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1、第一章第一章 金属冶金金属冶金 教学目标: 了解什么是金属冶金？进一步习得一些常见 的冶金工艺方法； 掌握钢铁冶金的工艺流程； 掌握有色金属冶金的工艺流程。 定义 : 金属冶金是研究如何从矿山或其他原料中提取金属或金 属化合物，并制成具有一定性能的金属材料的工程技术 。 金属的分类： 现代工业中把金属分为黑色金属和有色金属两大类，如 铁、铬、锰属于黑色金属，其余的金属都属于有色金属 。那么金属的冶金也可以分为钢铁冶金和有色冶金。 金属冶金金属冶金 第一节第一节 冶金工艺冶金工艺 冶金工艺：火法冶金、湿法冶金和电冶金。 1.11.1、火法冶金、火法冶金 1、原料准备 火法冶金是指在高温下矿石经过
2、熔炼、精炼反应及 熔化过程，使其中的金属与杂质分开，以获得较纯金 属的工艺方法。 火法冶金的基本过程分为：原料准备、冶炼和精炼 三部分。 矿 石 400600 干 燥 氧化还原或其他化学反应 焙 烧 达到熔炼要求 碳酸盐或氢氧化物还要进行煅烧，使得其变成金属氧化物， 然后再进行上述步骤 烧结和球团 冶炼原料 冶炼冶炼是指将处理好的矿石或其他原料，在高温下通过氧是指将处理好的矿石或其他原料，在高温下通过氧 化还原反应，使矿石中的金属与杂质分离，形成金属液化还原反应，使矿石中的金属与杂质分离，形成金属液 和熔渣的过程。和熔渣的过程。 按照冶炼的条件不同可分为：按照冶炼的条件不同可分为：还原冶炼、造
3、锍冶炼、氧还原冶炼、造锍冶炼、氧 吹冶炼等。吹冶炼等。 还原冶炼还原冶炼是一种使金属氧化物料在高温熔炼还原气氛下是一种使金属氧化物料在高温熔炼还原气氛下 被还原成金属熔体的冶炼方法。被还原成金属熔体的冶炼方法。 MeO +C MeO +C Me + CO MeO + COMe + CO MeO + COMe+COMe+CO 2 2 CO CO 2 2 + C + C 2CO2CO 2、冶炼 造锍冶炼造锍冶炼是属于氧化冶炼，主要用于处理硫化铜矿石和是属于氧化冶炼，主要用于处理硫化铜矿石和 硫化镍矿石。利用铜、镍对硫的亲和力近似于铁，而对硫化镍矿石。利用铜、镍对硫的亲和力近似于铁，而对 氧的亲和力
4、远小于铁的物理化学性质，在氧化程度不同氧的亲和力远小于铁的物理化学性质，在氧化程度不同 的造锍冶炼中使铁的硫化物不断氧化成铁的氧化物，进的造锍冶炼中使铁的硫化物不断氧化成铁的氧化物，进 而使得品位的提高。而使得品位的提高。 氧化吹炼氧化吹炼是在氧化气氛下进行冶炼，吹入氧气使得铁液是在氧化气氛下进行冶炼，吹入氧气使得铁液 中的硫、磷等杂质元素被氧化，或造渣、挥发与主体金中的硫、磷等杂质元素被氧化，或造渣、挥发与主体金 属分离而获得粗金属。属分离而获得粗金属。 精炼精炼是指进一步处理冶炼所得到的粗金属，以提高纯度是指进一步处理冶炼所得到的粗金属，以提高纯度 。 按照精炼的条件不同可分为：按照精炼的
5、条件不同可分为：物理精炼法和化学精炼法物理精炼法和化学精炼法 。 物理精炼法：物理精炼法：熔析精炼、精馏精炼和区域精馏。熔析精炼、精馏精炼和区域精馏。 熔析精炼熔析精炼是指利用杂质金属和其化合物在主金属中的溶是指利用杂质金属和其化合物在主金属中的溶 解度随温度的降低而显著减少的特性，逐渐改变温度使解度随温度的降低而显著减少的特性，逐渐改变温度使 粗金属中发生分相，形成多相系，将杂质分离到某一固粗金属中发生分相，形成多相系，将杂质分离到某一固 相或液相中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。主相或液相中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。主 要用于锡、铅、锌等金属。要用于锡、铅、锌等金属。 3、精
6、炼 精馏精炼精馏精炼是指利用物质沸点的不同，交替进行多次蒸发是指利用物质沸点的不同，交替进行多次蒸发 、冷凝除去杂质的精炼方法。精馏精炼适用于相互溶解、冷凝除去杂质的精炼方法。精馏精炼适用于相互溶解 或部分溶解的金属液体。或部分溶解的金属液体。 区域精炼区域精炼是利用金属液体混合物在冷凝结晶过程中的偏是利用金属液体混合物在冷凝结晶过程中的偏 析现象，将杂质富集到液相或固相中，与主金属分离，析现象，将杂质富集到液相或固相中，与主金属分离， 获得精炼主金属的方法。获得精炼主金属的方法。 化学精炼法：化学精炼法：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼和碱性精氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼和碱性精 炼。炼。 氧化
7、精炼氧化精炼是利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧是利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧 化挥发除去的化学精炼方法。其主要原理是应用不同元化挥发除去的化学精炼方法。其主要原理是应用不同元 素对氧的亲和力不同。素对氧的亲和力不同。 硫化精炼硫化精炼是采用加入硫或硫化物去除粗金属中的杂质的是采用加入硫或硫化物去除粗金属中的杂质的 化学精炼方法。主要考虑主金属与杂质金属对硫的亲和化学精炼方法。主要考虑主金属与杂质金属对硫的亲和 力。力。 氯化精炼氯化精炼是向粗金属熔体中通入氯气或加入氯化物使杂是向粗金属熔体中通入氯气或加入氯化物使杂 质生产氯化物使杂质生产氯化物而与主金属分离的化学质生产氯化物使
8、杂质生产氯化物而与主金属分离的化学 精炼方法。精炼方法。 碱性精炼碱性精炼是向粗金属熔体中加入碱使杂质氧化并与碱结是向粗金属熔体中加入碱使杂质氧化并与碱结 合生产渣而被除去的化学精炼法。主要用于粗铜除镍，合生产渣而被除去的化学精炼法。主要用于粗铜除镍， 粗铅除砷、锑等。粗铅除砷、锑等。 1.21.2、湿法冶金、湿法冶金 湿法冶金是在常温或低于100以下，用溶剂处剂处 理 矿矿石或精矿矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其 他杂质杂质 不溶解，然后再从溶液中将金属分离和提取出 来的过过程。 湿法冶金 浸出 分离 富集 提取 酸性、碱性和盐性 氧化和还原 常压和加压 就地、渗虑、搅拌和球磨 过滤分
9、离和沉降分离 结晶、蒸馏、沉淀、置换 、 溶液萃取、离子交换、膜 分离 电解、化学置换、还原 1.31.3、电冶金、电冶金 电电冶金是利用电电能提取和精炼炼金属的方法，按照 电电能形式可分为电热为电热 冶金和电电化学冶金。 电冶金 电热冶金 电弧熔炼 电阻熔炼 电阻-电弧熔炼 等离子熔炼 感应熔炼 电子束熔炼 电化学冶金 溶液电解 熔盐电解 第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼 钢铁的冶炼包括两个部分 ： 矿石 生铁 生铁 钢 2.1 生铁的冶炼 2006年-2013年 钢材价格走势 2015年-2016年 钢材价格走势 2016年8月23日 世界第四大 铁矿石生产商 表示，铁矿石市 场经历了数年的
10、 价格下跌之后已 经开始复苏，因 过剩的低成本供 应已经被吸收。 燃料的作用 C 发热剂 还原剂 料柱骨架 渗碳剂 熔剂炉渣 高炉炼铁的冶炼过程 铁的还原 温度大于570： 3Fe2O32Fe3O46FeO6Fe 温度小于570： 3Fe2O32Fe3O46Fe FeO + CO = Fe + CO2 CO2 + C = 2CO 其他元素的还原 Si的还还原 SiO2 + 2C = Si + 2CO Mn的还原 MnO2Mn2O3Mn3O4Mn3O4Mn P的还原 Ca3(PO4)2 + 5C = 3CaO + 2P + 5CO S的还原 石灰石的分解与造渣 CaCO3 = CaO + CO2
11、 mSiO2 + pAl2O3 + nCaO=mSiO2pAl2O3nCaO 高炉炼铁产品 生铁 炼钢生铁 铸造生铁 铁合金 炉渣 水渣 渣棉 干渣 煤气 炉尘 高炉炼铁的技术指标：1、高炉有效容积利用 系数 2、焦比 3、燃烧比 4、冶炼强度 5、生 铁合格率 6、生铁成本 7、炉龄 高炉炼铁技术：1、高炉大型化自动化 2、 高炉冶炼低硅生铁 3、高炉使用金属炉料 4、 高炉喷吹还原气体 非高炉炼铁技术：直接还原炼铁和熔融还原 炼铁 2.2钢钢的冶炼炼 钢和生铁的主要区别？ 什么是炼钢 ？ 从生铁到钢需要哪些工艺步骤？ 项目钢生铁 含碳量2%，一般为0.04-1.7% 2%，一般为2.5-4
12、.3% 含Si、Mn、P、S量较少较多 熔点1450-15301100-1150 力学性能强度、塑性、韧性好硬而脆，耐磨性好 铸造性能较好好 锻造性能好差 焊接性能好差 可加工性能好好 热处理性能好差 钢和生铁的主要区别 炼钢的基本任务：脱碳、去P和S、去 气和去除非金属夹杂物、脱氧与合金化、 调整温度、浇注。 炼钢的基本方法：平炉炼钢、转炉炼 钢、电炉炼钢。 转炉构造模型图解 电弧炉构造模型图解 电炉的优点有：炉内气氛容易控制、物料 加热快、加热温度高、温度容易控制等。包括 电弧炉、感应炉、电渣炉等。 炼钢原料 金属料 非金属料 氧化剂 铁液 废钢 合金钢 造渣剂 冷却剂 增碳剂和燃料 氧气
13、 铁矿石 氧化皮 炼钢的基本原理及过程 元素的氧化、造渣除磷和硫、脱氧及合金 化、炉外精炼、钢的浇铸。 元素的氧化 2Fe + 2O = 2(FeO) 2(FeO) + Si = (SiO2)+2Fe (FeO) + Mn = (MnO) + Fe 5(FeO) + 2P = (P2O5) + 5Fe (FeO) + C = (CO) + Fe 造渣脱磷、硫 2P + 5FeO + 3CaO = 5Fe + (3CaOP2O5) 2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + (4CaOP2O5) FeS + (CaO) = (FeO) + (CaS) 脱氧及合金化 沉淀脱氧法 扩散脱氧法
14、真空脱氧法 镇静钢 沸腾钢 半镇静钢 炉外精炼 脱氢、脱氧、脱碳、非金属夹杂物的形态控制，成分调整 （添加合金）、钢液成分、温度的微调及均匀化、脱磷 钢的浇铸 模铸法 连铸法 作业 P32 1、什么是火法冶金？简述火法冶金的工 艺过 程。 3、简述火法冶金中精炼的方法有哪些？ 复习复习 1、金属冶金的工艺？ 2、湿法冶金的步骤？ 3、铁矿石的分类？铁的还原？ 4、钢和生铁的区别？ 第三节第三节 有色金属冶炼有色金属冶炼 冶金工艺：火法冶金、湿法冶金和电冶金。 有色金属分类 有色重金属 有色轻金属 贵金属 稀有金属 密度在4.5以上 的，铜、锌、 铅、锡等 密度在4.5以下 的，铝、镁、 钙等
15、锂Li、铷Rb、铯Cs、 铍Be、钛、锆、铪、 钒、铌、钽、钼、钨 1.3.1 铜 冶 金 一、 铜的性质与用途 （1）性质：玫瑰红色；延展性好；导电、导热性好；液 态时易溶解某些气体；熔点1083，沸点2310，常温比 重8.96g/cm3。常温干燥空气中不易氧化，但在有CO2存在 的潮湿空气中易生成CuCO3Cu(OH)2即铜绿，有毒； Cu在185时开始与氧作用，低于350时生成Cu2O， 高于350时生成CuO。 （2）用途：在电器工业、机械制造业、国防及其他方面 ，如建材、热工、冷却、和民用等方面有广泛应用。 铜的主要矿物 矿物 类别 矿物 名称 化学分子式%Cu 密度 gcm-3
16、颜色 自然 矿物 自然铜Cu1008.9红色 硫化 矿物 辉铜矿 铜蓝 黄铜矿 斑铜矿 硫砷铜矿 黝铜矿 Cu2S CuS CuFeS2 Cu4FeS4 Cu3AsS4 （Cu,Fe)12Sb4S13 79.8 66.7 34.6 63.5 49.0 25.0 5.5-5.8 4.6-4.7 4.1-4.3 5.06 4.45 4.6-5.1 灰黑色 红蓝色 黄色 红蓝色 灰黑色 灰黑色 氧 化 矿 物 赤铜矿 黑铜矿 孔雀石 蓝铜矿 硅孔雀石 胆矾 Cu2O CuO CuCO3Cu(OH)2 2CuCO3Cu(OH)2 CuSiO32H2O CuSO45H2O 88.8 79.9 57.5 68.2 36.2 25.5
