質(zhì)及過(guò)程、金屬的冶煉的實(shí)質(zhì)及過(guò)程自然界中的金屬大都以化合態(tài)存在自然界中的金屬大都以化合態(tài)存在用化學(xué)的方法把化合態(tài)的金

4、屬變成游離態(tài)用化學(xué)的方法把化合態(tài)的金屬變成游離態(tài)要考慮的問(wèn)題要考慮的問(wèn)題礦石的礦石的富集富集合適的冶合適的冶煉方法煉方法如何如何精煉精煉金屬冶煉的三金屬冶煉的三大過(guò)程大過(guò)程、冶金工業(yè)發(fā)展歷史人類社會(huì)發(fā)展史：原始社會(huì)奴隸社會(huì)封建社會(huì)資本主義社會(huì) 人類使用材料的歷史：人類使用材料的歷史：石器石器青銅器青銅器鐵器鐵器工業(yè)化工業(yè)化( (鋼鐵鋼鐵)信息社會(huì)信息社會(huì)( (多種新材料多種新材料) )中國(guó)冶金的輝煌歷史現(xiàn)代冶金過(guò)程冶煉過(guò)程 現(xiàn)代冶金過(guò)程軋鋼過(guò)程4、冶金方法分類金屬冶金按其原理可劃分為四大基本類型 ：火法冶金（又稱干法冶金）濕法冶金、電冶金粉末冶金。物理冶物理冶金金提取冶金提取冶金第二節(jié)第二節(jié)

5、火法冶金火法冶金第七章冶金工程基礎(chǔ)第七章冶金工程基礎(chǔ)一、基本概念概念：火法冶金是指利用高溫（超過(guò)金屬熔點(diǎn)溫度）從礦物中提取金屬或其他化合物的方法；顧名思義，這種生產(chǎn)工藝常利用火來(lái)加熱得到高溫。因這種工藝沒(méi)有水溶液的參與，所以也叫干法冶金。典型的火法冶煉：煉鋼，煉銅適用性：富集礦、硫化物礦特點(diǎn)：1）污染嚴(yán)重 2）對(duì)礦物品質(zhì)要求高 3）生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)使用 4）產(chǎn)品純度低，不易實(shí)現(xiàn)其它伴生金屬的回收。二、二、 火法冶金主要工藝過(guò)程火法冶金主要工藝過(guò)程 ：除脈石、除脈石、得精礦得精礦富集和分富集和分離的過(guò)程離的過(guò)程除去雜除去雜質(zhì)提純質(zhì)提純金屬金屬1、礦石準(zhǔn)備選礦:礦石破碎后、通過(guò)重選、浮選

6、、磁選等。 精礦2. 干燥、焙解: 分解水化物或氫氧化物及碳酸鹽，除去其中的水份、二氧化碳及有機(jī)物等。3、焙燒：除硫 焙砂4. 燒結(jié)：粉礦（精礦）球團(tuán)燒結(jié) 塊狀物料。 燒結(jié)塊不宜直接不宜直接加入鼓風(fēng)加入鼓風(fēng)爐爐2、熔煉煤、焦炭煤、焦炭溶解度、密度差溶解度、密度差原料原料 熔熔化化兩種或以上互兩種或以上互不相溶的液體產(chǎn)物不相溶的液體產(chǎn)物礦石（精礦、焙砂礦石（精礦、焙砂或燒結(jié)或燒結(jié)塊）塊）熔劑、氧化、還原劑、燃料熔劑、氧化、還原劑、燃料粗金屬、金屬富集物、粗金屬、金屬富集物、熔渣（脈石、灰分）熔渣（脈石、灰分）化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)石灰石石灰石硅石硅石1、還原熔煉：以還原反應(yīng)為主（氧化物礦）還原氣氛熔煉

7、 MeO+C=Me+CO2； MeO+CO=Me+CO2； C+CO2=2CO2、氧化熔煉：以氧化反應(yīng)為主（硫化物礦）。 MeS+O2=Me+SO2； MeS+1.5O2=MeO+SO2； MeS+MeO=MeS+MeO Me為雜質(zhì)金屬元素 閃速熔煉、熔池熔煉、漩渦熔煉、熱風(fēng)熔煉、富氧熔煉、自熱熔煉3、精煉 將冶煉得到的金屬進(jìn)一步去除雜質(zhì)，提高純度的過(guò)程稱為精煉。精煉包括：1）化學(xué)方法：氧化精煉：利用雜質(zhì)對(duì)氧的親和力大于主金屬元素 Me+MeO=Me+MeO 硫化精煉：利用雜質(zhì)對(duì)硫的親和力大于主金屬元素 MeS+Me=MeS+Me2）物理方法：區(qū)域提純：改變溫度，利用雜質(zhì)和主金屬熔化-結(jié)晶發(fā)生

8、相變規(guī)律不同精餾：利用物質(zhì)沸點(diǎn)不同，進(jìn)行多次蒸發(fā)、冷凝而除去雜質(zhì) 3）電化學(xué)方法：電解提純煉鋼吹氧，粗煉鋼吹氧，粗銅除鐵銅除鐵粗鉛粗鉛除銅、除鐵除銅、除鐵雜質(zhì)元素變成雜質(zhì)元素變成氧化物與脈石氧化物與脈石造渣除去造渣除去二、二、 火法冶金主要工藝過(guò)程火法冶金主要工藝過(guò)程 ：除脈石、除脈石、得精礦得精礦富集和分富集和分離的過(guò)程離的過(guò)程除去雜除去雜質(zhì)提純質(zhì)提純金屬金屬第三節(jié)第三節(jié) 濕法冶金濕法冶金第七章冶金工程基礎(chǔ)第七章冶金工程基礎(chǔ)一、基本概念定義：濕法冶金是指利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)，對(duì)原料、中間產(chǎn)物或二次再生資源中的金屬進(jìn)行提取和

9、分離的冶金過(guò)程。典型的濕法冶煉：濕法煉鋅（已占到世界鋅產(chǎn)量的80%）適用性：貧礦、氧化物礦、海水、廢渣、選礦尾礦特點(diǎn)： 1）污染可控 2）可用于對(duì)貧礦、廢渣等的金屬提取 3）生產(chǎn)效率低1、礦石準(zhǔn)備1. 選礦:礦石破碎后、通過(guò)重選、浮選、磁選等。 2. 干燥、焙解: 3. 焙燒:礦石(精礦)加熱(熔點(diǎn))化學(xué)變化。包括有：硫酸化焙燒、如濕法提Cu、Zn等： MeS+1O2=MeO+SO2 SO2+O2=SO3 MeO+SO3=MeSO4氯化焙燒、礦石（精礦）+氯化劑可溶性氯化物（稀有金屬冶金）如 TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO 4. 燒結(jié)：粉礦（精礦）球團(tuán)燒結(jié) 塊狀物料。除硫、生成硫

10、除硫、生成硫酸鹽、可溶性酸鹽、可溶性化合物化合物二、二、 濕法冶金工藝過(guò)程濕法冶金工藝過(guò)程 ：高高溫溫加加壓壓浸浸出出超超細(xì)細(xì)振振動(dòng)動(dòng)研研磨磨浸浸出出外外力力場(chǎng)場(chǎng)的的作作用用強(qiáng)強(qiáng)化化催催化化劑劑活活化化浸浸出出沉沉降降分分離離過(guò)過(guò)濾濾分分離離蒸蒸餾餾沉沉淀淀結(jié)結(jié)晶晶溶溶液液萃萃取取離離子子交交換換膜膜分分離離將金屬組分溶將金屬組分溶解變?yōu)槿芤航庾優(yōu)槿芤赫粽羝麎簤弘y難熔熔固固體體過(guò)過(guò)飽飽和和萃取萃取用濕法從硫化鋅精礦生產(chǎn)金屬鋅的流程圖用濕法從硫化鋅精礦生產(chǎn)金屬鋅的流程圖第四節(jié)第四節(jié) 電冶金電冶金第七章冶金工程基礎(chǔ)第七章冶金工程基礎(chǔ) ：利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的利用電能從礦

11、石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的 冶金過(guò)程。冶金過(guò)程。 ： 也可看成是一也可看成是一種干法冶金技種干法冶金技術(shù)術(shù) 也可看成是一也可看成是一種濕法冶金技種濕法冶金技術(shù)術(shù) 電解過(guò)程：實(shí)則為一個(gè)氧化還原過(guò)程陽(yáng)極：電流流出端 發(fā)生氧化反應(yīng)：Me-2e=Me2+（金屬溶解）陰極：電流流入端 發(fā)生還原： Me2+ +2e=Me（金屬析出）一、電化學(xué)冶金一、電化學(xué)冶金電解精煉電解精煉電解提取電解提取電解精煉：以粗金屬作陽(yáng)極，而陽(yáng)極反應(yīng)又是目的金屬本身的溶解反應(yīng)，電解精煉：以粗金屬作陽(yáng)極，而陽(yáng)極反應(yīng)又是目的金屬本身的溶解反應(yīng)，這一過(guò)程稱為這一過(guò)程稱為電解精煉電解精煉或可溶性陽(yáng)極電解；或可溶性陽(yáng)極電解；電解

12、提取：使用不溶性電極作陽(yáng)極，對(duì)溶解于電解液中的金屬離子進(jìn)行電解提?。菏褂貌蝗苄噪姌O作陽(yáng)極，對(duì)溶解于電解液中的金屬離子進(jìn)行還原、分解的過(guò)程，稱為還原、分解的過(guò)程，稱為電解提取電解提取。依據(jù)所使用電解質(zhì)的物理狀態(tài)分為兩種類型：1）水溶液電解：適用電負(fù)性比氫大的金屬元素電極電位較正的金屬2）熔鹽電解：原則上適用于所有金屬電極電位較負(fù)的金屬氫氫負(fù)電位金屬負(fù)電位金屬 正電位金屬正電位金屬金屬的電負(fù)性：金屬的電負(fù)性：鋁、鎂、鈦等堿、鋁、鎂、鈦等堿、 堿土金屬堿土金屬銅、鎳、鈷、金、銀等銅、鎳、鈷、金、銀等原因：電負(fù)性小的金屬鹽的水溶液，其原因：電負(fù)性小的金屬鹽的水溶液，其分解電壓比水的大，電解時(shí)只是使水電

13、分解電壓比水的大，電解時(shí)只是使水電解析出氫和氧，而金屬并不會(huì)析出。解析出氫和氧，而金屬并不會(huì)析出。二、電熱學(xué)冶金 電熱冶金具有加熱速度快、調(diào)溫準(zhǔn)確、溫度高（可到2000以上），可以在各種氣氛、各種壓力或真空中作業(yè)，以及金屬燒損少等優(yōu)點(diǎn)。 1、電弧熔煉 2、電阻爐熔煉（高熔點(diǎn)金屬） 3、電阻電弧熔煉 4、感應(yīng)熔煉 5、電子束熔煉 6、等離子熔煉第五節(jié)第五節(jié) 粉末冶金粉末冶金第七章冶金工程基礎(chǔ)第七章冶金工程基礎(chǔ) 概念：粉末冶金最初是指在金屬的熔點(diǎn)溫度以下采用金屬礦物或金屬及合金粉末生產(chǎn)制備相應(yīng)金屬與合金材料或制品的冶金工藝過(guò)程。又稱為“金屬陶瓷法”。 對(duì)于難熔金屬而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。

14、粉末粉末冶金過(guò)程冶金過(guò)程制粉制粉成型成型燒結(jié)燒結(jié)后續(xù)處理后續(xù)處理四種冶金方法的特點(diǎn)對(duì)比優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)適用性適用性火法火法處理精礦能力大，能夠利用處理精礦能力大，能夠利用硫化物礦中硫的燃燒硫化物礦中硫的燃燒熱，生產(chǎn)規(guī)模大，效率高。熱，生產(chǎn)規(guī)模大，效率高。污染嚴(yán)污染嚴(yán)重，純度低重，純度低鋼鐵鋼鐵重有色金屬硫化物礦重有色金屬硫化物礦濕法濕法污染可控；原材料要求低，污染可控；原材料要求低，使用范圍廣；可使用范圍廣；可回收貴金屬，稀有金屬回收貴金屬，稀有金屬相對(duì)工藝相對(duì)工藝過(guò)程復(fù)雜過(guò)程復(fù)雜處理多金屬礦，低品處理多金屬礦，低品味礦，難選礦味礦，難選礦火法不能使用的氧化火法不能使用的氧化礦物原料礦物原料電電冶金冶