1、第七章第七章 冶金工程基礎冶金工程基礎材料工程基礎材料工程基礎第一節第一節 金屬冶金概述金屬冶金概述第七章冶金工程基礎第七章冶金工程基礎金屬的分類1. 冶金工業的分類方法： 黑色金屬（鐵.鉻.錳） 有色金屬（除以上三種）2. 根據密度的大小分類： 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 工程構件用鋼工程構件用鋼機器零件用鋼機器零件用鋼 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) )結構金屬材料結構金屬材料 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， 釩釩工業的牙齒工業的牙齒戰爭金屬戰爭金屬工業味精工業味精空間金屬空間金屬最高熔點最高熔點藍藍銅銅礦礦磁

3、磁鐵鐵礦礦金屬元素金屬元素在自然界，在自然界，少數不活少數不活潑金屬以潑金屬以游離態存游離態存在，多數在，多數金屬以化金屬以化合態存在。合態存在。1、冶金的基本概念 1）冶金的概念 (冶金的目的或任務） 冶金是研究如何經濟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。 2）冶金包括： 提取冶金： 物理冶金：研究提取金屬，存在化學反應研究提取金屬，存在化學反應研究金屬材料成型過程研究金屬材料成型過程冶煉冶煉鈦鈦合合金金、金屬的冶煉的實質及過程、金屬的冶煉的實質及過程自然界中的金屬大都以化合態存在自然界中的金屬大都以化合態存在用化學的方法把化合態的金

4、屬變成游離態用化學的方法把化合態的金屬變成游離態要考慮的問題要考慮的問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程大過程、冶金工業發展歷史人類社會發展史：原始社會奴隸社會封建社會資本主義社會 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化工業化( (鋼鐵鋼鐵)信息社會信息社會( (多種新材料多種新材料) )中國冶金的輝煌歷史現代冶金過程冶煉過程 現代冶金過程軋鋼過程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第二節

5、火法冶金火法冶金第七章冶金工程基礎第七章冶金工程基礎一、基本概念概念：火法冶金是指利用高溫（超過金屬熔點溫度）從礦物中提取金屬或其他化合物的方法；顧名思義，這種生產工藝常利用火來加熱得到高溫。因這種工藝沒有水溶液的參與，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：1）污染嚴重 2）對礦物品質要求高 3）生產成本低，易于大規模生產使用 4）產品純度低，不易實現其它伴生金屬的回收。二、二、 火法冶金主要工藝過程火法冶金主要工藝過程 ：除脈石、除脈石、得精礦得精礦富集和分富集和分離的過程離的過程除去雜除去雜質提純質提純金屬金屬1、礦石準備選礦:礦石破碎后、通過重選、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、二氧化碳及有機物等。3、焙燒：除硫 焙砂4. 燒結：粉礦（精礦）球團燒結 塊狀物料。 燒結塊不宜直接不宜直接加入鼓風加入鼓風爐爐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物不相溶的液體產物礦石（精礦、焙砂礦石（精礦、焙砂或燒結或燒結塊）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）化學反應化學反應石灰石石灰石硅石硅石1、還原熔煉：以還原反應為主（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：以氧化反應為主（硫化物礦）。 MeS+O2=Me+SO2； MeS+1.5O2=MeO+SO2； MeS+MeO=MeS+MeO Me為雜質金屬元素 閃速熔煉、熔池熔煉、漩渦熔煉、熱風熔煉、富氧熔煉、自熱熔煉3、精煉 將冶煉得到的金屬進一步去除雜質，提高純度的過程稱為精煉。精煉包括：1）化學方法：氧化精煉：利用雜質對氧的親和力大于主金屬元素 Me+MeO=Me+MeO 硫化精煉：利用雜質對硫的親和力大于主金屬元素 MeS+Me=MeS+Me2）物理方法：區域提純：改變溫度，利用雜質和主金屬熔化-結晶發生

8、相變規律不同精餾：利用物質沸點不同，進行多次蒸發、冷凝而除去雜質 3）電化學方法：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、除鐵雜質元素變成雜質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程火法冶金主要工藝過程 ：除脈石、除脈石、得精礦得精礦富集和分富集和分離的過程離的過程除去雜除去雜質提純質提純金屬金屬第三節第三節 濕法冶金濕法冶金第七章冶金工程基礎第七章冶金工程基礎一、基本概念定義：濕法冶金是指利用一些化學溶劑的化學作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化、還原、中和、水解和絡合等反應，對原料、中間產物或二次再生資源中的金屬進行提取和

9、分離的冶金過程。典型的濕法冶煉：濕法煉鋅（已占到世界鋅產量的80%）適用性：貧礦、氧化物礦、海水、廢渣、選礦尾礦特點： 1）污染可控 2）可用于對貧礦、廢渣等的金屬提取 3）生產效率低1、礦石準備1. 選礦:礦石破碎后、通過重選、浮選、磁選等。 2. 干燥、焙解: 3. 焙燒:礦石(精礦)加熱(熔點)化學變化。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：粉礦（精礦）球團燒結 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、 濕法冶金工藝過程濕法冶金工藝過程 ：高高溫溫加加壓壓浸浸出出超超細細振振動動研研磨磨浸浸出出外外力力場場的的作作用用強強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過濾濾分分離離蒸蒸餾餾沉沉淀淀結結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為溶液解變為溶液蒸蒸汽汽壓壓難難熔熔固固體體過過飽飽和和萃取萃取用濕法從硫化鋅精礦生產金屬鋅的流程圖用濕法從硫化鋅精礦生產金屬鋅的流程圖第四節第四節 電冶金電冶金第七章冶金工程基礎第七章冶金工程基礎 ：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 冶金過程。冶金過程。 ： 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術 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術 電解過程：實則為一個氧化還原過程陽極：電流流出端 發生氧化反應：Me-2e=Me2+（金屬溶解）陰極：電流流入端 發生還原： Me2+ +2e=Me（金屬析出）一、電化學冶金一、電化學冶金電解精煉電解精煉電解提取電解提取電解精煉：以粗金屬作陽極，而陽極反應又是目的金屬本身的溶解反應，電解精煉：以粗金屬作陽極，而陽極反應又是目的金屬本身的溶解反應，這一過程稱為這一過程稱為電解精煉電解精煉或可溶性陽極電解；或可溶性陽極電解；電解

12、提取：使用不溶性電極作陽極，對溶解于電解液中的金屬離子進行電解提取：使用不溶性電極作陽極，對溶解于電解液中的金屬離子進行還原、分解的過程，稱為還原、分解的過程，稱為電解提取電解提取。依據所使用電解質的物理狀態分為兩種類型：1）水溶液電解：適用電負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的金屬氫氫負電位金屬負電位金屬 正電位金屬正電位金屬金屬的電負性：金屬的電負性：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：電負性小的金屬鹽的水溶液，其原因：電負性小的金屬鹽的水溶液，其分解電壓比水的大，電解時只是使水電

13、分解電壓比水的大，電解時只是使水電解析出氫和氧，而金屬并不會析出。解析出氫和氧，而金屬并不會析出。二、電熱學冶金 電熱冶金具有加熱速度快、調溫準確、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，以及金屬燒損少等優點。 1、電弧熔煉 2、電阻爐熔煉（高熔點金屬） 3、電阻電弧熔煉 4、感應熔煉 5、電子束熔煉 6、等離子熔煉第五節第五節 粉末冶金粉末冶金第七章冶金工程基礎第七章冶金工程基礎 概念：粉末冶金最初是指在金屬的熔點溫度以下采用金屬礦物或金屬及合金粉末生產制備相應金屬與合金材料或制品的冶金工藝過程。又稱為“金屬陶瓷法”。 對于難熔金屬而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。

14、粉末粉末冶金過程冶金過程制粉制粉成型成型燒結燒結后續處理后續處理四種冶金方法的特點對比優點優點缺點缺點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，生產規模大，效率高。熱，生產規模大，效率高。污染嚴污染嚴重，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，稀有金屬相對工藝相對工藝過程復雜過程復雜處理多金屬礦，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