第一篇

金属材料的制备及加工工艺

主要内容

第一章 金属材料的制备—冶金

第二章 金属材料加工基础

第一章

金属材料的制备—冶金

本章主要内容：

1.1 冶金工艺概述

1.2 钢铁冶炼

1.3 有色金属冶炼

重点：钢铁冶炼工艺

难点：无

1.1 冶金工艺概述

冶金的定义： 冶金是关于矿产资源的开发利用和金属材料生产

加工过程的工程技术。冶金的原因：

自然界中大多数金属元素都不是单独存在，而是以各种化合物或盐类的形式存在于各类矿物中，因此要进行冶金。

冶金工序： 首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取提取出来，

接着对粗炼金属产品进行精练提纯精练提纯和合金化处理合金化处理，然后浇注成锭浇注成锭，加工成形加工成形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。冶金工艺： 火法冶金、湿法冶金、电冶金等。

火法冶金 定义定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金

属或其化合物的方法。

工艺过程工艺过程：

矿石准备矿石准备

矿石冶炼矿石冶炼

精炼提纯精炼提纯

选矿、焙烧球化或烧结

金属化合物的还原

除去杂质提纯金属

工艺方法分类工艺方法分类：

火法冶金火法冶金

提取冶金

真空冶金

喷射冶金

氯化冶金

湿法冶金 定义定义：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。

工艺过程工艺过程：

离 子离 子浸 取浸 取

固 液固 液分 离分 离

金属或化金属或化合物提取合物提取

溶 液溶 液富 集富 集

电冶金 定义定义：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。 工艺分类工艺分类：

电热熔炼电热熔炼 ： ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括熔炼包括电弧熔炼电弧熔炼、、等离子熔炼等离子熔炼和和电磁熔炼电磁熔炼等。等。

水溶液电解水溶液电解：：应用水溶液电解精炼或电解提取金属的一种应用水溶液电解精炼或电解提取金属的一种冶金方法。冶金方法。

熔盐电解熔盐电解：：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。在熔池中进行电解。

1.2 钢铁冶炼

钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成供制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。

1.2.1 生铁冶炼

一、概述 Fe 在地壳中的含量及存在形式 5% 氧化物

脉石： MnO2 、 SiO2

炼铁的目的：使铁从铁的氧化物中还原，并与脉石分离。

二、炼铁的原料1 、铁矿石（ 1 ） 铁矿石的工业类型 赤铁矿（ Fe2O3 ） 磁铁矿（ Fe3O4 ） 褐铁矿（ 2Fe2O3·3H2O ） 菱铁矿（ FeCO3 ）（ 2 ）对铁矿石的质量要求：

① 含铁量愈高愈好② 还原性好③ 粒度④ 脉石的成分⑤ 杂质含量要少⑥ 一定的强度

2 、熔剂（ 1 ）熔剂的种类

碱性熔剂 酸性熔剂

（ 2 ）熔剂的主要作用① 降低脉石的熔点 熔剂与高熔点的脉石形成低熔点、流动性好的硅酸 盐矿渣，易于排除。② 去硫 硫易与钙结合生成 CaS 进入渣中

3 、燃料（焦炭）（ 1 ）燃料的作用

① 提供热量② 还原剂

（ 2 ）对燃料的要求① 含碳量高② 有害杂质、水分、灰分、挥发分的含量低③足够的机械强度④气孔率大、粒度均匀

二、主要装置—高炉

三、主要反应过程1 、燃料的燃烧

C + O2 = CO2

CO2 + C = 2CO

2 、 铁的还原 间接还原 3Fe2O3+CO=2 Fe3O4+CO2

Fe3O4 +CO=3FeO +CO2

FeO +CO=Fe +CO2

直接还原 FeO +C=Fe +CO

3 、铁的增碳最初还原出来的铁似海绵，含碳量低，熔点高，下降过程中吸收碳，熔点降低， 1200℃开始熔化。

4 、其它元素的还原锰的还原：高炉中的锰是由矿石带进的，以 M

nO2, Mn2O3, Mn3O4 的形式存在，锰的还原过程也是顺序由高价还原成低价，最后还原成金属锰。

硅的还原：硅是以 SiO2 的形式存在于脉石中，由于 SiO2很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，只有少量的 SiO2 在 1450℃以上的高温被焦炭还原进入生铁。

磷的还原：磷是以 Ca3(PO4)2 的形式存在于矿石中，在 1200~1500℃可被固态碳还原：

Ca3(PO4)2 +5C=3CaO+2P+5CO

去硫：硫是钢铁材料中最有害元素之一。主要由焦炭带入，占到 60~80% 。硫主要以硫化铁的形式存在，与石灰石中的氧化钙反应生成硫化钙进入炉渣。

FeS+CaO=CaS+FeO

造渣：造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与熔剂的熔合过程。

四、高炉产品 生铁生铁（（主要产品）： 分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣炉渣（副（副产品）：含 SiO2 、 CaO 和 Al2O3 的铝

硅酸盐，主要用于生产水泥。煤气煤气（副（副产品）：含 26％左右的 CO ，用作燃

料。

1.2.2 钢的冶炼

炼钢实质是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到规定的水平的过程。

降碳及杂质元素的方法是利用纯氧等氧化剂将杂质元素氧化成气体或炉渣。

1 、炼钢的基本过程（ 1 ）脱碳：脱碳反应是炼钢的最主要反应。

• 直接氧化： 2C+O2=2CO

• 间接氧化 : 2Fe+O2=2FeO

C+FeO=Fe+CO

（ 2 ）硅、锰的氧化直接氧化： Si+O2=SiO2

2 Mn+O2=2MnO

间接氧化： Si +2FeO=2Fe+ SiO2

Mn +FeO=Fe+MnO

造渣 SiO2 与 FeO ， MnO 与 SiO2 反应形成炉渣。

SiO2+2FeO =2FeO •SiO2

SiO2+2MnO=2MnO•SiO2

（ 3 ）脱磷磷在钢中是以磷化铁 (Fe2P) 形态存在，在炼钢

过程中与炉渣中的氧化铁和氧化钙结合生成磷酸钙。 2Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4·P2O5+9Fe

（ 4 ）脱硫硫是以硫化铁的形式存在，当渣中有足够的氧

化钙时： FeS+CaO=FeO+CaS

（ 5 ）脱氧脱氧是用脱氧剂除去钢液中残留的氧化铁中的

氧，还原出铁，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集上浮到钢液表面。

〔 Si 〕〔Mn〕〔 Al 〕〔 C〕

｝＋ (FeO）

（ SiO2 ）（ MnO）(Al2O3 ）（ CO）

｝＋〔 Fe〕

2 、常见的炼钢方法 碱性平炉炼钢：以液态生铁或铁块和废钢为原料；

利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。

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。

氧气顶吹转炉炼钢：以生铁液为原料；高压工业纯氧供氧；无需燃料。已成为现代冶炼碳钢和低合金钢的主要方法。

1.3 有色金属冶炼

一、铜的冶炼炼铜原料

硫化矿：黄铜矿 (CuFeS2) 、斑铜矿 (Cu3FeS

2) 、辉铜矿 (Cu2S) 、铜蓝 (CuS)

氧化矿：孔雀石 (CuCO3·Cu(OH)2) 、硅孔雀石 (CuSiO3·2H2O) 、赤铜矿 (Cu2O) 、胆矾 (CuSO4·5H2O)

炼铜方法火法炼铜：主要处理硫化铜矿

精铜矿精铜矿 熔 炼熔 炼 粗 铜粗 铜冰 铜冰 铜

火法精炼火法精炼电解精炼电解精炼纯 铜纯 铜

火法炼铜的基本流程

① 造锍熔炼（冰铜的形成）基本原理：造锍熔炼的目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部以 Cu2S 进入冰铜，部分铁以 FeS的形式也进入冰铜，大部分铁氧化成 FeO 与脉石矿物造渣；其次，使冰铜与炉渣分离。主要反应：

②冰铜转炉吹炼冰铜吹炼的实质是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，使冰铜中的 FeS 氧化变成 FeO 与加入的石英熔剂造渣，而 Cu2S则经过氧化后又与 Cu2S相互反应变成粗铜。造渣反应：

造铜反应：

③ 粗铜的火法精炼目的：进一步除去铜中的少量杂质。原理：与炼钢相似。 氧化过程

还原过程

④铜的电解精炼 火法精炼铜作为阳极，电解铜作为阴极，引入

直流电后，阳极铜进行电化学溶解，纯铜在阴极上析出，铜中的杂质或进入阳极泥，或保留在电解液中，从而实现铜和杂质的分离。

湿法炼铜：主要处理氧化铜矿

铜 矿铜 矿

溶 剂溶 剂

铜离子铜离子

置换法置换法

溶 解电沉积电沉积

氢还原氢还原

铜 铜

二、铝的冶炼炼铝原料

铝土矿：主要化学成分为 Al2O3 ，另外还有 SiO2 、 Fe2O3 、 TiO2 和少量的 CaO 、 MgO 等。

明矾石，霞石，高岭土铝冶金特点

不能从矿石中直接得到粗金属包括两个环节：氧化铝的制取和氧化铝的电解

氧化铝的制备湿碱法（拜尔法）

①铝土矿的浸出

②晶种分解

④母液的蒸发与苛化

③氢氧化铝的煅烧

干碱法（烧结法） 氧化铝的电解

熔盐电解：用氧化铝、冰晶石及其他氟化盐等作为电解质的电解过程。

为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？降低电解温度电解质熔体与金属铝的分层

电解反应 阴极反应：

阳极反应：

总反应：

Al3 ＋＋ 3e → AlAlO3

3- - 6e → Al2O3

矿石（ Al2O3

）

NaAlO2

Al2O3•Na2O

Al （ OH） 3

Al2O3

Al

矿石（ Al2O3

）

NaAlO2

Al （ OH） 3

NaOH NaOH

Na2CO3

煅烧 950~1000℃

165 0.35Pa℃

1100 ℃

CO2

900 ℃

铝冶炼的主要过程：

纯冰晶石

铝 锭

萤 石铝 矿 石

生产氧化铝

纯氧化铝

电 解 制 铝

碳素材料

阳 极 糊 或其 它 产 品

电极生产选 矿

再熔或精炼 电 能

生产冰晶石或 氟 化 物

铝的生产流程示意图

作业1 、火法冶金、湿法冶金和电冶金的主要特点是什么？2 、简述炼钢的基本过程。3 、炼钢过程的实质是什么，在炼钢过程中发生哪些

基本冶金反应 ?

4 、工业上如何从铝矾土矿中提取出金属铝？5 、为什么铝的电解要在冰晶石的熔盐中进行？6 、简述火法炼铜的基本过程。