第一章金屬冶金教學目標:

１．了解什么是金屬冶金？進一步習得一些常見的冶金工藝方法；２．掌握鋼鐵冶金的工藝流程；３．掌握有色金屬冶金的工藝流程。

定義:

金屬冶金是研究如何從礦山或其他原料中提取金屬或金屬化合物，并制成具有一定性能的金屬材料的工程技術。

金屬的分類：現代工業中把金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類，如鐵、鉻、錳屬于黑色金屬，其余的金屬都屬于有色金屬。那么金屬的冶金也可以分為鋼鐵冶金和有色冶金。金屬冶金第一節冶金工藝冶金工藝：火法冶金、濕法冶金和電冶金。1.1、火法冶金1、原料準備

火法冶金是指在高溫下礦石經過熔煉、精煉反應及熔化過程，使其中的金屬與雜質分開，以獲得較純金屬的工藝方法。火法冶金的基本過程分為：原料準備、冶煉和精煉三部分。礦石400~600℃干燥氧化還原或其他化學反應焙燒達到熔煉要求碳酸鹽或氫氧化物還要進行煅燒，使得其變成金屬氧化物，然后再進行上述步驟燒結和球團冶煉原料冶煉是指將處理好的礦石或其他原料，在高溫下通過氧化還原反應，使礦石中的金屬與雜質分離，形成金屬液和熔渣的過程。按照冶煉的條件不同可分為：還原冶煉、造锍冶煉、氧吹冶煉等。還原冶煉是一種使金屬氧化物料在高溫熔煉還原氣氛下被還原成金屬熔體的冶煉方法。MeO+C＝Me+COMeO+CO＝Me+CO2CO2+C＝2CO2、冶煉造锍冶煉是屬于氧化冶煉，主要用于處理硫化銅礦石和硫化鎳礦石。利用銅、鎳對硫的親和力近似于鐵，而對氧的親和力遠小于鐵的物理化學性質，在氧化程度不同的造锍冶煉中使鐵的硫化物不斷氧化成鐵的氧化物，進而使得品位的提高。氧化吹煉是在氧化氣氛下進行冶煉，吹入氧氣使得鐵液中的硫、磷等雜質元素被氧化，或造渣、揮發與主體金屬分離而獲得粗金屬。

精煉是指進一步處理冶煉所得到的粗金屬，以提高純度。按照精煉的條件不同可分為：物理精煉法和化學精煉法。物理精煉法：熔析精煉、精餾精煉和區域精餾。熔析精煉是指利用雜質金屬和其化合物在主金屬中的溶解度隨溫度的降低而顯著減少的特性，逐漸改變溫度使粗金屬中發生分相，形成多相系，將雜質分離到某一固相或液相中，與主金屬分開，達到提純金屬的目的。主要用于錫、鉛、鋅等金屬。3、精煉精餾精煉是指利用物質沸點的不同，交替進行多次蒸發、冷凝除去雜質的精煉方法。精餾精煉適用于相互溶解或部分溶解的金屬液體。區域精煉是利用金屬液體混合物在冷凝結晶過程中的偏析現象，將雜質富集到液相或固相中，與主金屬分離，獲得精煉主金屬的方法。化學精煉法：氧化精煉、硫化精煉、氯化精煉和堿性精煉。氧化精煉是利用氧化劑將粗金屬中的雜質氧化造渣或氧化揮發除去的化學精煉方法。其主要原理是應用不同元素對氧的親和力不同。硫化精煉是采用加入硫或硫化物去除粗金屬中的雜質的化學精煉方法。主要考慮主金屬與雜質金屬對硫的親和力。氯化精煉是向粗金屬熔體中通入氯氣或加入氯化物使雜質生產氯化物使雜質生產氯化物而與主金屬分離的化學精煉方法。堿性精煉是向粗金屬熔體中加入堿使雜質氧化并與堿結合生產渣而被除去的化學精煉法。主要用于粗銅除鎳，粗鉛除砷、銻等。1.2、濕法冶金

濕法冶金是在常溫或低于100℃以下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的金屬溶解于溶液中，而其他雜質不溶解，然后再從溶液中將金屬分離和提取出來的過程。濕法冶金浸出分離富集提取酸性、堿性和鹽性氧化和還原常壓和加壓就地、滲慮、攪拌和球磨過濾分離和沉降分離結晶、蒸餾、沉淀、置換、溶液萃取、離子交換、膜分離電解、化學置換、還原1.3、電冶金

電冶金是利用電能提取和精煉金屬的方法，按照電能形式可分為電熱冶金和電化學冶金。電冶金電熱冶金電弧熔煉電阻熔煉電阻-電弧熔煉等離子熔煉感應熔煉電子束熔煉電化學冶金溶液電解熔鹽電解第二節鋼鐵冶煉鋼鐵的冶煉包括兩個部分：礦石生鐵生鐵鋼2.1生鐵的冶煉2006年-2013年鋼材價格走勢2015年-2016年鋼材價格走勢2016年8月23日——世界第四大鐵礦石生產商表示，鐵礦石市場經歷了數年的價格下跌之后已經開始復蘇，因過剩的低成本供應已經被吸收。燃料的作用C發熱劑還原劑料柱骨架滲碳劑熔劑爐渣高爐煉鐵的冶煉過程鐵的還原溫度大于570℃：3Fe2O3→2Fe3O4→6FeO→6Fe溫度小于570℃：3Fe2O3→2Fe3O4→6FeFeO+CO=Fe+CO2CO2+C=2CO其他元素的還原①Si的還原SiO2+2C=Si+2CO②Mn的還原MnO2→Mn2O3→Mn3O4→Mn3O4→Mn④③P的還原Ca3(PO4)2+5C=3CaO+2P+5COS的還原石灰石的分解與造渣CaCO3=CaO+CO2mSiO2+pAl2O3+nCaO=mSiO2·pAl2O3·nCaO高爐煉鐵產品生鐵煉鋼生鐵鑄造生鐵鐵合金爐渣水渣渣棉干渣煤氣爐塵高爐煉鐵的技術指標：1、高爐有效容積利用系數2、焦比3、燃燒比4、冶煉強度5、生鐵合格率6、生鐵成本7、爐齡高爐煉鐵技術：1、高爐大型化自動化2、高爐冶煉低硅生鐵3、高爐使用金屬爐料4、高爐噴吹還原氣體非高爐煉鐵技術：直接還原煉鐵和熔融還原煉鐵2.2鋼的冶煉鋼和生鐵的主要區別？什么是煉鋼？從生鐵到鋼需要哪些工藝步驟？項目鋼生鐵含碳量≤2%，一般為0.04-1.7%＞2%，一般為2.5-4.3%含Si、Mn、P、S量較少較多熔點1450-1530℃1100-1150℃力學性能強度、塑性、韌性好硬而脆，耐磨性好鑄造性能較好好鍛造性能好差焊接性能好差可加工性能好好熱處理性能好差鋼和生鐵的主要區別煉鋼的基本任務：脫碳、去P和S、去氣和去除非金屬夾雜物、脫氧與合金化、調整溫度、澆注。煉鋼的基本方法：平爐煉鋼、轉爐煉鋼、電爐煉鋼。轉爐構造模型圖解電弧爐構造模型圖解

電爐的優點有：爐內氣氛容易控制、物料加熱快、加熱溫度高、溫度容易控制等。包括電弧爐、感應爐、電渣爐等。煉鋼原料金屬料非金屬料氧化劑鐵液廢鋼合金鋼造渣劑冷卻劑增碳劑和燃料氧氣鐵礦石氧化皮煉鋼的基本原理及過程元素的氧化、造渣除磷和硫、脫氧及合金化、爐外精煉、鋼的澆鑄。元素的氧化2[Fe]+2[O]=2(FeO)2(FeO)+[Si]=(SiO2)+2Fe(FeO)+[Mn]=(MnO)+[Fe]5(FeO)+2[P]=(P2O5)+5[Fe](FeO)+[C]=(CO)+[Fe]造渣脫磷、硫2P+5FeO+3CaO=5Fe+(3CaO·P2O5)2P+5FeO+4CaO=5Fe+(4CaO·P2O5)[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS)脫氧及合金化沉淀脫氧法擴散脫氧法真空脫氧法鎮靜鋼沸騰鋼半鎮靜鋼爐外精煉脫氫、脫氧、脫碳、非金屬夾雜物的形態控制，成分調整（添加合金）、鋼液成分、溫度的微調及均勻化、脫磷鋼的澆鑄模鑄法連鑄法作業P32

1、什么是火法冶金？簡述火法冶金的工藝過程。3、簡述火法冶金中精煉的方法有哪些？

復習1、金屬冶金的工藝？2、濕法冶金的步驟？3、鐵礦石的分類？鐵的還原？4、鋼和生鐵的區別？第三節有色金屬冶煉冶金工藝：火法冶金、濕法冶金和電冶金。有色金屬分類有色重金屬有色輕金屬貴金屬稀有金屬密度在4.5以上的，銅、鋅、鉛、錫等密度在4.5以下的，鋁、鎂、鈣等鋰Li、銣Rb、銫Cs、鈹Be、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢1.3.1

銅冶金一、銅的性質與用途

（1）性質：玫瑰紅色；延展性好；導電、導熱性好；液態時易溶解某些氣體；熔點1083℃，沸點2310℃，常溫比重8.96g/cm3。常溫干燥空氣中不易氧化，但在有CO2存在的潮濕空氣中易生成CuCO3·Cu(OH)2即銅綠，有毒；

Cu在185℃時開始與氧作用，低于350℃時生成Cu2O，高于350℃時生成CuO。

（2）用途：在電器工業、機械制造業、國防及其他方面，如建材、熱工、冷卻、和民用等方面有廣泛應用。銅的主要礦物礦物類別礦物名稱化學分子式%Cu密度／g·cm-3顏色自然礦物自然銅Cu1008.9紅色硫化礦物輝銅礦銅藍黃銅礦斑銅礦硫砷銅礦黝銅礦Cu2SCuSCuFeS2Cu4FeS4Cu3AsS4（Cu,Fe)12Sb4S1379.866.734.663.549.025.05.5-5.84.6-4.74.1-4.35.064.454.6-5.1灰黑色紅藍色黃色紅藍色灰黑色灰黑色氧化礦物赤銅礦黑銅礦孔雀石藍銅礦硅孔雀石膽礬Cu2OCuOCuCO3·Cu(OH)22CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2OCuSO4·5H2O88.879.957.568.236.225.57.145.8-6.14.053.772.0-2.22.29紅色灰黑色亮綠色亮藍色藍綠色藍色（2）煉銅方法及其工藝流程有兩大類型：

火法冶金：適于硫化礦，經過造锍熔煉→吹煉→火法精煉→電解精煉銅精礦的火法冶煉：火法煉銅適于硫化礦過程：造锍熔煉→吹煉→火法精煉→電解精煉(1)造锍熔煉

①基本原理

造锍熔煉目的：

a）使礦石中銅盡可能形成Cu2S，與部分鐵形成的FeS熔化，混合成冰銅，大部分鐵氧化成FeO與脈石礦物造渣排出。

b）使冰銅與爐渣分離。為此需有兩個保證：①爐料內有足夠的硫以形成冰銅②爐渣中SiO2接近飽和，使冰銅，爐渣不致混熔。

②熔煉過程化學反應高溫下化學反應分兩大類：高價硫化物，碳酸鹽、硫酸鹽的熱分解，各種化合物相互作用。具體如下：

1)高價硫化物，碳酸鹽、硫酸鹽的熱離解：

4CuFeS2→2Cu2S+4FeS+S2↑

2Cu3FeS3→3Cu2S+2FeS+1/2S2↑

FeS2→FeS+1/2S2↑

CaCO3→CaO+CO2↑

ZnSO4→ZnO+SO2↑

+1/2O2↑

S+O2→SO2↑

產物CO2

和SO2進入煙氣中

2)各種化合物的相互作用及造锍、造渣：

3Fe3O4+FeS→10FeO+SO2↑

Cu2O+FeS→Cu2S+FeO

ZnO+FeS→ZnS+FeO

造锍：Cu2S+FeS→Cu2S·FeS

造渣：FeO+SiO2→2FeO·SiO2

2CaO+SiO2→2CaO·SiO2

(2)冰銅轉爐吹煉該法實質是往液體冰銅吹入一定壓力的空氣，使其中FeS氧化變成FeO，與加入的石英熔劑造渣，Cu2S則氧化后，又與Cu2S反應變成粗銅。氧化反應的熱量能使整個反應在1200～1400℃。主要反應階段為造渣及造銅階段。（4）銅的電解精煉

是將火法精煉銅作陽極，電解銅作陰極（又稱始極片）相間的裝在電解槽中，用硫酸銅和硫酸溶液作電解液，引入直流電后，陽極銅發生電化學溶解反應，在陰極上析出，銅中雜質和有價元素，或者進入陽極泥或者落在電解液中。1.3.2鋁冶金

由于鋁的化學性質活潑，不能通過各種化學處理直接還原得到粗金屬，所以長期以來鋁的價格極高。后來，人類發現電解法很容易制備金屬鋁，鋁的價格大約降低了20倍。

電解法制備金屬鋁必須包括兩個環節：一是從含鋁的礦石中制取純凈的氧化鋁；二是采用熔鹽電解氧化鋁得到純鋁。一、鋁的性質和用途性質：銀白色，密度：2.7g/cm3，熔點：660.24℃

導電、導熱性好非磁性材料具有良好的塑性和韌性，具有良好的抗蝕性易與鹵素元素、S、C化合，生成相應的鹵化物（AlCl3）、硫化物(Al2S3）和碳化物(Al4C3)用途：

純鋁：電器工業中用作電線、電纜、導電板，電工制品鋁合金：交通運輸、軍事工業上用作汽車、裝甲車、坦克、飛機及艦艇部件；建筑工業作門窗框架；輕工業中用作包裝品、生活用品和家具二、氧化鋁的生產

（1）拜耳法：典型的濕法冶金，在氧化鋁生產中占絕對優勢。

實質是在不同條件下，控制反應向不同方向進行：

Al2O3·3H2O(或Al2O3·H2O)+NaOH→（浸出/分解）NaAl(OH)4+赤泥→（晶種分解/蒸發、苛化）Al(OH)3→（煅燒）Al2O3。

（2）堿石灰燒結法

適于處理鋁硅比小于4的鋁土礦

1）實質：是鋁土礦與足量Na2CO3、石灰配成爐料，在1200℃下燒結，生成可溶于水的鋁酸鈉（Na2O·Al2O3）。其中SiO2與石灰化合生成不溶于水的原硅酸鈣（2CaO·SiO2），用稀堿溶液浸出Na2O·Al2O3，與2CaO·SiO2分離。溶液脫Si后通入CO2氣體進行碳酸化分解，析出Al(OH)3及碳分母液，用過濾機將兩者分離。氫氧化鋁經洗滌后，最終送煅燒，分解成Al2O3。母液經蒸發濃縮，用于配料處理循環使用。

2）工藝為：生料燒結，熟料溶化，鋁酸鈉液脫硅，碳酸化分解。

燒結法的基本化學反應為：溶出過程的反應：Na2o·Al2O3(s)+4H2O=2Na++2Al(OH)4-鋁酸鈉溶液的碳分過程反應：2NaOH+CO2=Na2O3+H2ONaAl(OH)4=Al(OH)3+NaOH

堿石灰燒結法工藝較復雜，能耗高,產品質量和成本不及拜耳法，但能處理低品位的鋁土礦（A/Si＞3.5)三、金屬鋁的生產

熔鹽電解法電解槽

Al2O3、冰晶石（Na3AlF6）及其它氟化鹽作為電解質，其中插入碳素陰、陽極，通入直流電，經電化學反應，陰極得到液體鋁，陽極生成O2，與碳陽極氧化生成CO2和CO。鋁液用真空包抽出，凈化澄清后澆注成鋁錠。其質量分數達到99.5%~99.8%。

陰極：Al3+(絡合)+3e→Al

陽極：2O2-+C-4e→CO2

總體：2Al2O3+3C→4Al+3CO2

電解過程，碳素陽極不斷消耗，要不時的調整陰極位置，以調整電解槽溫度。

氧化鋁的熔鹽電解法原理1.3.3鋅冶金鋅的性質與用途

（1）性質：鋅是一種藍白色金屬。密度為6.9-7.2g/cm3，熔點為419.5℃。在室溫下，性較脆；100～150℃時，變軟；超過200℃后，又變脆。鋅的化學性質活潑，在常溫下的空氣中，表面生成一層薄而致密的堿式碳酸鋅膜，可阻止進一步氧化。當溫度達到225℃后，鋅氧化激烈。燃燒時，發出藍綠色火焰。（2）用途：鋅用作防腐蝕的鍍層、制造銅合金材料、用于鑄造鋅合金、制造氧化鋅、干電池等。

硫化鋅精礦的焙燒硫化鋅精礦的焙燒主要有兩個目的：1、使得硫化鋅變成氧化鋅，其他雜質揮發分離；2、硫氧化成氧化硫，制備硫酸。ZnS+O2=Zn+SO22Zn+2SO2+O2=2ZnSO4ZnO+Fe2O3=ZnFe2O4火法煉鋅火法煉鋅的基本原理是將氧化鋅在高溫下用碳質還原劑還原，并利用鋅沸點低的特點，使鋅以蒸汽揮發，然后冷凝為液態鋅。火法煉鋅：焙燒、蒸餾、精煉。ZnO(s)+CO(g)=Zn(g)+CO2(g)CO2+C=2COZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO(g)濕法煉鋅濕法煉鋅的基本原理是使用稀硫酸將鋅焙砂中的鋅浸出，凈化后電解析出鋅。濕法煉鋅包括：焙燒、浸出、凈化和電解沉積。ZnSO4+2H2O=Zn+2H2SO4+O21.3.4鈦冶金鈦的性質與用途

（1）性質：鈦是一種銀白色金屬。密度為4.5g/cm3，熔點為1668℃。鈦具有良好的耐腐蝕性，特別是對氯離子。鈦具有良好的力學性能，但是導電性和導熱性很差。鈦的塑性主要依賴于純度。鈦越純，塑性越大。在常溫下，不會被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀堿溶液所腐蝕；只有氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。（2）用途：鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的應用，包括航天、軍事、工業程序、汽車、農產食品、醫學（義肢、骨科移植及牙科器械與填充物）、運動用品、珠寶及手機等等。

鈦鐵礦精礦的還原熔煉＞1200℃時FeTiO3+C=Fe+TiO2+CO2TiO2+C=Ti2O3+CO在1270-1400℃時2Ti3O5+C=3Ti2O3+CO在1400-1600℃時Ti2O3+C=2TiO+CO四氯化鈦的生產氯化冶金是向物料中添加氯化劑使欲提純的金屬轉變為氯化物，為制備純金屬做準備。2TiO2+2Cl2+C=TiCl4+CO22TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO在有碳的條件下，700~900℃海綿鈦的生產1）鎂還原法TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2TiCl4+Mg=TiCl2+

MgCl2TiCl2+Mg=Ti+MgCl2在惰性氣體的環境下，800~900℃2）鈉還原法（801~883℃）TiCl4（g）

+4Na(l)=Ti(s)+4NaCl(l)

金屬鈦的生產海綿鈦經過熔煉成為致密的金屬鈦錠，鈦是高活性金屬，在熔煉溫度下很容易與多種元素發生反應，所以必須在真空或惰性氣體的環境下進行熔煉。1.3.5鎂冶金鎂的性質與用途

（1）性質：鎂是一個年輕的金屬，20世紀才發展起來.它呈銀白色,熔點650℃，質輕，密度為1.74g/cm3；其化學活性強，與氧的親合力大。粉狀或細條狀的鎂，在空氣中很易燃燒，燃燒時發出眩目的白光。金屬鎂無磁性，且有良好的熱消散性。（2）用途：常用做還原劑，去置換鈦、鋯、鈾、鈹等金屬。主要用于制造輕金屬合金、球墨鑄鐵、科學儀器脫硫劑脫氫和格氏試劑，也能用于制煙火、閃光粉、鎂鹽等。

電解還原法制鎂1）鹵水脫水電解法

鹵水為MgCl2430g/L的水溶液，通常用海水來獲得鹵水。鹵水中含有MnO2、Fe（OH）3、B2O3等雜質。加熱到60~70°，加入CaCl2，其反應如下：SO4-2+CaCl2=2Cl-+CaSO4鹵水中的其它雜質同時被過濾去除，然后進入除溴塔，通入氯氣除溴，最后采用有機溶劑萃取除去B2O3，進行蒸發濃縮，除水分后得到無水氯化鎂。2）光鹵石脫水電解法3）氧化鎂氯化電解法KCl·MgCl2·6H2O，去水，熔融下電解熱還原法制鎂1）半連續法以白云石為原料，煅燒得到煅白（CaO·MgO），真空環境下以硅鐵還原制取金屬鎂。將白云石破碎到5~30mm，煅燒1200~1300℃：CaCO3·MgCO3=CaO·MgO+2CO2將煅白、硅鐵和鋁土礦混合熔融狀態下進行還原反應：2）皮江法鎂精煉在固態下，使用硅鐵還原煅白得到金屬鎂2（CaO·MgO）+（XFe）Si+nAl2O3=2CaO·SiO2·nAl2O3+XFe+2Mg鎂的精煉方法有：熔劑精煉、沉降精煉、添加劑精煉、真空蒸餾、區域熔煉和電解精煉。1.3.6鉛冶金鉛的性質與用途

（1）性質：鉛是最軟的重金屬，呈藍灰色。熔點低327.5℃、密度大（11.27~11.48g/cm3）、展性好、延性差。對電和熱的傳導性能不好。高溫下易揮發，對環境污染。鉛在空氣中表面能生成氧化鉛膜，在潮濕和含有二氧化碳的空氣中，表面生成堿式碳酸鉛膜，這兩種化合物，均能阻