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1、第七章 冶金工程基础 材料工程基础 第一节 金属冶金概述 第七章 冶金工程基础 1. 冶金工业的分类方法： 黑色金属（铁.铬.锰） 有色金属（除以上三种） 2. 根据密度的大小分类： 轻金属（小于4.5g/cm3）如:铝.钾.镁.钠 重金属（大于4.5g/cm3）如:铁.铜.银.汞 3. 根据地壳中的含量： 常见金属 如:铁.铜.锡 稀有金属 如:钽.锆.铌 黑色 金属 有色 金属 金 属 材 料 铸铁 钢 工程构件用钢 机器零件用钢 工具钢 特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢) 轻金属(铝,镁,钛) 重金属(铜,锌,铅,镍) 贵重金属(金,银) 稀有金属(钨钼钒铌钴 ) 放射金属(镭铀钍) 结构金
2、属材料 功能金属材料 难熔金属(钛锆铪钒铌钽钼钨 ) 稀土金属(钪、钇及镧系元素) 铟， 钨， 锗， 稀土， 钼， 钛， 钒 工业的牙齿战争金属工业味精空间金属最高熔点 蓝 铜 矿 磁 铁 矿 金属元素 在自然界 ，少数不 活泼金属 以游离态 存在，多 数金属以 化合态存 在。 1）冶金的概念 (冶金的目的或任务） 冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取 金属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一 定性能的金属材料的科学。 2）冶金包括： 提取冶金： 物理冶金： 研究提取金属，存在化学反应 研究金属材料成型过程 冶炼 钛 合 金 、金属的冶炼的实质及过程 自然界中的金属大都以化合态存在
3、 用化学的方法把化合态的金属变成游离态 要考虑的问题 矿石的 富集 合适的冶 炼方法 如何 精炼 金属冶炼的三 大过程 （1 1）炼前处理）炼前处理 （2 2）粗炼）粗炼 （3 3）精炼）精炼 人类社会发展史： 原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会 人类使用材料的历史： 石器青铜器铁器工业化(钢铁)信息社会(多种新材料) 金属冶金按其原理可划分为四大基本类型 ： 火法冶金（又称干法冶金） 湿法冶金、 电冶金 粉末冶金。 物理冶 金 提取冶金 第二节 火法冶金 第七章 冶金工程基础 概念：火法冶金是指利用高温（超过金属熔点温度）从矿物中提取金 属或其他化合物的方法；顾名思义，这种生产工艺常利用火
4、来加热得 到高温。因这种工艺没有水溶液的参与，所以也叫干法冶金。 典型的火法冶炼：炼钢，炼铜 适用性：富集矿、硫化物矿 特点：1）污染严重 2）对矿物品质要求高 3）生产成本低，易于大规模生产使用 4）产品纯度低，不易实现其它伴生金属的回收。 二、 火法冶金主要工艺过程 工艺过程工艺过程： 矿石准备矿石准备 矿石熔炼矿石熔炼 精炼提纯精炼提纯 除脉石、 得精矿 富集和分 离的过程 除去杂 质提纯 金属 1.选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等。 精矿 2. 干燥、焙解: 分解水化物或氢氧化物及碳酸盐，除去其中的水份 、二氧化碳及有机物等。 3、焙烧：除硫 焙砂 4. 烧结：粉矿（精矿）球团
5、烧结 块状物料。 烧结块 不宜直接 加入鼓风 炉 煤、焦炭 溶解度、密度差 原料 熔化 两种或以上互 不相溶的液体产物 矿石（精矿、焙砂或烧结块） 熔剂、氧化、还原剂、燃料 粗金属、金属富集物、 熔渣（脉石、灰分） 化学反应 石灰石 硅石 1、还原熔炼：以还原反应为主（氧化物矿）还原气氛熔炼 MeO+C=Me+CO2； MeO+CO=Me+CO2； C+CO2=2CO 2、氧化熔炼：以氧化反应为主（硫化物矿）。 MeS+O2=Me+SO2； MeS+1.5O2=MeO+SO2； MeS+MeO=MeS+MeO Me为杂质金属元素 闪速熔炼、熔池熔炼、漩涡熔炼、热风熔炼、富氧熔炼、自热熔炼 将冶
6、炼得到的金属进一步去除杂质，提高纯度的过程称为精炼。 精炼包括： 1）化学方法： 氧化精炼：利用杂质对氧的亲和力大于主金属元素 Me+MeO=Me+MeO 硫化精炼：利用杂质对硫的亲和力大于主金属元素 MeS+Me=MeS+Me 2）物理方法： 区域提纯：改变温度，利用杂质和主金属熔化-结晶发生相变规律不同 精馏：利用物质沸点不同，进行多次蒸发、冷凝而除去杂质 3）电化学方法：电解提纯 炼钢吹氧，粗 铜除铁 粗铅 除铜、除铁 杂质元素变成 氧化物与脉石 造渣除去 二、 火法冶金主要工艺过程 工艺过程工艺过程： 矿石准备矿石准备 矿石熔炼矿石熔炼 精炼提纯精炼提纯 除脉石、 得精矿 富集和分 离
7、的过程 除去杂 质提纯 金属 粗矿石粗矿石 烧结块、熔剂、烧结块、熔剂、 氧化、还原剂、氧化、还原剂、 燃料燃料 粗金属、金属富粗金属、金属富 集物、熔渣集物、熔渣 粗金属粗金属 纯金属纯金属 精矿粉精矿粉烧结块烧结块 第三节 湿法冶金 第七章 冶金工程基础 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。 典型的湿法冶炼：湿法炼锌（已占到世界锌产量的80%） 适用性：贫矿、氧化物矿、海水、废渣、选矿尾矿 特点： 1）污染可控 2）可用于对贫矿、废渣等的金属提取 3
8、）生产效率低 1. 选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等。 2. 干燥、焙解: 3. 焙烧:矿石(精矿)加热(熔点)化学变化。包括有： 硫酸化焙烧、如湿法提Cu、Zn等： MeS+1O2=MeO+SO2 SO2+O2=SO3 MeO+SO3=MeSO4 氯化焙烧、矿石（精矿）+氯化剂可溶性氯化物（稀有金属冶金）如 TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO 4. 烧结：粉矿（精矿）球团烧结 块状物料。 除硫、生成硫 酸盐、可溶性 化合物 二、 湿法冶金工艺过程 工艺过程工艺过程： 浸出浸出 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 净化净化 高 温 加 压 浸 出
9、 超 细 振 动 研 磨 浸 出 外 力 场 的 作 用 强 化 催 化 剂 活 化 浸 出 沉 降 分 离 过 滤 分 离 蒸 馏 沉 淀 结 晶 溶 液 萃 取 离 子 交 换 膜 分 离 将金属组分溶 解变为溶液 蒸 汽 压 难 熔 固 体 过 饱 和 萃取 用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的流程图 第四节 电冶金 第七章 冶金工程基础 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： 电热学冶金电热学冶金 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。直接用电加热生产金属的一种冶金方法。 特点：耗热量大，温度可控，速度快，产品纯度高特点：耗热量大，温度可控
10、，速度快，产品纯度高 电化学冶金电化学冶金：电化冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法。：电化冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法。 特点：纯度高，用于后期精炼或提取。特点：纯度高，用于后期精炼或提取。 也可看成是一 种干法冶金技 术 也可看成是一 种湿法冶金技 术 电解过程：实则为一个氧化还原过程 阳极：电流流出端 发生氧化反应：Me-2e=Me2+（金属溶解） 阴极：电流流入端 发生还原： Me2+ +2e=Me（金属析出） 一、电化学冶金 电解精炼电解提取 电解精炼：以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应 ，这一过程称为电解精炼或可溶性阳极电解； 电解提取：使用不溶性电极作阳极，
11、对溶解于电解液中的金属离子进行 还原、分解的过程，称为电解提取。 依据所使用电解质的物理状态分为两种类型： 1）水溶液电解：适用电负性比氢大的金属元素电极电位较正的金属 2）熔盐电解：原则上适用于所有金属电极电位较负的金属 氢 负电位金属 正电位金属 金属的电负性： 铝、镁、钛等碱、 碱土金属 铜、镍、钴、金、银等 原因：电负性小的金属盐的水溶液，其分 解电压比水的大，电解时只是使水电解析 出氢和氧，而金属并不会析出。 电热冶金具有加热速度快、调温准确、温度高（可到 2000以上），可以在各种气氛、各种压力或真空中作业，以 及金属烧损少等优点。 1、电弧熔炼 2、电阻炉熔炼（高熔点金属） 3、
12、电阻电弧熔炼 4、感应熔炼 5、电子束熔炼 6、等离子熔炼 第五节 粉末冶金 第七章 冶金工程基础 概念：粉末冶金最初是指在金属的熔点温度以下采用金属矿物或金属 及合金粉末生产制备相应金属与合金材料或制品的冶金工艺过程。又称为 “金属陶瓷法”。 对于难熔金属而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。 粉末 冶金过程 制粉成型烧结后续处理 优点缺点适用性 火法 处理精矿能力大，能够利用 硫化物矿中硫的燃烧 热，生产规模大，效率高。 污染严 重，纯度低 钢铁 重有色金属硫化物矿 湿法 污染可控；原材料要求低， 使用范围广；可 回收贵金属，稀有金属 相对工艺 过程复杂 1. 处理多金属矿，低品味 矿，难选矿 火法不能使用的氧化矿 物原料 电 冶金 纯度高 电加热速度快、 温度可控性好。 电能耗能 大；成本高 1. 用于火法冶金得到粗金 属的精炼 湿法冶金的萃取提炼 高熔点金属 粉末 冶金 1. 纯度高 后机械加工少，节约金属 混合相组成的特殊合金 难熔金属及其化合物，合 金，多孔材料 Power Bar 中国专业PPT设计交流论坛
