第一節冶金工藝概述第二節鋼鐵冶煉第三節有色金屬冶煉（鋁、銅）第一章材料的熔煉金屬材料的制備－冶金

因此，要獲得各種金屬及其合金材料。必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中提取出來，接著對粗煉金屬產品進行精練提純和合金化處理，然后澆注成錠，加工成形，才能得到所需成分、組織和規格的金屬材料。第一節冶金工藝概述

絕大多數金屬元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地殼之中。

金屬的冶金工藝可以分為火法冶金、濕法冶金、電冶金以及真空冶金等。化工生產過程：“攻頭、保尾、控中間”

火法冶金

定義：火法冶金是指利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。

工藝過程：礦石準備礦石冶煉精煉提純選礦、焙燒球化或燒結金屬化合物的還原除去雜質提純金屬

濕法冶金

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分離的冶金過程。

工藝過程：離子浸取固液分離金屬或化合物提取溶液富集

電冶金

定義：利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程。

工藝分類：

電熱熔煉：直接用電加熱生產金屬的一種冶金方法。電熱熔煉包括電弧熔煉、等離子熔煉和電磁熔煉等。水溶液電解：應用水溶液電解精煉金屬的一種冶金方法。熔鹽電解：直接利用高導電率、低熔點的熔鹽作為電解質在熔池中進行電解。黑色金屬：鋼鐵基礎知識

第二節鋼鐵冶金金、銀和鉑、鈀、銠、釕、銥、鋨（鉑族）貴金屬：稀有金屬：通常指在自然界中含量較少或分布稀散的金屬。包括鐵、鉻、錳三種。但后兩種在實際生產中很少單獨使用，故黑色金屬就泛指鋼、鐵。除鐵、錳、鉻以外的八十三種金屬都叫做有色金屬。有色金屬：日本成為一個稀有貴金屬的巨型寶庫。日本一家研究機構12日發表報告稱，由于越來越多的貴重金屬應用在家用電器和半導體等電子器件上，日本已經成為全球稀有貴金屬最大的聚集地。盡管相當多的貴金屬可以循環利用，但它們隨著器材老化和廢舊物品回收等原因逐漸沉積下來，使日本成為一個稀有貴金屬的巨型寶庫。報告中說，目前日本境內大約有6800噸黃金，相當于全球已探明儲量的16%。白銀大約有60000噸，相當于全球已探明儲量的22%。更讓人感到驚奇的是，報告中說，金屬銦在日本存儲量已經占到全球已探明總儲藏量的61%，這是一種用于制造液晶顯示面板必不可少的貴金屬。報告中說：“盡管這些稀有貴金屬可能會以終端電子產品的形式銷往全世界，但是，相當多一部分貴金屬通過廢物回收利用等方式又返回了日本。”報告指出：“可以毫不夸張地說，日本已經成為一個全球稀有貴重金屬的大本營。”---2008年發表文章鐵是元素周期表上第26位元素，原子量為55.85，在大氣壓下于1534℃熔化，2740℃氣化。固態鐵的密度是7870Kg/m3。高純度的鐵是很柔軟的，沒有多少使用價值。但當純鐵中含有一定量的碳后，就變成我們在各方面使用的鋼鐵了。生鐵與鋼的比較鐵的合金

生鐵

鋼C%2%－4.3%0.03%－2%其它雜質Si、Mn、S、P

（較多）Si、Mn、S、P

（較少）機械性能質硬而脆無韌性堅硬、韌性大、可塑性好。機械加工可鑄不可鍛可鑄、可鍛、可壓延

生鐵

鋼碳素鋼合金鋼

煉鋼生鐵（白口鐵）低碳鋼C%<0.3%鎢鋼

鑄造生鐵（灰口鐵、鑄鐵）中碳鋼0.3%-0.6%

錳鋼球墨鑄鐵高碳鋼>0.6%

鎢鉻鋼合金生鐵：如錳鐵、硅鐵

鎳鉻鋼生鐵與鋼的比較礦石的品位礦石品位指單位體積或單位重量礦石中有用組分或有用礦物的含量。礦產品位是衡量礦床經濟價值的主要指標。一般以重量百分比表示（如鐵、銅、鉛、鋅等礦）；克／噸表示（如金、銀等礦）；克／立方米表示（如砂金礦等）；克／升表示（如碘、溴等化工原料礦產）。鐵礦石的品位鐵礦的品位定級：含鐵45%以上稱之為富礦，（赤鐵礦達70%）；35%至45%為低品礦；25%至35%為貧礦；25%以下為超貧礦。我國約有97%的鐵礦儲備的品位低于35%，屬于貧礦甚至是超貧礦。超貧鐵礦在過去是沒有什么開采價值的，因為開采成本高于銷售的鐵礦價格。但是……全球鐵礦石資源估計地質儲量在8000億噸以上，而探明儲量為4000多億噸。按現有生產水平，可供應400年。鐵礦資源主要集中于十多個國家，探明儲量的90％分布在10個國家和地區。依次是：獨聯體（探明儲量1140億噸，其中俄羅斯800多億噸）、巴西（680億噸）、中國（500億噸）、加拿大（360億噸以上）、澳大利亞（350億噸）、印度（175.7億噸）、美國（174億噸）、法國（70億噸）、瑞典（36.5億噸）。此外，英國、委內瑞拉、智利、利比里亞、南非等國儲量亦較豐富。世界上鐵礦產量第一的國家：澳大利亞。世界上最大的富鐵礦：南極，可供全世界開發利用200年，礦石平均品位達32%～58%。世界三大巨頭：澳大利亞必和必拓公司、巴西淡水河谷公司、

澳大利亞力拓礦業公司。占據了世界70%以上的海上貿易。我國四大富鐵礦基地：河北省武安市、海南昌江縣、四川攀枝花和本溪。我國煉鋼需要的鐵礦石約75%依靠進口。全球鐵礦石資源2008年154美元/噸MtTomPriceIronOreMine,HamersleyProvince,WesternAustralia西澳Hamersley省MtTomPrice鐵礦

Fe在地殼中的含量為5％左右，在金屬中僅次于鋁（7.73%），除隕石外，純鐵在地殼中還未見到，鐵容易與其它元素化合，特別是與氧化合，因此鐵礦石多以氧化物形式存在。鐵礦石中除鐵的氧化物外，還有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2等)，這些統稱為脈石。

煉鐵的目的就是使鐵從鐵的氧化物中還原，并使還原出的鐵與脈石分離。基礎：△GO－T

圖內容：交點的意義：

1）C還原各元素溫度：由低到高

Fe、Mn、Si

、Al

（Al：2000℃）所以在高爐中Mn

，Si

能部分還原；而Al

不能被還原。

2）C＋FeO－Fe＋CO的反應是在高溫進行的3）下面的元素能還原上面的元素（煉鋼）還原FeO的能力：由低到高Mn

，Si

，Al

氧化還原反應的熱力學

△G（4185.5J）T（oC)

鐵礦石赤鐵礦（主要成分為Fe2O3），理論最高品位為70%磁鐵礦（主要成分為Fe3O4），理論最高品位為72.4%菱鐵礦（主要成分為FeCO3），理論最高品位為48.3%褐鐵礦（主要成分為Fe2O3．H2O），理論最高品位為62.9%原料：鐵礦石(氧化物)；熔劑(CaCO3)

、燃料(焦炭)

鐵礦石含鐵量：30～70％，其它是脈石（SiO2；Al2O3；CaO，MgO）雜質：有害－S（FeS），P(Ca3(PO4)2)，Zn,Pb

有利－Mn，Ni，Cr，V任務：1）FeO的還原

2）還原脈石或把脈石與鐵水分離溶劑：分離脈石，與SiO2、Al2O3形成低熔點的渣燃料：焦碳和煤粉可以把煉鐵歸結為：礦石的還原，除脈石，造渣，或簡單稱為造渣過程高爐煉鐵

原料：礦石、熔劑（如CaCO3用于造渣）及焦炭等。

生鐵冶煉

主要反應過程：CO2＋C＝2COFe2O3－Fe3O4－FeO－Fe高爐的冶煉物理化學過程：1）燃燒過程：C＋O2——CO2↑CO2在上升過程中：CO2＋C——CO↑2）溶劑分解：CaCO3——CaO＋CO2↑3）鐵的還原：FeO＋CO——CO2＋Fe(間接還原)FeO＋C——Fe＋CO（直接還原）4）增碳：鐵水在與焦碳的接觸中會增碳－擴散過程，使鐵水被C所飽和。5）其他元素的還原:

Mn，Si部分被還原，被還原后進入鐵水中

Al不被還原，只能和熔劑形成渣6）去S:FeS＋CaO——CaS＋FeO7）P：Ca3(PO4)2＋C－CaO＋P＋CO所以在鐵水中：C飽和，溶有部分的Mn，Si，S以及全部的P。生鐵（主要產品）：分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵。爐渣（副產品）：含SiO2、CaO和Al2O3的鋁硅酸鹽，主要用于生產水泥。煤氣（副產品）：含26％左右的CO，用作燃料。

煉鐵產品及副產品：

鋼鐵冶煉

煉鋼的目的：除去生鐵中多余的碳和大量雜質元素，使其化學成分達到鋼的要求。煉鋼的任務？

“四脫”

“二去”

“二調整”

①“四脫”（碳、磷、硫和氧）②“二去”（去氣和去夾雜）③“二調整”（成分和溫度）鋼中的碳如何脫C？采用氧化的方式：①碳被氧氣直接氧化②間接氧化鋼的性質可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加鋼的強度和硬度，但對韌性產生不利影響。

2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaO·P2O5FeS+CaO=FeO+CaS造渣除P、S：

P的含量高會引起鋼的“冷脆”（從高溫降到0℃以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差）。磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴重影響鋼的性能，所以脫磷是煉鋼過程的重要任務之一。磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，為方便起見，均用[P]表示。煉鋼過程的脫磷反應首先是[P]被氧化成（P2O5），而后與（CaO）結合成穩定的磷酸鈣，其反應式可表示為：

[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

脫磷

硫在鋼中以FeS的形式存在，進游離的CaO結合成穩定的CaS，生成的CaS不溶于鋼液，形成渣相浮在鋼液表面。FeS+CaO→

CaS+FeO造渣除P、S：

S對鋼的性能會造成不良影響，鋼中硫含量高，造成鋼的“熱脆”性（

鋼的熱加工性能變壞）。當鋼中的[S]＞0.020%時，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶體分布于晶界處，在1150-1200℃的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時造成晶界破裂，即發生“熱脆”現象。

在脫碳過程中，向熔池供入了大量的氧氣，使鋼中實際氧含量高于平均值。如不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應，鋼液劇烈沸騰，使澆鑄困難，得不到正確凝固組織結構的連鑄坯。鋼中氧含量高，還會產生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。在鋼的凝固過程中，氧將會以氧化物的形式大量析出，會降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。氧含量較高，FeS與FeO形成的共晶體熔點更低（940℃），更加劇了鋼的“熱脆”現象的發生。鋼中的氧凡是對氧的親和力大于鐵氧親和力的元素都能脫氧。常用的脫氧劑?常用的脫氧劑有C、Mn、Si，Al等。脫氧鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態和固態純鐵和鋼中。當鋼中含有過量的氫時，會發生“氫脆”現象。即鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成發裂，進而引起鋼材的強度、塑性、沖擊韌性的降低，即發生“氫脆”現象。鋼中氮含量高時，在250-450℃溫度范圍，鋼的強度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍脆”。氮含量增加，鋼的焊接性能變壞。鋼的表面會發藍，稱之為“藍脆”。鋼中的氣體鋼中非金屬夾雜按來源分可以分成外來夾雜和內生夾雜。外來夾雜是指冶煉和澆鑄過程中，帶入鋼液中的爐渣和耐火材料以及鋼液被大氣氧化所形成的氧化物。鋼中的夾雜

煉鋼的常見工藝：①金屬料：鐵水、廢鋼、合金鋼②非金屬料：造渣劑（石灰）、燃料（焦炭）③氣體：氧氣轉爐煉鋼的原料堿性平爐煉鋼：以液態生鐵或廢鋼為原料；利用爐氣和礦石供氧；以氣體或液體燃料供熱。

煉鋼的常見工藝：2、堿性平爐煉鋼：以液態生鐵或廢鋼為原料；利用爐氣和礦石供氧；以氣體或液體燃料供熱。3、電弧爐煉鋼：利用石墨電極和金屬爐料之間形成的電弧高溫(通常5000℃一6000℃)加熱和熔化金屬，金屬熔化后加入鐵礦石、熔劑等，并吹氧，以加速鋼中的碳、硅、錳、磷等元素的氧化。當碳、磷含量合格時，扒去氧化性爐渣。再加入石灰、螢石、電石、硅鐵等造渣劑和還原劑，形成高堿度還原渣，脫去鋼中的氧和硫。煉鐵和煉鋼的主要反應原理有什么異同？相同點：都是利用氧化還原反應。不同點：煉鐵主要是用還原劑把鐵從鐵礦石中還原出來（側重還原），而煉鋼主要是用氧化劑把生鐵中過多的碳和其它雜質氧化而除去（側重氧化）。討論：各自特點：溫度場和組織結構的區別

連續鑄造

連續澆注最早由亨利·貝塞麥提出，并于1846年開始試驗，但是直到1937年才實現了銅合金的連鑄，1937年實現鋁合金的連鑄，1950年制出鋼液的連鑄機。

連鑄技術在鋼鐵生產中的應用是鋼鐵冶金工業的一次技術革命，它不僅大大提高了生產率，減少了材料消耗，并且提高了材料的質量。此后還出現了連鑄連軋O.C.C技術。

冷卻器開始凝固位置O.O.C連鑄：1.改變連鑄中冷卻結晶器的方法，反而加熱結晶器。2.靠金屬液的表面張力將縫隙中的金屬液鎖住。3.從而改變了溫度場，成為單向凝固，有利獲得單晶。(a)O.O.C連鑄(b)傳統連鑄OCC連續定向凝固工藝原理電磁約束近終成形原理示意圖

中國鋼鐵工業的能耗與國際先進水平的差距以2004年日本鋼鐵工業噸鋼可比能耗作為國際先進水平，與納入鋼鐵工業協會統計的大中型鋼鐵企業比較，總體來看我國鋼鐵工業能耗總水平比國際先進水平相差10％左右。（單位：公斤標煤/噸鋼）項目

噸鋼可比能耗

焦化工序

燒結工序

煉鐵工序

轉爐工序

軋鋼工序

日本

6569553396-2.762中國

705142.1366.72465.1233.7492.91差距±數

4947.1313.7269.1236.4430.91差距±%

7.474.9625.8917.45+13.5倍

49.85氧49.13%硅26%鋁7.73%鐵鈣鈉鉀鎂14.55%

鋁的冶煉

第三節有色金屬冶煉因為在19世紀，鋁是一種珍貴的金屬。人們最初得到的鋁粒如同珍寶，它的價格同黃金相當。因為從鋁礦石中把鋁提煉出來，是極其困難的。

一、鋁的歷史元素周期表的創始人門捷列夫在受到英國皇家學會的表彰時，得到的只是一只鋁杯。傳說拿破侖三世的刀叉具是用鋁制造的。筵席上，他為多數客人提供金餐具，而只讓少數客人使用鋁餐具，是為了讓用鋁餐具的客人留下更深刻印象。生活生產中的鋁制品氧化鋁：高硬度，高熔、沸點，不溶于水的白色固體。常用作耐火材料。耐火磚剛玉耐磨球紅寶石熔點2050℃

剛玉的主要成分是α–Al2O3，硬度僅次于金剛石。紅寶石、藍寶石的主要成分也是剛玉。紅寶石：混有少量含鉻的化合物；藍寶石：混有少量含鈦的化合物。人造寶石不但是漂亮的裝飾品，還常用來制造鐘表的軸承、光學儀器等等。拓展視野剛玉耐磨球紅寶石二、鋁的存在1、鋁是自然界中含量最多的金屬元素2、以化合態的形式存在3、鋁土礦是鋁元素的主要存在形式之一主要成分：Al2O3、Fe2O3、SiO2等鋁土礦

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。三、工業制備鋁的主要流程較純的Al2O3鋁土礦鋁電解提純提純主要過程如下：鋁土礦NaOH溶液Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O偏鋁酸鈉過濾殘渣濾液足量CO2NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+NaHCO3懸濁液過濾沉淀：Al(OH)3濾液灼燒較純的Al2O3電解鋁2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O2Al2O3＝4Al+3O2↑電解分析電解氧化鋁的化學方程式，用雙線橋法表示該反應的電子轉移。氧化鋁的熔點很高，工業上電解氧化鋁時，常加入冰晶石作“溶劑”。2Al2O34Al+3O2↑電解得4×3e-失6×2e-①氧化鋁的熔點（2050℃）太高，對電解設備的耐高溫性能要求過高。②當用冰晶石（熔點1010℃）作熔劑時，氧化鋁溶解于其中（溶解度約10%），將與氧化鋁形成低熔點共晶（T共

=938℃），這時可在1000℃以下進行電解。通常的電解溫度是950-970℃

為什么用冰晶石？

鋁的生產流程示意圖純冰晶石鋁錠螢石鋁礦石生產氧化鋁純氧化鋁電解制鋁碳素材料陽極糊或其它產品電極生產選礦再熔或精煉電能生產冰晶石或氟化物鋁冶煉的主要過程：Al3＋＋3e→AlAlO33--6e→Al2O3礦石（Al2O3）NaAlO2Al2O3?Na2OAl（OH）3Al2O3Al礦石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅燒950~1000℃165

℃0.35Pa1100℃CO2900℃CO2鋁電解槽結構碳塊陰極鋁電解槽結構

銅的冶煉

銅在地殼中的含量只有0.01％，遠低于鋁、鐵和鎂等金屬，甚至比鈦還低。目前自然界中含銅礦物有240多種，其中常見的約有30～40種，而有工業開采價值的銅礦僅10余種。銅礦物可分為自然銅、硫化礦和氧化礦三種類型。自然銅在自然界中很少，主要是硫化礦和氧化礦。特別是硫化礦分布最廣，是當今煉銅的主要原料。目前工業開采的銅礦石最低品位為0.4%~0.5%。開采出來的低品位礦石，經過選礦富集，使銅的品位提高到10%~30％。一、銅的生產方法銅的生產方法概括起來有火法和濕法兩大類。火法煉銅是當今生產銅的主要方法，世界上80％左右的銅是用火法煉銅方法生產的。

銅精礦的火法冶煉：精銅礦熔煉粗銅冰銅火法精煉電解精煉純銅

此外，還有細菌浸出法（主要處理低品位難選復合礦和廢礦）及高壓氨浸法（在高溫、高氧壓和高氨壓下，使Cu、Ni、Co等有價金屬以絡合物形態進入溶液，鐵以氫氧化物進入渣，此法適于處理Cu-Ni-Co或Ni-Co礦）。目前，濕法冶煉的發展出現新的契機，基于環保的要求，濕法冶煉的地位正在顯示出不可取代的作用。

銅的濕法冶煉：銅礦溶劑銅離子置換法溶解電沉積氫還原銅冰銅是在熔煉過程中產生的重金屬硫化物為主的共熔體，是熔煉過程的主要產物之一，是以Cu2S-FeS系為主并溶解少量其它金屬硫化物（如Ni3S2、Co3S2、PbS、ZnS等）、貴金屬（Au、Ag）、鉑族金屬、Se、Te、As、Sb、Bi等元素及微量脈石成分的多元系混合物。二、冰銅熔煉

在熔煉溫度下(1473K)兩種硫化物均為液相，而且完全互溶形成均質溶液。Cu2S-FeS二元系相圖Cu2O與FeS及可按下式反應：Cu2O＋FeS=Cu2S＋FeO2Cu2O＋C